Fern-UVC-LEDs übertragen Daten mit Rekordgeschwindigkeit
Forschende des Ferdinand-Braun-Instituts (FBH), des Instituts der Photonik
der Universität Strathclyde und des LiFi-Forschungs- und
Entwicklungszentrums der Universität Cambridge haben mit neuartigen Fern-
UVC-LEDs eine Datenrate von bis zu 1,5 Gigabit pro Sekunde erreicht. Die
am FBH entwickelten LEDs erzielten damit einen Rekord für die drahtlose
optische Kommunikation bei Wellenlängen unter 235 Nanometern. Die Fern-
UVC-Technologie bietet einen besonderen Vorteil: Sonnenlicht erzeugt in
diesem Spektralbereich praktisch keine Hintergrundsignale. Sie könnte
deshalb künftig zuverlässige optische Verbindungen im Freien ermöglichen
und Funkkommunikation dort ergänzen, wo sie an Grenzen stößt.
Autonome Fahrzeuge und Drohnen, vernetzte Industriemaschinen, Robotik oder
Anwendungen im Zivilschutz benötigen zuverlässige drahtlose
Datenverbindungen. Gleichzeitig nutzen immer mehr Systeme dieselben
begrenzten Frequenzbänder. Optische drahtlose Kommunikation kann
Funktechnologien deshalb sinnvoll ergänzen. Systeme mit sichtbarem oder
infrarotem Licht stoßen im Freien jedoch auf ein grundlegendes Problem:
Auch die Sonne strahlt in diesen Wellenlängenbereichen. Ihr Licht erzeugt
Hintergrundsignale und erschwert die zuverlässige Datenübertragung. Häufig
benötigen solche Systeme daher präzise ausgerichtete Laserstrahlen.
UVC kommuniziert ohne störendes Sonnenlicht
UVC-Licht bietet hier einen entscheidenden Vorteil. Unterhalb einer
Wellenlänge von 280 Nanometern (nm) erreicht praktisch keine
Sonnenstrahlung die Erdoberfläche, weil sie bereits in den oberen
Atmosphärenschichten absorbiert wird. Demzufolge ist eine optische
drahtlose Kommunikation mit UVC-Licht weitgehend frei von störenden
Hintergrundsignalen durch die Sonne.
Für ihre Versuche nutzten die Forschenden Fern-UVC-Licht mit Wellenlängen
unterhalb von 235 nm. Da es bereits in den obersten, leblosen
Hautschichten stark absorbiert wird, dringt es deutlich weniger tief in
lebendes Gewebe ein als längerwelliges UV-Licht. Daher gilt diese Art von
UV-Licht als gesundheitlich unbedenklich und eignet sich für Anwendungen
in der Nähe von Menschen.
Optimierte Fern-UVC-LEDs ermöglichen praxistaugliche Datenraten
„Wir haben unsere LEDs für die optische Kommunikation in diesem
Spektralbereich optimiert“, sagt Dr. Jan Ruschel, Wissenschaftler am
Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik
(FBH). „Sie liefern eine im internationalen Vergleich hohe optische
Leistung und lassen sich besonders schnell modulieren. Damit eignen sie
sich für den optischen Datenaustausch in geschlossenen Räumen ebenso wie
im Freien.“
Das FBH hat die emittierende Fläche seiner Fern-UVC-LEDs dazu in viele
kleine Bereiche unterteilt. Die kleineren Flächen verringern die
Sperrschichtkapazität und erhöhen die Stromdichte. Dadurch steigt die
Modulationsbandbreite gegenüber konventionellen großflächigen LEDs.
Mit diesen LEDs bauten die Teams an der Universität Strathclyde und der
Universität Cambridge ein optisches drahtloses Kommunikationssystem auf.
Bei direkter Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger übertrug das
System Daten über 30 Zentimeter mit bis zu 1,5 Gigabit pro Sekunde. Damit
erzielten die Forschenden mit den unter Raumbeleuchtung erfolgten
Messungen einen Rekord für die Datenübertragung bei solch kurzen
Wellenlängen. Die Arbeiten wurden im Rahmen von TITAN durchgeführt, einem
britischen Forschungszentrum für Telekommunikation unter der Leitung der
Universität Cambridge, das vom Engineering and Physical Sciences Research
Council (EPSRC) finanziert wird. Die Ergebnisse wurden kürzlich beim
„International Symposium on Communication Systems, Networks and Digital
Signal Processing“ vorgestellt und bei IEEE Xplore veröffentlicht:
https://doi.org/10.1109/CSNDSP
Nächster Schritt: Kommunikation auch ohne direkte Sichtlinie und über
größere Distanzen
Fern-UVC könnte noch einen weiteren Vorteil bieten: Licht wird an
Luftmolekülen gestreut. Dadurch kann ein Teil des Signals einen Empfänger
auch dann erreichen, wenn Sender und Empfänger nicht direkt aufeinander
ausgerichtet sind oder Hindernisse die Sichtlinie unterbrechen. Diese
Rayleigh-Streuung ist umso stärker, je kürzer die Wellenlänge ist. UVC-
Licht eignet sich deshalb besonders für sogenannte Non-Line-of-Sight-
Verbindungen. Die Forschenden wollen nun untersuchen, wie gut sich dieser
Effekt mit den Fern-UVC-LEDs nutzen lässt. Außerdem wollen sie Sender und
Empfänger weiter optimieren, um größere und praxisrelevante Distanzen zu
erreichen. Auch den Einfluss der Atmosphäre auf die Übertragungsstrecke
wollen sie genauer untersuchen.
„Die praxistaugliche Datenrate ist ein wichtiger erster Schritt“, sagt Jan
Ruschel. „Jetzt wollen wir untersuchen, über welche Distanzen und unter
welchen Umgebungsbedingungen sich Fern-UVC-Kommunikation tatsächlich
einsetzen lässt – insbesondere ohne direkte Sichtverbindung.“
