Zukünftige 6G-Netze sind längst keine rein futuristische Vision mehr. Ein internationales Forschungsteam hat einen wichtigen Schritt hin zu ultraschnellem Mobilfunk gemacht und eine kompakte topologische Antenne entwickelt, die im Terahertz-Bereich (THz) arbeiten kann – einem Schlüsselspektrum für die nächste Generation drahtloser Technologien.
Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Nature Photonics veröffentlicht. Projektleiter ist Professor Ranjan Singh von der University of Notre Dame. An der Arbeit beteiligten sich zudem Forschende aus Singapur, Frankreich und den USA.
Warum 6G auf Terahertz setzt
Es wird erwartet, dass Netze der sechsten Generation Datenübertragungsraten von bis zu einem Terabit pro Sekunde ermöglichen. Das bedeutet, dass Datenmengen, für deren Download heute noch Minuten benötigt werden, künftig innerhalb weniger Sekunden übertragen werden könnten.
Solche Geschwindigkeiten sind jedoch nur bei deutlich höheren Frequenzen möglich als bei 5G. Der Terahertz-Bereich eröffnet enormes Potenzial für Hochgeschwindigkeitskommunikation. Gleichzeitig bringt er erhebliche technische Herausforderungen mit sich: THz-Wellen lassen sich nur schwer stabil übertragen, und herkömmliche Antennen sind entweder zu groß, zu teuer oder auf komplexe mechanische Systeme zur Strahlsteuerung angewiesen.
Ohne grundlegend neue Lösungen könnte die breite Einführung von 6G zu kompliziert und wirtschaftlich unattraktiv bleiben.
Topologie als Werkzeug zur Wellensteuerung
Um die Grenzen klassischer Ansätze zu überwinden, griffen die Forschenden auf Konzepte der topologischen Photonik zurück. Dieses Forschungsfeld untersucht, wie elektromagnetische Wellen durch speziell strukturierte Materialien entlang „geschützter“ Pfade mit minimalen Verlusten geführt werden können.
Kern der neuen Technologie ist ein Siliziumchip mit einem Array mikroskopisch kleiner dreieckiger Öffnungen in zwei unterschiedlichen Größen. Durch die gezielte Anordnung dieser Strukturen konnten die Wissenschaftler das Verhalten von Terahertz-Wellen kontrollieren: Sie lassen sich entweder innerhalb der Struktur halten oder unter einem definierten Winkel abstrahlen.
Die Geometrie des Materials übernimmt somit faktisch die Funktion einer Antenne.
Breite Abdeckung ohne Mechanik
Ein wesentlicher Vorteil der Entwicklung ist der vollständige Verzicht auf bewegliche Bauteile. Die gesamte Signalsteuerung ist in der Struktur des Chips selbst verankert. Das reduziert potenzielle Fehlerquellen und vereinfacht die Produktion.
In Tests erreichte das System eine Abdeckung von bis zu 75 Prozent des umgebenden Raums – deutlich mehr als viele derzeit verfügbare Terahertz-Antennen. Dieselbe Struktur kann sowohl als Sender als auch als Empfänger arbeiten, was die Grundlage für kompakte, multifunktionale Module schafft.
Laut den Forschenden lagen die erzielten Datenraten um ein Vielfaches über denen anderer moderner Lösungen im THz-Bereich.
Ein Schritt zum integrierten 6G-Chip
Als nächstes Ziel planen die Wissenschaftler, Senden, Empfangen und Signalverarbeitung in einem einzigen integrierten Chip zu vereinen. Gelingt dies, könnten 6G-Netze den Terahertz-Bereich künftig ebenso stabil nutzen wie heutige 4G- und 5G-Systeme niedrigere Frequenzen.
Die Technologie befindet sich zwar noch in der Forschungsphase, doch sie zeigt klar die Richtung, in die sich der Mobilfunk entwickelt. Terahertz-Technologien verlassen zunehmend die Labore und finden ihren Weg in reale Anwendungen – und damit rückt das Zeitalter ultraschneller drahtloser Kommunikation näher, als viele vermuten.
Vitalii Zavzenko