Überwindung kilometerweiter Terahertz‑Drahtloskommunikation jenseits von 300 GHz ermöglicht durch hybride photonen‑elektronische Synergie

Schnellere Verbindungen durch freie Luft

Das Streamen von Ultra‑High‑Definition‑Video, die Vernetzung entlegener Dörfer oder das Wiederherstellen von Kommunikation nach Katastrophen erfordern Datenverbindungen, die sowohl extrem schnell als auch leicht bereitzustellen sind. Glasfaser kann enorme Kapazitäten liefern, ist aber teuer und langsam zu verlegen über Flüsse, Berge oder in dicht besiedelten Städten. Dieser Artikel untersucht einen anderen Weg: sehr hochfrequente "Terahertz"‑Radiowellen zu nutzen, um drahtlos über Kilometer hinweg faserähnliche Datenraten zu übertragen und damit möglicherweise neu zu definieren, wie zukünftige Kommunikationsnetze aufgebaut werden.

Warum diese unsichtbaren Wellen wichtig sind

Die heutigen Mobilfunknetze sind bereits in den niedrigeren Frequenzbereichen stark ausgelastet. Um mit dem explosionsartigen Datenwachstum Schritt zu halten, wenden sich Forschende den Terahertz‑Bändern oberhalb von 300 Gigahertz zu, wo ein großes, größtenteils ungenutztes Spektrum Dutzende oder sogar Hunderte Gigabit pro Sekunde verspricht. Solche Verbindungen sind ideal, um Basisstationen, Gebäude oder temporäre Standorte zu verbinden, wenn das Verlegen von Glasfaser unpraktisch ist. Es gibt jedoch einen Haken: Bei so hohen Frequenzen dämpft die Luft das Signal sehr schnell, und vorhandene Sender haben Schwierigkeiten, genug Leistung zu erzeugen — vor allem, wenn das Signal mittels optischer Techniken erzeugt wird, die sich gut in Fasernetzwerke integrieren lassen.

Die große Idee: Vereinigung von Licht und Elektronik

Die Autoren schlagen eine hybride Lösung vor, die die Stärken der Photonik und der Vakuumelektronik kombiniert. Auf der Senderseite schlagen zwei präzise abgestimmte Laser zusammen in einer speziellen Photodiode ein hochfrequentes Terahertz‑Signal vor, das sich natürlicherweise an moderne Fasersysteme anbindet und extrem hohe Datenraten unterstützt. Dieses schwache Signal wird dann in ein eigens entwickeltes Gerät eingespeist, das sogenannte Traveling‑Wave‑Tube‑Verstärker, der einen Elektronenstrahl nutzt, der mit einem sorgfältig geformten metallischen Wellenleiter wechselwirkt, um die Leistung von Mikrowatt auf mehrere Watt zu steigern. Auf der Empfängerseite konzentriert eine große Kunststofflinse das nach Kilometern Reise geschwächte Signal auf zwei separate elektronische Empfänger, deren Ausgänge intelligent kombiniert werden, um die Empfindlichkeit zu verbessern.

Aufbau eines leistungsstarken Terahertz‑Motors

Im Zentrum dieser Arbeit steht ein neuer Verstärker, der um 335 Gigahertz arbeitet. Traditionelle Halbleiterverstärker in diesen Frequenzbereichen liefern nur einige zehn Milliwatt Ausgangsleistung und begrenzte Verstärkung, was die mögliche Reichweite einschränkt. Das Team hat die interne Wellenleiterstruktur einer Traveling‑Wave‑Tube so umgestaltet, dass das elektrische Feld stärker mit dem Elektronenstrahl koppelt und gleichzeitig die Verluste gering bleiben, selbst bei Terahertz‑Frequenzen. Ihr Gerät erreicht nahezu 4 Watt Dauerleistung und mehr als 50 Dezibel Verstärkung — in etwa eine zehntausendfache Zunahme der Signalstärke — und behält dabei für dieses anspruchsvolle Band eine gute Effizienz bei. Diese Leistungswerte setzen derzeit einen neuen Maßstab für Verstärker oberhalb von 300 Gigahertz.

Hochgeschwindigkeitsdaten quer durch eine Stadt senden

Um das Gesamtsystem zu testen, richteten die Forschenden eine Punkt‑zu‑Punkt‑Terahertz‑Verbindung zwischen zwei Hochhäusern in Nanjing, China, über 2,2 Kilometer ein, die mehrere städtische Flüsse überquerte. In einem Gebäude erzeugte ein optischer Sender einen 335‑Gigahertz‑Träger, kodierte diesen mit einem 16‑Stufen‑Datenmuster und verstärkte ihn mit dem neuen Verstärker, bevor er an eine hochgewinnte Dachantenne gespeist wurde. Im entfernten Gebäude fing eine große Linse den schwachen Strahl ein und leitete ihn an zwei eng benachbarte Empfänger. Deren elektrische Ausgänge wurden aufgezeichnet und mit fortschrittlichen digitalen Algorithmen verarbeitet, die beide Ströme kombinierten und damit Unterschiede in Fading und Rauschen entlang der beiden leicht unterschiedlichen Pfade ausnutzten, um das Signal zu säubern.