Jenseits von 350 GHz: Einzelkanal-112 Gbps-photonische Funkübertragung bei 560 GHz mithilfe von Soliton‑Mikrokämmen

Warum künftige Telefone neue, unsichtbare Wellen brauchen

Unsere Telefone und drahtlosen Geräte sind hungrig nach Daten, doch die dafür genutzten Funkbänder sind zunehmend überfüllt. Diese Studie untersucht einen neuen Bereich des Spektrums, weit oberhalb der heutigen Mobilbänder, um zu prüfen, ob winzige, lichtbetriebene Chips Internetverkehr durch die Luft so schnell übertragen können, dass sie einige Glasfaserkabel ersetzen. Die Arbeit zeigt, dass diese kleinen photonenbasierten Motoren Funkverbindungen in einen kaum genutzten Bereich der Terahertz‑Wellen verschieben können und dennoch mehr als 100 Milliarden Bits pro Sekunde übertragen.

Weiter als die heute überfüllten Bänder

Aktuelle 5G‑Netze arbeiten größtenteils unterhalb von 28 Gigahertz, wo Frequenzen stark belegt sind und Funkkanäle relativ schmal sind. Um die Anforderungen künftiger 6G‑Systeme zu erfüllen, richten Forscher ihr Augenmerk auf das Terahertz‑Band, zwischen etwa 0,3 und 1 Billion Zyklen pro Sekunde. Dieser Bereich bietet breite, saubere Spektrumsfenster, die extrem schnelle Backhaul‑Verbindungen zwischen Basisstationen ermöglichen könnten. Allerdings dämpfen Signale in der Luft stärker, je höher die Frequenz liegt, und konventionelle Elektronik hat Schwierigkeiten, stabile, rauscharme Wellen weit oberhalb von 300 Gigahertz zu erzeugen. Der Bereich oberhalb von 350 Gigahertz blieb daher weitgehend ungenutzt für Hochgeschwindigkeitsverbindungen, obwohl er noch nicht vielen Diensten zugewiesen ist.

Licht nutzen, um ultraschnelle Radiowellen zu erzeugen

Um in diesen höheren Bereich vorzustoßen, setzt das Team auf Photonik und verwendet Licht statt reiner Elektronik zur Erzeugung des Funksignals. Im Zentrum ihres Aufbaus steht ein Siliziumnitrid‑Chip, der einen „Kamm“ aus vielen gleichmäßig verteilten Laserfarben erzeugt, die alle phasenverriegelt sind. Dieser Kamm wird durch ein spezielles Muster von Lichtpulsen erzeugt, sogenannte Solitonen, die um einen winzigen Ring auf dem Chip zirkulieren. Zwei gewöhnliche Laserdioden werden gezwungen, sich an zwei benachbarte Farben des Kamms anzupassen bzw. darauf zu entriegeln. Wenn diese beiden verriegelten Laser gemeinsam auf eine sehr schnelle Photodiode auftreffen, schlagen ihre geringen Farbunterschiede gegeneinander und erzeugen eine gleichmäßige Terahertz‑Welle bei 560 Gigahertz, die dann als Träger für Daten dienen kann.

Den winzigen Lichtquelle für den praktischen Einsatz verpacken

Eine praktische Hürde bei solchen Kamm‑Chips war das Ein‑ und Auskoppeln von Licht ohne sperrige optische Aufbauten, die sich leicht verstimmen. Die Forscher lösten dies, indem sie optische Fasern direkt an den Chip banden, unter Verwendung einer kurzen Faser mit hoher numerischer Apertur und eines UV‑härtenden Klebers auf einer Glasträgerplatte. Dieses kompakte Paket ist nur wenige Millimeter groß, verträgt Pumpleistungen von einem Watt und hält seine Kopplungseffizienz über viele Stunden nahezu konstant. In Tests lief der neue fasergekoppelte Aufbau den Soliton‑Kamm mehr als einen Tag lang stabil, während eine traditionelle Freiraumlinsen‑Anordnung unter ähnlichen Bedingungen innerhalb von Minuten die Ausrichtung verlor. Diese Langzeitstabilität ist entscheidend, damit solche Kämme in praktischen Terahertz‑Radios eingesetzt werden können.

