Zusammenarbeit mehrerer Institute

Von der Tetrahertz- zur optischen Übertragung

Mobilfunk KIT
Die nahtlose Verbindung drahtloser Übertragungsstrecken mit Glasfasernetzen ermöglicht hochleistungsfähige Datennetze. Grafik: IPQ/KIT
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Drahtlose Datennetze der Zukunft müssen höhere Übertragungsraten und kürzere Verzögerungszeiten ermöglichen und dabei immer mehr Endgeräte versorgen. Dies erfordert Netzwerkstrukturen aus vielen kleinen Mobilfunkzellen. Zur Anbindung dieser Zellen bedarf es leistungsfähiger Übertragungsstrecken bei hohen Frequenzen bis in den Terahertz-Bereich. Außerdem gilt es, die Übertragungsstrecken möglichst nahtlos mit Glasfasernetzen zu verbinden. Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) setzen ultraschnelle elektro-optische Modulatoren ein, um Datensignale von der Terahertz-Übertragung zur optischen Übertragung zu konvertieren.

Während der neue Mobilfunkstandard 5G noch getestet 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. 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.

Wissenschaftler mehrerer Institute arbeiten zusammen

Einen vielversprechenden Ansatz zur Konversion der Datenströme von der Terahertz-Übertragung zur optischen Übertragung haben Wissenschaftler an den Instituten für Photonik und Quantenelektronik (IPQ), Mikrostrukturtechnik (IMT) sowie Hochfrequenztechnik und Elektronik (IHE) des KIT und dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg entwickelt: Wie sie in der Zeitschrift Nature Photonics berichten, verwenden sie ultraschnelle elektro-optische Modulatoren, um ein Terahertz-Datensignal direkt in ein optisches Signal umzuwandeln und damit 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.

Beschreibung der Abbildung am Anfang des Artikels: Die nahtlose Verbindung drahtloser Übertragungsstrecken mit Glasfasernetzen ist der Schlüssel zu leistungsfähigen Datennetzen: Zukünftige Mobilfunknetze bestehen aus vielen kleinen Funkzellen, die sich über leistungsfähige THz-Übertragungsstrecken flexibel anbinden lassen. Am Empfänger lassen sich die THz-Signale mithilfe ultraschneller plasmonischer Modulatoren direkt in optische Signale konvertieren und über Glasfasernetze übertragen.

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