Hochfrequenz- und Nachrichtentechnik, Industrial Automation, Information and Communication, Mobility and Urbanization, Safety and Security, Smart and Healthy Living / Fraunhofer IAF

Technologien für die sechste Mobilfunkgeneration

29. Januar 2020

Drahtlose Datennetze müssen künftig immer höhere Übertragungsraten und kürzere Verzögerungszeiten ermöglichen. Dies erfordert Netzwerkstrukturen aus vielen kleinen Mobilfunkzellen. Zur Anbindung dieser Zellen bedarf es leistungsfähiger Übertragungsstrecken bei hohen Frequenzen bis in den Terahertz-Bereich.

© Fraunhofer IAF
Detailansicht eines vom Fraunhofer IAF entwickelten rauscharmen 300-GHz- Empfangsverstärker-Moduls.
© IPQ/KIT
Eine Vielzahl kleiner Funkzellen wird über leistungsfähige THz-Übertragungsstrecken flexibel angebunden. Am Empfänger werden die THz-Signale in optische Signale konvertiert und mittels Glasfasernetzen übertragen.

Forschende vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg arbeiten gemeinsam an Technologien, um Datensignale von der Terahertz-Übertragung zur optischen Übertragung zu konvertieren. Das Fraunhofer IAF unterstützt diese Arbeiten durch die Entwicklung sehr rauscharmer Empfangsschaltungen sowie leistungsstarker Sendeverstärker.

Während der neue Mobilfunkstandard 5G noch getestet wird, arbeiten Forscherinnen und Forscher bereits an Technologien für die nächste Generation drahtloser 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 zur Vernetzung vieler kleiner Mobilfunkzellen zu meistern.

So werden die drahtlosen Netze der Zukunft aus einer Vielzahl kleiner Mobilfunkzellen bestehen, innerhalb derer hohe Datenmengen schnell und energieeffizient übertragen werden. Zur Vernetzung dieser Zellen werden Funkstrecken benötigt, mit denen sich Dutzende oder gar Hunderte von Gigabit pro Sekunde auf einem Kanal übertragen lassen. Hierzu 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.

Einsatz ultraschneller elektro-optischer Modulatoren

Einen vielversprechenden Ansatz zur Konversion der Datenströme von der Terahertz-Übertragung zur optischen Übertragung haben mehrere Gruppen von Forschenden entwickelt. Beteiligt sind die Institute für Photonik und Quantenelektronik (IPQ), Mikrostrukturtechnik (IMT) und Hochfrequenztechnik und Elektronik (IHE) des KIT sowie das Fraunhofer IAF. Sie verwenden ultraschnelle elektro-optische Modulatoren, um ein Terahertz-Datensignal direkt in ein optisches Signal umzuwandeln und damit die Empfängerantenne direkt an eine Glasfaser anzukoppeln.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nutzen in ihrem Experiment eine Trägerfrequenz von circa 0,29 THz und erreichen eine Übertragungsrate von 50 Gbit/s. Der eingesetzte Modulator beruht auf einer plasmonischen Nanostruktur und hat eine Bandbreite von mehr als 0,36 Terahertz. Mit seiner Hilfe kann die technische Komplexität zukünftiger Mobilfunk-Basisstationen drastisch reduziert werden. Terahertz-Verbindungen mit enorm hohen Datenraten werden dadurch möglich – vorstellbar sind mehrere Hundert Gbit/s.