6G-Mobilfunk: Wie 115 Gigabit/s per Funk über 100 m übertragen wurden

Die Funkverbindung wurde mit 300 GHz hergestellt. Dabei muss nur eine Photodiode mit dieser Frequenz arbeiten. Der Rest ist clevere Technik und Mathematik.

Artikel von Frank Wunderlich-Pfeiffer veröffentlicht am 9. September 2020, 11:01 Uhr

Die neue Funkverbindung soll vor allem Daten zwischen Mobilfunkmasten austauschen. (Bild: IPQ, KIT/Nature Photonics)

Die sechste Mobilfunkgeneration soll noch schnellere Funkverbindungen möglich machen. Dafür sollen kleinere Funkzellen benutzt werden, die Verbindungen nur noch auf weniger als 100 Metern möglich machen. Durch die geringe Reichweite steht in den kleinen Funkzellen mehr Bandbreite des Spektrums zur Verfügung, ohne weiter entfernte Funkverbindungen zu stören. Dafür sind viele Handymasten nötig. Damit dabei nicht jeder Handymast per Glasfaser an das Internet angeschlossen werden muss, sollen zwischen den Masten Richtfunkverbindungen mit hohen Datenraten eingerichtet werden.

Forscher vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben nun erstmals die Übertragung von 115 GBit/s über 100 m Entfernung im Frequenzbereich von 300 GHz demonstriert. Mit einer Wellenlänge von etwa 1 mm werden sie bereits zum unteren Ende der Terahertzstrahlung gezählt. Es ist die erste Verbindung ihrer Art über diese Distanz.

Das Besondere an der Technik vom KIT ist, dass für eine Funkverbindung nur eine einzige Diode tatsächlich mit Frequenzen von 300 Gigahertz (GHz) funktionieren muss. Der Rest wird mit herkömmlicher Telekommunikationstechnik erledigt, wie sie etwa in Glasfaserverbindungen eingesetzt wird. Im Empfänger wird gar kein Bauteil benötigt, das mit über 100 GHz arbeitet. Das hält die Kosten niedrig, aber dafür sind eine Reihe von Kniffen notwendig.

Drei Laser und eine Diode erzeugen das Funksignal

Um eine modulierte Trägerwelle mit 300 GHz zu erzeugen, muss eine Antenne mit entsprechend hochfrequentem Strom betrieben werden. Dafür wird eine spezielle Photodiode benutzt, eine sogenannte Uni-traveling-carrier-Photodiode. Wenn Licht von einem Laser auf die Diode fällt, werden in der Sperrschicht der Diode Elektronen als Ladungsträger frei. Je mehr Licht auf die Diode fällt, desto mehr Strom fließt. Da die Elektronen sehr beweglich sind, können sie auch auf sehr hochfrequente Änderungen in der Lichtstärke reagieren und ermöglichen damit die Erzeugung sehr hochfrequenter elektrischer Ströme.

Das Prinzip dieser Dioden war schon länger bekannt, aber erst 2016 wurde eine Diode entwickelt, die auch zusammen mit Infrarotlasern funktioniert, wie sie bei der Glasfaserübertragung üblich sind. Dadurch können die Dioden ohne weiteren Entwicklungsaufwand mit der dafür entwickelten Technik angetrieben werden. Darunter sind auch Laserdioden, deren Wellenlänge sich entsprechend der angelegten Spannung sehr fein einstellen lässt.

Im Sender werden drei Laserstrahlen mit leicht unterschiedlichen Wellenlängen im Bereich von etwa 1,5 Mikrometern erzeugt und ihr Licht gemeinsam auf die Photodiode gesendet. Die Frequenz des ersten Lasers entspricht bei dieser Wellenlänge genau 193.200 GHz. Der zweite Laser wird mit 193.500 GHz betrieben. Bei der Überlagerung des Lichts entstehen Oberschwingungen. Die Frequenz dieser Oberschwingungen entspricht dem Unterschied der beiden Frequenzen, also genau 300 GHz. Dadurch fließt der Strom mit einer sinusförmigen Frequenz von 300 GHz durch die Photodiode zur Antenne, die daraus eine konstante Radiowelle mit 300 GHz erzeugt.

Elektrische Felder in Kristallen codieren 4 Bits pro Zeichen

Diese konstante Welle mit 300 GHz ist die Trägerwelle des Funksignals. Sie dient im Empfänger als die Referenzwelle. Um Daten zu übertragen, muss die Frequenz der Trägerwelle mit einer zweiten Welle überlagert werden, in der die eigentlichen Daten codiert sind. Dafür kommt ein dritter Laser zum Einsatz, dessen Wellenlänge mit einem elektrooptischen Modulator manipuliert wird. Er besteht aus einem Kristall, dessen optische Eigenschaften mit elektrischen Feldern sehr schnell und gezielt verändert werden können.

Dabei wird die Frequenz des dritten Laserstrahls leicht verschoben und so manipuliert, dass die Signalwelle eine genau definierte Stärke und Phasenlage im Vergleich zur Trägerwelle hat. Die Wellenberge der Signalwelle können zwei verschiedene Höhen haben und im Vergleich zur Trägerwelle in ihrer Phase verschoben werden. Insgesamt können so 16 Zustände, also 4 Bit, in einem gesendeten Zeichen codiert werden. Das Verfahren nennt sich Quadraturamplitudenmodulation(QAM) und ist in der Datenübertragung üblich.

Auf diese Weise werden die Daten nun gesendet. Aber sie müssen auch noch empfangen und ausgewertet werden.