Senden und Empfangen ultraschneller Datenströme

Sobald die stabile 560‑Gigahertz‑Welle erzeugt ist, wird einer der kammsynchronisierten Laser durch einen fortschrittlichen Modulator geführt, der Daten durch Anpassung sowohl der Amplitude als auch der Phase des Lichts einprägt. Das Team verwendet zwei gängige Formate: Quadratur‑Phasenumtastung (QPSK) und 16‑stufige Quadraturamplitudenmodulation (16‑QAM), die jeweils zwei bzw. vier Bits pro Symbol tragen. Der zweite verriegelte Laser bleibt unmoduliert. Beide Lichtsträme werden kombiniert und in der Hochgeschwindigkeits‑Photodiode in ein Terahertz‑Signal umgewandelt, das dann über einen zehn Millimeter breiten Freiraum‑Spalt ausgestrahlt wird. Auf der Empfängerseite übersetzen ein spezieller Mischer und schnelle Elektronik die eintreffenden Terahertzwellen zurück in eine niedrigere Frequenz, die ohne zusätzliche digitale Aufbereitung außer der im Oszilloskop integrierten Analyse aufgezeichnet und ausgewertet werden kann.

Wie viel Information in die neue Verbindung passt

Um die Leistungsfähigkeit des Systems zu bewerten, analysieren die Autoren die Muster der empfangenen Symbole und berechnen, wie weit sie von ihren Idealpositionen abweichen — ein Maß, das als Error Vector Magnitude (EVM) bekannt ist. Bleibt dieser Wert unter bestimmten Grenzen, können gängige Fehlerkorrektur‑Codes die verbleibenden Fehler bereinigen. Mit dem einfacheren phasenbasierten Format senden sie mit Symbolraten bis zu 42 Gbaud und erreichen 84 Gbit/s. Mit dem anspruchsvolleren 16‑Stufen‑Format kommen sie auf 28 Gbaud, was 112 Gbit/s auf einem einzelnen Funkkanal bei 560 GHz entspricht und dabei die strengeren Fehlertoleranzen einhält. Außerdem vergleichen sie den Betrieb mit und ohne Kammsynchronisation und stellen fest, dass die Verriegelung an den Kamm die Trägerlinienbreite verengt und das Phasenrauschen reduziert, was besonders bei mittleren Symbolraten die Leistung verbessert.

Was das für künftige Funkverbindungen bedeutet

Für Nutzer lautet die zentrale Botschaft: Photonische Chips können helfen, neue, ruhigere Teile des Spektrums für sehr schnelle Funkverbindungen zu erschließen, die eines Tages Basisstationen verbinden und kurze Glasfaserstrecken ersetzen könnten. Dieses Experiment zeigt, dass eine kompakte, faserverpackte Kammquelle einen Terahertz‑Sender stabil mit Energie versorgen kann, weit jenseits von 350 Gigahertz, und dennoch über 100 Gbit/s überträgt. Während das hier verwendete Band bei 560 Gigahertz in feuchter Luft stark absorbiert wird und sich am besten für sehr kurze Verbindungen eignet, lässt sich derselbe Ansatz auf benachbarte Frequenzen verschieben, bei denen Signale weiter reichen. Mit stärkeren Terahertz‑Emittern und leistungsfähigeren Antennen projizieren die Autoren, dass ähnliche Systeme schließlich mehrere hundert Gbit/s über Entfernungen von mehreren Metern unterstützen könnten und so einen Baustein für künftige 6G‑Infrastrukturen bilden.

Zitation: Tokizane, Y., Kishikawa, H., Kikuhara, T. et al. Beyond 350 GHz: Single-channel 112 Gbps photonic wireless transmission at 560 GHz using soliton microcombs. Commun Eng 5, 77 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00659-8

Schlüsselwörter: terahertz‑Funk, Soliton‑Mikrokamm, photonischer Sender, 6G‑Backhaul, Hochgeschwindigkeitsverbindung