Suchen

Terahertz-Empfänger für 6G mit einer einzelnen Diode

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Mobilfunknetze der sechsten Generation (6G) werden Frequenzen im Terahertzbereich verwenden. Jetzt haben Forscher mit einer einzelnen Diode einen einfachen Terahertz-Empfänger gebaut. Im Experiment erzielten sie Datenraten von 115 GBit/s auf einem Träger von 0,3 THz.

Firmen zum Thema

Mobilfunknetz der Zukunft: Extrem kleine Funkzellen („Radio Cell“, orange) sind über drahtlose Terahertz-Verbindungen („High-Capacity THz link“, grün) miteinander verknüpft.
Mobilfunknetz der Zukunft: Extrem kleine Funkzellen („Radio Cell“, orange) sind über drahtlose Terahertz-Verbindungen („High-Capacity THz link“, grün) miteinander verknüpft.
(Bild: IPQ, KIT / Nature Photonics)

Aktuell sind Wirtschaft und Politik damit beschäftigt, das Mobilfunknetz der fünften Generation (5G) flächendeckend auszurollen. Damit verbunden ist die Messtechnik für 5G. Doch die Entwicklung schläft nicht und Wissenschaftler arbeiten bereits an der nächsten, der sechsten Generation (6G). Diese wird aus vielen kleinen Funkzellen bestehen. Die sechste Generation des Mobilfunks verspricht noch deutlich höhere Datenübertragungsraten, kürzere Verzögerungszeiten und eine größere Dichte an Endgeräten. Zudem soll sie Künstliche Intelligenz (KI) integrieren, um beispielsweise Geräte im Internet of Things (IoT) oder autonome Fahrzeuge zu koordinieren.

„Um möglichst viele Nutzer gleichzeitig zu bedienen und dabei möglichst große Datenmengen möglichst schnell zu übertragen, müssen die drahtlosen Netze der Zukunft aus zahlreichen kleinen Funkzellen bestehen“, erklärt Professor Christian Koos, der am KIT gemeinsam mit seinem Kollegen Professor Sebastian Randel an Technologien für 6G forscht. In diesen Funkzellen sind die Wege kurz, sodass sich große Datenraten mit minimalem Energieaufwand und geringer elektromagnetischer Immission übertragen lassen. Sie benötigen nur kleine Basisstationen, die sich beispielsweise an Straßenlaternen anbringen lassen.

Ein Empfänger für Terahertz-Signale

Zur Anbindung der einzelnen Zellen bedarf es leistungsfähiger Funkstrecken, auf denen sich Dutzende oder gar Hunderte von Gigabits pro Sekunde auf einem Kanal übertragen lassen. Dazu bieten sich Terahertz-Frequenzen an, die im elektromagnetischen Spektrum zwischen den Mikrowellen und der Infrarotstrahlung liegen. Allerdings sind die entsprechenden Empfänger noch vergleichsweise komplex und dementsprechend teuer; zudem stellen sie häufig den Engpass für die erreichbare Bandbreite dar.

Die Forscher am Institut für Photonik und Quantenelektronik (IPQ), am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) sowie am Institut für Beschleunigerphysik und Technologie (IBPT) des KIT haben jetzt gemeinsam mit dem Diodenhersteller Virginia Diodes (VDI) in Charlottesville/USA einen besonders einfachen und kostengünstig herzustellenden Empfänger für Terahertz-Signale entworfen.

„Als Empfänger dient eine einzige Diode, mit der das Terahertz-Signal zunächst einmal gleichgerichtet wird“, erklärt Dr. Tobias Harter, der den Empfänger gemeinsam mit seinem Kollegen Christoph Füllner im Rahmen seiner Dissertation aufgebaut hat. Dabei handelt es sich um eine sogenannte Schottky-Diode, die sich durch hohe Geschwindigkeit auszeichnet. Sie fungiert als Hüllkurvendetektor und gewinnt die Amplitude der Terahertz-Signale zurück. Allerdings wird zur korrekten Dekodierung des Datensignals zusätzlich noch die zeitlich veränderliche Phase der Terahertz-Welle benötigt, die beim Gleichrichten üblicherweise verloren geht.

115 GBit/s auf einer Strecke von 100 Meter

Um dieses Problem zu lösen, nutzen die Forscher digitale Signalverarbeitungsverfahren in Kombination mit einer speziellen Klasse an Datensignalen, bei denen sich die Phase mithilfe der sogenannten Kramers-Kronig-Relationen aus der Amplitude rekonstruieren lässt. Bei der Kramers-Kronig-Relation handelt es sich um eine mathematische Beziehung zwischen dem Real- und dem Imaginärteil eines analytischen Signals. Mit dem neuen Empfänger erreichten die Wissenschaftler eine Datenübertragungsrate von 115 GBit/s auf einer Trägerfrequenz von 0,3 THz über eine Entfernung von 110 m. „Das ist die höchste Datenrate, die bis jetzt mit drahtloser Terahertz-Übertragung über mehr als 100 m demonstriert wurde“, erläutert Füllner. Der am KIT entwickelte Terahertz-Empfänger zeichnet sich durch seinen einfachen Aufbau aus und bietet sich für eine kostengünstige Herstellung in großen Stückzahlen an.

Veröffentlichung in Nature Photonics

(ID:46849826)