Photonische Integrationstechnologien auf Graphen-Basis für drahtlose Terabit-Kommunikationssysteme
Die Zukunftsprojekte Industrie 4.0, Internet der Dinge und die 5. Generation des Mobilfunks (5G) sind unmittelbar mit der zunehmenden Vernetzung von Sensoren, Geräten, Maschinen und Menschen verknüpft. Aktuelle Prognosen gehen davon aus, dass im Jahre 2020 bis zu 50 Milliarden Geräte miteinander kommunizieren. Das führt zu einer Verzehnfachung der in heutigen Netzwerken übertragenen Datenmengen. Insbesondere dort, wo eine Verkabelung technisch nicht möglich oder zu kostspielig ist, ist die Entwicklung einer kosteneffizienten Technologie zur hochbitratigen Funkübertragung essenziell für die Umsetzbarkeit vernetzter Zukunftsprojekte. Die maximal übertragbare Datenrate in drahtlosen Kommunikationssystemen ist durch die verwendete Übertragungsfrequenz limitiert. Während in den optischen Glasfasernetzen Frequenzen im Terahertzbereich verwendet werden, sind die zurzeit genutzten Funkfrequenzen im einstelligen Gigahertzbereich angesiedelt - zehntausendmal tiefer. In zukünftigen Netzen bedarf es daher neuer Technologien zur nahtlosen Verbindung von faseroptischen und drahtlosen Abschnitten.
Ziel des Vorhabens „Phonograph“ ist es daher, ein photonisches Sende- bzw. Empfängermodul mit einer integrierten, steuerbaren, intelligenten Antenne bereitzustellen, welches die unterschiedlichsten Bandbreitenanforderungen verschiedener Anwendungen flexibel erfüllt. Diese reichen von einigen Megabit-pro-Sekunde in der Kommunikation zwischen Sensoren zur Anlagenüberwachung im industriellen Umfeld bis hin zu mehreren hundert Gigabit-pro-Sekunde für die Anbindung der Funkzugangstechnologie an das Weitverkehrsnetz. Um dies zu erreichen, bedarf es eines neuen, disruptiven Ansatzes. Für das integrierte Sende- bzw. Empfängermodul werden Teilkomponenten entwickelt, die eine Frequenzabstimmung über mehrere hundert Gigahertz ermöglichen. Dadurch können heutige und zukünftige Frequenzbänder flexibel abgedeckt werden. Hierfür werden verschiedene Materialsysteme an der Schnittstelle zwischen optischen und elektronischen Komponenten miteinander kombiniert. Dazu zählen klassische Halbleiter für photonische Elemente wie Laser und Detektoren, aber auch neueste Materialien wie Graphen, dessen Einsatz sehr hohe Datenraten ermöglicht. Mithilfe dieses Baukastenprinzips können kostengünstig neuartige Bauelemente realisiert werden, deren modulare Kombination die dringend benötigte Schlüsseltechnologie an der Schnittstelle zwischen Optik und Hochfrequenztechnik ist.
Die im Rahmen des Vorhabens „Phonograph“ entwickelten Komponenten ebnen den Weg, um drahtlos Datenraten bis zu Terabit-pro-Sekunde im realen Einsatz zu erzielen, die bisher nur unter Laborbedingungen erreicht werden konnten. Dies eröffnet völlig neue Anwendungsfelder, insbesondere im Hinblick auf die zunehmende Vernetzung im Internet der Dinge, der Industrie 4.0 oder im Smart-Home-Bereich.