6G-Mobilfunk: Direkte Antenne-Glasfaser-Kopplung für ultraschnelle Übertragung

Nach 5G kommt 6G: Eine direkt Kopplung von Terahertz-Antennen und Lichtwellenleitern, integriert auf PCBs, macht Mobilfunk fit für noch höhere Datenraten, geringere Latenzen und mehr Teilnehmer.

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KIT Karlsruher Institut für Technologie

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Während erste Länder damit beginnen, den neuen Mobilfunkstandard 5G einzuführen, sind Wissenschaftler schon einen Schritt weiter: Sie forschen an der nächsten Generation der drahtlosen Datenübertragung. „6G“ soll noch deutlich höhere Übertragungsraten, kürzere Verzögerungszeiten, eine größere Gerätedichte sowie die Integration Künstlicher Intelligenz (KI) ermöglichen. Angesichts des explosiv zunehmenden Datenverkehrs wird das auch bitter nötig sein: Bereits bis 2021 wird der Datenverkehr in drahtlosen Kommunikationsnetzen mehr als 60% des gesamten Internetverkehrs ausmachen, hat Cisco in seine Visual Networking Index ermittelt.

Um die damit verbundenen Kapazitätsproblemen zu lösen, müssen drahtlose Kommunikationsnetze immer höhere Frequenzen nutzen. Das erfordert Netzwerkinfrastrukturen mit immer mehr und immer kleineren Funkzellen, in denen sich Daten schnell und energieeffizient übertragen lassen. Diese Zellen müssen möglichst nahtlos über leistungsstarke Übertragungsstrecken mit den Glasfaser-Kernnetzwerken verbunden sein. Für diese VErnetzung sind Funkstrecken nötig, mit denen sich Dutzende oder gar Hunderte von Gigabit pro Sekunde auf einem Kanal übertragen lassen. Dazu bieten sich Frequenzen im Terahertz-(THz-)Bereich an, die im elektromagnetischen Spektrum zwischen den Mikrowellen und der Infrarotstrahlung liegen. Konkret sind Frequenzfenster mit geringer atmosphärischer Dämpfung im nicht zugewiesenen Terahertz-Spektrum (THz) über 0,275 THz hinaus gefragt.

Ultraschnelle Übertragung mit elektro-optischen Modulatoren

Eine wichtige Aufgabe besteht darin, diese drahtlosen Übertragungsstrecken direkt, also ohne aufwendige Elektronik, mit Glasfasernetzen zu verbinden. Denn dann ist es möglich, die extrem hohe Übertragungskapazität und Zuverlässigkeit von Glasfasern mit der Flexibilität von drahtlosen Netzen zu vereinen und die Vorteile beider Technologien nutzen zu können. Auf technologischer Ebene erfordert dies neuartige Geräte- und Signalverarbeitungskonzepte zur direkten Umwandlung von Datenströmen zwischen dem THz-Funk und der optischen Domäne.

Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg und des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) – genauer der Institute für Photonik und Quantenelektronik (IPQ), Mikrostrukturtechnik (IMT) sowie Hochfrequenztechnik und Elektronik (IHE) – haben einen viel versprechenden Ansatz entwickelt, um die Datenströme der THz-Übertragung direkt am Funkempfänger zur optischen Übertragung zu konvertieren. Für diese THz-zu-optisch-(T/O-)Wandlung setzen sie ultraschnelle elektro-optische Modulatoren ein.

THz-Antenne speist Signal direkt in die Glasfaser

„Wir nutzen einen Ultrabreitband-Silizium-Modulator mit einer 3-dB-Bandbreite von mehr als 0,36 THz für die T/O-Wandlung eines 50-GBit/s-Datenstroms, der auf einem 0,2885-THz-Träger über eine 16 m lange drahtlose Verbindung übertragen wird“, erklären die Forscher in ihrer Veröffentlichung in der Zeitschrift Nature Photonics. Durch die Technik lässt sich die Empfängerantenne direkt an eine Glasfaser koppeln. Die Signalkonvertierung in umgekehrte Richtung von der optischen in die Funkdomäne (O/T-Umwandlung) am drahtlosen Transmitter arbeite mit einer „Uni-Travelling Carrier Photodiode“ (UTC-PD).

„Der Modulator basiert auf einer plasmonischen Nanostruktur“, 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 könne die technische Komplexität von zukünftigen Mobilfunk-Basisstationen drastisch reduzieren und Terahertz-Verbindungen mit enorm hohen Datenraten ermöglichen – vorstellbar seien mehrere Hundert Gigabit pro Sekunde.

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