Nanophotonik für den Mobilfunk der Zukunft

Technologien für die sechste Mobilfunkgeneration

22.07.2019
Von 
Jürgen Hill ist Teamleiter Technologie. Thematisch ist der studierte Diplom-Journalist und Informatiker im Bereich Communications mit all seinen Facetten zuhause. 
Während Netze mit dem neuen Mobilfunkstandard 5G gerade aufgebaut werden, arbeiten Forscher bereits an der nächsten Generation. 6G soll noch schneller werden und die Integration von Künstlicher Intelligenz (KI) ermöglichen.
Die nächste Mobilfunkgeneration 6G funkt im Terahertz-Bereich.
Die nächste Mobilfunkgeneration 6G funkt im Terahertz-Bereich.
Foto: Fit Ztudio - shutterstock.com

Während der Mobilfunkstandard 5G gerade erst eingeführt wird, arbeiten Forscher bereits an Technologien für die nächste Generation der drahtlosen Datenübertragung. "6G" soll noch deutlich höhere Übertragungsraten, kürzere Verzögerungszeiten, eine größere Gerätedichte sowie die Integration Künstlicher Intelligenz ermöglichen. Auf dem Weg zur sechsten Mobilfunkgeneration sind viele Herausforderungen zu meistern, was sowohl die einzelnen Komponenten als auch ihr Zusammenwirken betrifft.

Funken im Terahertz-Bereich

So werden die drahtlosen Netze der Zukunft aus einer Vielzahl kleiner Mobilfunkzellen bestehen, innerhalb derer hohe Datenmengen schnell und energieeffizient übertragen werden können. Zur Vernetzung dieser Zellen werden Funkstrecken benötigt, mit denen sich Dutzende oder gar Hunderte von Gigabit pro Sekunde auf einem Kanal übertragen lassen. Dazu bieten sich Frequenzen im Terahertz-Bereich an, die im elektromagnetischen Spektrum zwischen den Mikrowellen und der Infrarotstrahlung liegen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, drahtlose Übertragungsstrecken nahtlos mit Glasfasernetzen zu verbinden, um die Vorteile beider Technologien zu vereinen - hohe Kapazität und Zuverlässigkeit mit Mobilität und Flexibilität.

Erste Schritte

Einen vielversprechenden Ansatz zur Konversion der Datenströme von der Terahertz-Übertragung zur optischen Übertragung haben Wissenschaftler bereits entwickelt. Beteiligt an der Entwicklungen waren die Institute für Photonik und Quantenelektronik (IPQ), Mikrostrukturtechnik (IMT) sowie Hochfrequenztechnik und Elektronik (IHE) des KITund das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg. Dabei verwendeten die Forscher ultraschnelle elektro-optische Modulatoren, um ein Terahertz-Datensignal direkt in ein optisches Signal umzuwandeln. Auf diese Weise konnten sie die Empfängerantenne direkt an eine Glasfaser anzukoppeln. Die Wissenschaftler nutzen in ihrem Experiment eine Trägerfrequenz von circa 0,29 THz und erreichen eine Übertragungsrate von 50 Gbit/s. "Der Modulator beruht auf einer plasmonischen Nanostruktur und hat eine Bandbreite von mehr als 0,36 Terahertz", erklärt Professor Christian Koos, Leiter des IPQ und Mitglied der kollegialen Leitung des IMT. "Die Ergebnisse zeigen das enorme Potenzial nanophotonischer Bauteile für die ultraschnelle Signalverarbeitung." Das von den Forschern demonstrierte Konzept kann die technische Komplexität von zukünftigen Mobilfunk-Basisstationen drastisch reduzieren und Terahertz-Verbindungen mit enorm hohen Datenraten ermöglichen - vorstellbar sind mehrere Hundert Gigabit pro Sekunde.