Winziges Teil für rekordhohe Daten-Bandbreite

Plasmonische Modulatoren sind winzige Bauteile, die elektrische Signale in optische Signale umwandeln, um sie über Glasfasern zu transportieren. Noch nie schaffte es ein solcher Modulator, Daten mit einer Frequenz von mehr als einem Terahertz (mehr als eine Billion Schwingungen pro Sekunde) zu übertragen. Forschenden aus der Gruppe von Jürg Leuthold, Professor für Photonik und Kommunikation an der ETH Zürich, ist dies nun gelungen. Bisherige Modulatoren konnten nur Frequenzen bis 100 oder 200 Gigahertz umwandeln, also Frequenzen, die fünf- bis zehnmal niedriger sind.

Zum Einsatz kommen könnten solche Modulatoren überall dort, wo grosse Datenmengen übertragen werden, als Bindeglied zwischen der elektrischen Welt und der Datenübertragung mit Licht. «Daten liegen zunächst immer in elektrischer Form vor, und bei der Übertragung kommt heute immer irgendwo die Glasfaser ins Spiel», erklärt ETH-Professor Leuthold.

Die nächste Mobilfunkgeneration (6G) wird im Terahertz-Bereich arbeiten. Deren Rückgrat – die Leitungen zwischen den Basisstationen – nutzt die Glasfasertechnologie. «Unser Modulator ermöglicht es, Funksignale und andere elektrische Signale direkt und somit effizient in optische Signale umzuwandeln», sagt Yannik Horst. Er arbeitete während seiner Doktorarbeit an dem Bauteil.

Auch für die Medizin und die Messtechnik

Die Übertragung von Terahertz-Signalen auf Glasfaser ist zwar bereits jetzt technisch möglich, aber umständlich. Es braucht dazu heute mehrere teure Bauteile. Die neuen Modulatoren können die Signale direkt umwandeln, was den Energieverbrauch reduziert und die Messgenauigkeit erhöht. Ausserdem sind heute für verschiedene Frequenzbereiche unterschiedliche Bauteile nötig. Der neue Modulator kann bei jeder Frequenz von 10 Megahertz bis 1,14 Terahertz eingesetzt werden. «Mit einem einzigen Bauteil decken wir den gesamten Frequenzbereich ab. Damit ist er extrem vielseitig einsetzbar», sagt Horst.

Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind die Glasfaser-Datenübertragung innerhalb von Hochleistungsrechenzentren und zwischen solchen Zentren. Und schliesslich sind die Bauteile für die Hochleistungsmesstechnik interessant. Dazu gehören bildgebende Verfahren in der Medizin, Spektroskopiemethoden für die Materialanalyse, Gepäckscanner an Flughäfen oder die Radartechnik. Schon heute arbeiten solche Geräte teilweise im Terahertz-Bereich.

Der neue Modulator ist eine winzige Nanostruktur, die aus verschiedenen Materialien aufgebaut ist, unter anderem aus Gold. Er nutzt die Wechselwirkung von Licht mit freien Elektronen im Gold. Entwickelt wurde die Technologie an der ETH Zürich. Gebaut hat es Polariton Technologies, ein ETH-Spin-off, das aus Leutholds Gruppe hervorgegangen ist. Diese Firma arbeitet daran, die Terahertz-Modulatoren auf den Markt zu bringen, damit diese in Zukunft breit in der Datenübertragung und der Messtechnik eingesetzt werden können.