Neues Terahertz-Integrationszentrum: 6G und modernste Radare im Fokus

| Redakteur: Michael Eckstein

Die Universität Duisburg Essen forscht ebenfalls bereits an 6G Terahertz-Kommunikation. Um in neue Produktionsanlagen und Geräte investieren zu können, erhält die Uni über 6,5 Millionen Euro aus Landes- und EU-Mitteln für ein spezielles Terahertz-Integrationszentrum.
Die Universität Duisburg Essen forscht ebenfalls bereits an 6G Terahertz-Kommunikation. Um in neue Produktionsanlagen und Geräte investieren zu können, erhält die Uni über 6,5 Millionen Euro aus Landes- und EU-Mitteln für ein spezielles Terahertz-Integrationszentrum. (Bild: Gerd Altmann / Pixabay)

6,5 Millionen Euro für die schnellen Wellen: Gefördert durch Landes- und EU-Mittel entsteht an der Universität Duisburg-Essen ein deutschlandweit einmaliges Terahertz-Integrationszentrum (THzIZ). HF-Spezialisten werden hier Lösungen zum Beispiel für 6G-THz-Kommunikation und exakte Umfelderkennung per Radar entwickeln. Im Interview erklärt Projektleiter Prof. Dr. Nils Weimann die Roadmap für das Vorhaben.

Der 5G-Rollout läuft auf Hochtouren: Weltweit werden Antennen für den neuen Mobilfunkstandard installiert. Die Universität Duisburg-Essen (UDE) denkt bereits weiter: Sie forscht an Hochfrequenz-Technologien für übermorgen. Dazu zählen 6G-Terahertz-Kommunikation mit mehr als 100 Gigabit/s Datenraten, modernste Radarsysteme und weitere alltagstauglichen Anwendungen wie eine exakte und sichere Umfelderkennung für Roboter und autonome Fahrzeuge.

Mit dem Ziel, eigene Hochfrequenzlösungen schnell bis zur Marktreife entwickeln zu können, errichtet die UDE nun ein Terahertz-Integrationszentrum (THzIZ). Für neue Produktionsanlagen und Geräte stellt das Land Nordrhein-Westfalen und die Europäische Union über 6,5 Millionen Euro zur Verfügung. Konkret stammen die Fördermittel aus dem Programm NRW.Forschungsinfrastrukturen und dem europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE). Aufgebaut und koordiniert wird das THzIZ von den Professoren Dr. Nils Weimann, Dr. Andreas Stöhr, Dr. Daniel Erni und Dr. Thomas Kaiser.

„Die schnellen Wellen haben riesiges Potenzial“

Weimann ist von dem Potenzial der Terahertz-Technik überzeugt: „Sie kann viel mehr, als Hunderte von Gigabit pro Sekunde zu übertragen“, sagt der Wissenschaftler. Beispielsweise eigne sie sich dafür, die Position von Objekten hochgenau zu bestimmen und gleichzeitig ihre chemische Zusammensetzung zu analysieren. „In der Medizintechnik könnte die für den Menschen ungefährliche Terahertz-Strahlung etwa bei der Untersuchung von Hautkrebs helfen“, erklärt Weimann. Andere medizinische Anwendungen, in denen mobile THz-Sensoren zum Einsatz kommen könnten, sei etwa die Analyse der Atemluft für die Diagnose oder die Abbildung der Fußsohle bei der Bewertung von Diabeteserkrankungen.

Allerdings ist man noch nicht soweit, neue Systeme im Industriemaßstab kostengünstig herstellen zu können. Das soll sich bald ändern: „Durch das neue Terahertz-Integrationszentrum können wir unsere Forschung gezielt ausbauen und innovative Terahertz-Module für mobile und alltagstaugliche Anwendungen bis zur Marktreife entwickeln“, freut sich Weimann.

THz-Halbleiterchips und Radar-gestützte Umfeld-Erkennung

Bereits heute werden an der UDE neuartige elektronische und optoelektronische THz-Halbleiter-Chips entworfen, u.a. im Rahmen des Sonderforschungsbereichs MARIE. Darüber hinaus hat die UDE am Zentrum für Halbleitertechnik und Optoelektronik (ZHO) kürzlich das Labor „ForLab smartBeam“ eingerichtet: Dort sollen Lösungen für eine exakte und sichere Umfeld-Erkennung für Roboter und autonome Fahrzeuge erforscht und entwickelt werden. Durch die erneute millionenschwere Förderung wird das ZHO jetzt weitere modernste Produktionsanlagen und Messgeräte erhalten.

