Meilenstein: Über 100 Gbps Durchsatz für künftige 6G-Netze

Forschende in Japan erreichen 112 Gbps im 560-GHz-Band mittels miniaturisierter photonischer Mikrokämme und ebnen den Weg für den 6G-Mobilfunk.

In der Mobilfunkforschung wurde ein bedeutender technologischer Fortschritt erzielt, der die Entwicklung zukünftiger Mobilfunknetzwerke der sechsten Generation maßgeblich beeinflussen könnte. Ein japanisches Forschungsteam hat eine Methode entwickelt, mit der Daten mit einer Geschwindigkeit von 112 Gigabit pro Sekunde in einem spezifischen Hochfrequenzbereich übertragen werden können. Die Ergebnisse dieser wissenschaftlichen Arbeit wurden in der Fachzeitschrift Communications Engineering publiziert.

Die Relevanz dieser Entdeckung liegt in der erfolgreichen Erschließung des Terahertz-Spektrums bei einer Frequenz von 560 Gigahertz. Zum ersten Mal gelang es damit, eine stabile Datenübertragung mit einer Rate von über 100 Gigabit pro Sekunde in einem Frequenzbereich jenseits der Grenze von 420 Gigahertz zu realisieren. Zu den beteiligten Institutionen gehört das Institut für Post-LED-Photonik der Universität Tokushima.

Einer der Co-Autoren der Studie, Professor Takeshi Yasui, ordnete den Erfolg in einer offiziellen Erklärung ein. Yasui äußerte sich wie folgt: „Dieses Ergebnis stellt einen großen Schritt in Richtung praktischer 6G-Drahtlossysteme und extrem schneller mobiler Backhauls dar,“. Das neue System demonstriert, wie die physikalischen Limitierungen bezüglich Signalstärke und Rauschen, die herkömmliche elektronische Bauteile bei diesen extrem hohen Frequenzen einschränken, überwunden werden können.

Die physikalischen Grenzen konventioneller Hochfrequenzelektronik

Die Notwendigkeit für das Ausweichen auf Frequenzen oberhalb von 350 Gigahertz ergibt sich aus der zunehmenden Überlastung der niedrigeren Frequenzbänder. Das aktuelle elektronische Spektrum unterhalb dieser Frequenzgrenze ist durch die flächendeckende Nutzung von 5G-Signalen und anderen drahtlosen Anwendungen stark ausgelastet. Es bietet nicht mehr die erforderliche Bandbreite, um die enormen Datenmengen zu transportieren, die für zukünftige Anwendungen prognostiziert werden.

Während die durchschnittlichen 5G-Geschwindigkeiten in Industrienationen wie den USA derzeit bei rund 300 Megabit pro Sekunde liegen, soll 6G theoretische Spitzenwerte von bis zu einem Terabit pro Sekunde erreichen. Dies entspricht einer Verfünfzigfachung des theoretischen Limits von 5G. Der Vorstoß in den Terahertz-Bereich mittels klassischer Elektronik scheiterte in der Praxis jedoch an systemimmanenten Fehlern. Elektronische Signale leiden bei ultrahohen Frequenzen unter einem massiven Leistungsabfall und starkem Phasenrauschen. Diese Signalschwankungen machen es unmöglich, die Nutzinformationen sauber von unerwünschten Störungen zu trennen, was die Datenrate und die Stabilität der Verbindung drastisch limitiert.

Miniaturisierung durch direkt gebundene Glasfasern auf dem Mikrochip

Um diese elektronischen Barrieren zu umgehen, setzt die moderne Forschung auf die Photonik, also auf die Nutzung von Lichtwellen zur Datenübertragung. Konventionelle photonische Systeme hatten jedoch den Nachteil, dass sie auf sperrige Lasersysteme angewiesen waren. Diese erforderten eine extrem präzise optische Ausrichtung über mehrere Achsen hinweg mithilfe von Mikroskopen, was ihren Einsatz außerhalb von Laborumgebungen verhinderte. Bereits geringe mechanische Vibrationen im realen Betrieb reichten aus, um die Ausrichtung zu zerstören und die Verbindung zu unterbrechen.

