I ricercatori dell'ETH di Zurigo hanno sviluppato un modulatore con il quale i dati trasmessi tramite onde millimetriche possono essere convertiti direttamente in impulsi luminosi per fibre ottiche. Ciò potrebbe rendere la copertura dell'"ultimo miglio" fino alla presa Internet di casa notevolmente più veloce ed economica.

Le elevate frequenze di oscillazione delle onde luminose le rendono ideali per la trasmissione veloce dei dati. Possono essere inviati tramite fibre ottiche e trasportano facilmente centinaia di miliardi di bit (Gigabit) al secondo. L'"ultimo miglio" da un cavo centrale in fibra ottica alla presa internet di casa, però, è il più difficile e costoso. Alcune alternative, ad esempio telefonia mobile 4/5G, sono più economici, ma non possono fornire a tutti gli utenti contemporaneamente le velocità di trasmissione estremamente elevate richieste dalle odierne applicazioni affamate di dati come lo streaming TV.

Jürg Leuthold, professore all'Istituto per i campi elettromagnetici dell'ETH di Zurigo, e i suoi collaboratori hanno ora, con il supporto dei colleghi dell'Università di Washington a Seattle, ha sviluppato un nuovo modulatore di luce che consentirà in futuro di coprire l'ultimo miglio in modo efficiente ea basso costo con microonde ad alta frequenza - le cosiddette onde millimetriche - e quindi elevate velocità di trasmissione dei dati.

Modulatore di luce senza elettronica

Per trasferire i dati codificati nelle fibre ottiche attraverso una variazione dell'intensità della luce su onde millimetriche, sono necessari componenti elettronici molto veloci e quindi costosi. Nella direzione opposta, onde millimetriche devono prima essere ricevute da un'antenna, poi amplificato e miscelato in banda base e infine iniettato in un modulatore di luce, che traduce i dati contenuti nelle onde radio in impulsi luminosi.

Leuthold ei suoi colleghi sono ora riusciti a costruire un modulatore di luce che funziona completamente senza batterie ed elettronica. "Ciò rende il nostro modulatore completamente indipendente dagli alimentatori esterni e, oltre a ciò, estremamente piccolo in modo che possa, in linea di principio, essere montato su qualsiasi lampione. Da li, può quindi ricevere dati tramite segnali a microonde dalle singole abitazioni e alimentarli direttamente nella fibra ottica centrale", spiega Yannick Salamin, un dottorato di ricerca studente che ha dato un contributo cruciale allo sviluppo del nuovo modulatore.

Modulazione tramite plasmoni

Il modulatore realizzato dai ricercatori dell'ETH è costituito da un chip che misura meno di un millimetro che contiene anche l'antenna a microonde. Quell'antenna riceve le onde millimetriche e le converte in una tensione elettrica. La tensione agisce quindi su uno slot sottile al centro del chip, il vero cuore del modulatore. Là, una fessura stretta, lunga pochi micrometri e larga meno di cento nanometri, è riempito con un materiale particolarmente sensibile ai campi elettrici. Il raggio di luce dalla fibra viene alimentato in quella fessura. Dentro la fessura, però, la luce si propaga – a differenza del cavo in fibra ottica o dell'aria – non più come onda elettromagnetica, ma come un cosiddetto plasmone. I plasmoni sono creature ibride fatte di campi elettromagnetici e oscillazioni di carica elettrica sulla superficie di un metallo. A causa di questa proprietà, possono essere confinati molto più strettamente delle onde luminose.

Il materiale elettricamente sensibile ("non lineare") all'interno della fenditura assicura che anche il più piccolo campo elettrico creato dall'antenna influenzi fortemente la propagazione dei plasmoni. Tale influenza sulla fase oscillatoria delle onde si conserva quando i plasmoni vengono riconvertiti in onde luminose all'estremità della fenditura. In questo modo, i bit di dati contenuti nelle onde millimetriche vengono trasferiti direttamente sulle onde luminose – senza deviare dall'elettronica, e senza alcuna alimentazione esterna. In un esperimento di laboratorio con segnali a microonde a 60 Gigahertz, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare velocità di trasmissione dati fino a 10 Gigabit al secondo su una distanza di cinque metri, e 20 Gigabit al secondo oltre un metro.

Economico e versatile

Oltre alle ridotte dimensioni e al irrisorio consumo energetico, il nuovo modulatore presenta una serie di ulteriori vantaggi. "Il trasferimento diretto dalle onde millimetriche alle onde luminose rende il nostro modulatore particolarmente versatile per quanto riguarda la frequenza e il formato esatto della codifica dei dati", sottolinea Leuthold. Infatti, il modulatore è già compatibile sia con la nuova tecnologia 5G che con i futuri standard di settore basati su frequenze millimetriche e terahertz di 300 Gigahertz e velocità di trasmissione dati fino a 100 Gigabit al secondo. Inoltre, può essere prodotto utilizzando la tecnologia convenzionale del silicio, e quindi ad un costo relativamente basso.

Finalmente, Leuthold può rassicurare gli utenti che potrebbero essere preoccupati per le radiazioni elettromagnetiche coinvolte. Diversamente dalle onde radio o dalle microonde di un modem WiFi, che si propagano uniformemente in tutte le direzioni, le onde millimetriche possono essere fortemente focalizzate per la trasmissione all'esterno e propagarsi solo tra l'antenna sul tetto e un palo della luce all'interno di un raggio di venti centimetri di diametro. Ciò riduce fortemente la potenza necessaria per la trasmissione rispetto ad altre tecnologie wireless. Elimina inoltre i problemi tipici dei modem WiFi, i cui segnali possono ostacolarsi a vicenda.