Wie genau der Aufbau des THzIZ geplant ist, erklärt Prof. Dr. Nils Weimann auf Nachfrage von ELEKTRONIKPRAXIS noch einmal im Detail.

Herr Prof. Dr. Weimann, wann und in welchem Zeitraum soll das IZ entstehen?

Das NRW/EFRE-Investitionsprogramm ist im September 2019 angelaufen. Im Zeitraum von 3 Jahren werden neue Prozessanlagen, spezielle Softwarepakete, Hochleistungsrechner und Messgeräte beschafft, um Terahertz-Module zu erforschen und zu entwickeln.

Wie wird das IZ aufgebaut und organisiert sein? Wird es mehrere Standorte geben?

Das THzIZ wird gemeinsam von 4 Fachgebieten im Fachbereich Elektrotechnik der UDE getragen, konkret dem BHE unter meiner Leitung, OE unter Prof. Dr. Andreas Stöhr, ATE unter Prof. Dr. Daniel Erni und DSV unter Prof. Dr. Thomas Kaiser. Im Rahmen von einzuwerbenden Verbundforschungsvorhaben werden wir mit industriellen Partnern zusammenarbeiten. Die meisten Geräte werden im Reinraum und in den Messlaboren des Zentrums für Halbleitertechnik Optoelektronik der UDE in der Lotharstraße in Duisburg installiert. Einige Anlagen werden in den Räumen der ATE und DSV in der Bismarckstraße in Duisburg aufgestellt.

Und wann wird das Integrationszentrum voraussichtlich seine Arbeit aufnehmen?

Die Beschaffung, Installation und Inbetriebnahme der Anlagen und Rechentechnik hat bereits begonnen. Im Rahmen der dreijährigen Laufzeit werden in den vier beteiligten Fachgebieten insgesamt 6 parallele Forschungsprojekte unternommen, um elektronische und optoelektronische THz-Komponenten, THz-Antennen, hybride Aufbautechnik – also heterogene Integration unterschiedlicher Halbleitermaterialien – sowie THz-Messtechnik zu untersuchen. In diesen Projekten werden erste Prozesse und Verfahren für die neuen Anlagen entwickelt. Am Ende der dreijährigen Aufbauphase streben wir an, Verbundprojekte mit industriellen und institutionellen Partnern zu beginnen, die auf diesen Technologien aufbauen.

Bis zu welchen Frequenzen lassen sich Schaltungen am IZ erforschen? Soll der Bereich später noch ausgebaut werden?

Zurzeit können wir Chips „on-wafer“ bis 110 GHz vermessen, in Freistrahlkopplung bis 300 GHz. THz-Kanalmessungen können im kommenden Jahr bis 1.500 GHz = 1,5 THz vorgenommen werden, dies wird im BMBF-Investitionsprogramm ForLab SmartBeam realisiert. Im Rahmen der THzIZ-Investitionen werden wir die on-wafer und Freistrahl-Komponentenmessung bis 750 GHz ausweiten. Die Messung erfolgt in Frequenzbändern, die an die genormten Hohlleitergeometrien gekoppelt sind. Für jedes Frequenzband ist mindestens ein Frequenzmischer erforderlich.

Wie viele Studenten und Mitarbeiter werden voraussichtlich dort tätig sein?

In den vier von je einem Lehrstuhlinhaber geleiteten Fachgebieten sind zum Thema Terahertz insgesamt über 30 Doktorand*innen und PostDocs tätig, dazu kommen jährlich ca. 40 Masterand*innen und Bachelorand*innen, die ihre Projekt- und Abschlussarbeiten praxisnah an unserer Ausrüstung durchführen. Unterstützt werden diese von 15 Technikern. Mit dem THzIZ-Vorhaben konnten 3 Vollzeitstellen für je 3 Jahre neu geschaffen werden.

Gibt es bereits konkrete Beispiele für die an der UDE entwickelten THz-HF-Komponenten?

Es gibt bereits funktionsfähige Sende- und Empfangsdioden, sowohl auf elektronischem Prinzip beruhende Tunneldioden als auch schnelle optoelektronische Photodioden. Konkret eine Indiumphosphid-Tunneldiode mit integrierter Antenne und eine Indiumphosphid-Photodiode. Beide arbeiten bei Träger-Frequenzen um 300 GHz. Mit optoelektronisch erzeugten Signalen konnten bereits 100GBit/s bei dieser Frequenz über eine Teststrecke drahtlos übertragen werden. In der nächsten Stufe streben wir eine Trägerfrequenz von 450 GHz an.

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