Onde millimetriche per l'ultimo miglio

Grazie alla loro elevata frequenza di oscillazione, le onde luminose sono ideali per la trasmissione veloce dei dati. Inviate attraverso le fibre ottiche, possono trasportare facilmente centinaia di miliardi di bit (gigabit) al secondo. L'"ultimo miglio" da una fibra ottica centrale alla connessione Internet domestica è il più complesso e costoso. Alternative come la telefonia mobile 4/5G sono più economiche, ma non possono offrire a tutti gli utenti le velocità di trasmissione estremamente elevate richieste oggi dalle applicazioni ad alta intensità di dati come la TV in streaming.

Jürg Leuthold, professore presso l'Istituto per i campi elettromagnetici dell'ETH di Zurigo, e i suoi colleghi, con il supporto di collaboratori dell'Università di Washington a Seattle, hanno sviluppato un nuovo tipo di modulatore di luce che in futuro consentirà di coprire l'ultimo miglio in modo economico ed efficiente dal punto di vista energetico con microonde ad alta frequenza - le cosiddette onde millimetriche - e quindi con elevate velocità di trasmissione.n futuro, l'ultimo miglio potrà essere coperto in modo economico ed efficiente dal punto di vista energetico con microonde ad alta frequenza - le cosiddette onde millimetriche - e quindi con elevate velocità di trasmissione.

Modulatore di luce senza elettronica

La conversione dei dati codificati in onde millimetriche in impulsi di luce per la trasmissione in fibra ottica richiede normalmente componenti elettronici molto veloci e quindi costosi. Le onde millimetriche devono essere prima ricevute da un'antenna, poi amplificate e infine immesse in un modulatore di luce, che traduce i dati contenuti nelle onde millimetriche in impulsi di luce.

Leuthold e i suoi colleghi sono ora riusciti a costruire un modulatore di luce che funziona interamente senza elettronica o batterie. "Questo rende il nostro modulatore completamente indipendente da un'alimentazione esterna e anche estremamente piccolo, tanto che in linea di principio può essere attaccato a qualsiasi lampione. Da lì, può ricevere i dati dalle singole case tramite segnali a onde millimetriche e immetterli direttamente nella fibra ottica centrale", spiega Yannick Salamin, dottorando che ha svolto un ruolo chiave nello sviluppo del nuovo modulatore.

Modulazione con i plasmoni

Il modulatore dei ricercatori dell'ETH è costituito da un chip di dimensioni inferiori al millimetro, che contiene anche l'antenna a onde millimetriche. Questa antenna riceve le onde millimetriche e le converte in una tensione elettrica. La tensione scende poi attraverso una sottile fessura al centro del chip, il vero cuore del modulatore. Si tratta di una fessura lunga pochi micrometri e stretta meno di cento nanometri, riempita con un materiale particolarmente sensibile ai campi elettrici. Il fascio di luce proveniente dalla fibra di vetro viene immesso in questa fenditura. Tuttavia, a differenza della fibra di vetro o dell'aria, la luce non si propaga più come onda elettromagnetica, ma come un cosiddetto plasmone. I plasmoni sono un ibrido di campi elettromagnetici e oscillazioni di carica elettrica sulla superficie di un metallo. Grazie a questa proprietà, possono essere confinati in uno spazio molto più piccolo rispetto alle onde luminose.

Il materiale elettricamente sensibile ("non lineare") nella fessura fa sì che anche i più piccoli campi elettrici generati dall'antenna influenzino fortemente la propagazione dei plasmoni. Questa influenza sulla fase di oscillazione delle onde viene mantenuta quando i plasmoni vengono riconvertiti in onde luminose all'estremità dello slot. In questo modo, i bit di dati contenuti nelle onde millimetriche vengono trasferiti direttamente alle onde luminose, senza deviazioni elettroniche e senza alimentazione esterna. In esperimenti di laboratorio con segnali a onde millimetriche a 60 gigahertz, i ricercatori sono già riusciti a dimostrare velocità di trasmissione dati fino a 10 gigabit al secondo su una distanza di cinque metri e 20 gigabit al secondo su un metro.

Economico e flessibile da usare

Oltre al formato ridotto e al basso consumo energetico, il nuovo modulatore presenta numerosi altri vantaggi. "La trasmissione diretta delle onde millimetriche alle onde luminose rende il nostro modulatore particolarmente flessibile in termini di frequenze e di formato esatto della codifica dei dati", sottolinea Leuthold. Il modulatore è già compatibile con la nuova tecnologia 5G e con i futuri standard industriali, che prevedono frequenze di 300 gigahertz e velocità di trasmissione fino a 100 gigabit al secondo. Inoltre, può essere prodotto con la tecnologia convenzionale del silicio, il che lo rende relativamente economico.

Infine, Leuthold può anche rassicurare gli utenti preoccupati per le radiazioni elettromagnetiche. A differenza delle onde radio e microonde di un modem Wi-Fi, che si diffondono uniformemente in tutta la stanza, le onde millimetriche possono essere fortemente raggruppate per la trasmissione verso l'esterno e quindi diffondersi in un fascio largo appena venti centimetri tra l'antenna di casa e il lampione. Ciò significa che la potenza di trasmissione può essere ridotta rispetto ad altre tecnologie wireless. In questo modo si eliminano anche i soliti problemi dei modem wifi, i cui segnali possono ostacolarsi a vicenda.