Den japanischen Wissenschaftlern gelang die Lösung dieses Stabilitätsproblems durch ein neuartiges Fertigungsverfahren: Sie bondeten eine Glasfaser direkt auf einen optischen Siliziumnitrid-Mikroresonator. Dieser Mikroresonator fungiert als photonischer Mikrokamm, der ein einzelnes Laserlicht in Millionen exakter, stabiler Laserlinien aufspaltet. Durch das direkte Verschmelzen der Glasfaser mit der Chipstruktur entfällt die Notwendigkeit einer mechanischen Justierung vollständig. Zudem wurde ein aktives Temperaturkontrollsystem in den Mikroresonator integrated. Dieses sorgt dafür, dass das Bauteil thermischen Schwankungen standhält und die erforderlichen optischen Resonanzeigenschaften auch unter wechselnden Umweltbedingungen präzise reproduziert.

Modulationsverfahren und quantitative Messergebnisse des Prototyps

Für die eigentliche Datenübertragung generierten die Forscher mithilfe des Mikrokamms zwei optische Signalträger, die sich durch eine hohe Stabilität und ein hervorragendes Signal-Rausch-Verhältnis auszeichneten. Die Daten wurden anschließend über komplexe, höherwertige Modulationsverfahren in diese Lichtwellen codiert. Das Team nutzte hierfür die Formate QPSK und 16QAM, die darauf ausgelegt sind, eine maximale Informationsdichte innerhalb einer begrenzten Bandbreite zu komprimieren. Die so modulierten optischen Signale wurden mittels einer Technologie namens Photomischung in die Ziel-Terahertz-Welle von 560 Gigahertz umgewandelt und an einen Empfänger gesendet.

In den experimentellen Testreihen wurden mit dem QPSK-Verfahren stabile Durchsatzraten von 84 Gigabit pro Sekunde gemessen. Bei der Nutzung des 16QAM-Formats stieg die Übertragungsrate auf den Rekordwert von 112 Gigabit pro Sekunde. Der entscheidende technologische Nebeneffekt ist die extreme Miniaturisierung der Hardware: Der entwickelte Sender misst im Durchmesser lediglich 5 Millimeter. Herkömmliche Laboraufbauten für photonische Mikrokämme weisen stattdessen typischerweise eine Dimension von rund 450 Millimetern auf. Das neue System ist somit um das Neunzigfache kleiner als klassische Aufbauten und lässt sich direkt auf kompakten Mikrochips integrieren.

Kommerzieller Start weltweit ab 2030

Die erfolgreiche Erprobung des miniaturisierten Terahertz-Senders liefert eine technologische Grundlage für den Aufbau zukünftiger Mobilfunk-Infrastrukturen, deren kommerzieller Start weltweit für das Jahr 2030 oder die darauf folgenden Jahre erwartet wird. Eine der primären Anwendungen dieser Technologie liegt im Bereich der drahtlosen Backhaul-Netzwerke. Als Backhaul wird die Netzinfrastruktur bezeichnet, welche die dezentralen Mobilfunkmasten und Basisstationen mit dem zentralen Kernnetzwerk des Telekommunikationsanbieters verbindet.

Bislang erfordern extrem hohe Datenraten an dieser Schnittstelle das Verlegen von teuren und aufwendigen unterirdischen Glasfaserkabeln. Ein stabiles, kostengünstiges Terahertz-Funksystem, das Datenraten von über 100 Gigabit pro Sekunde überbrücken kann, könnte diese physischen Kabelverbindungen in vielen Bereichen vollständig ersetzen. Dies würde den Ausbau des Hochgeschwindigkeits-Internets insbesondere in geografisch schwer zugänglichen oder dicht bebauten städtischen Regionen erheblich beschleunigen und die wirtschaftlichen Hürden für die Errichtung von flächendeckenden 6G-Netzen senken.