T-KOS - Terahertz-Technologien für Kommunikation und Sensorik

Abstract

Innovationen in den Bereichen Kommunikation und Sensorik sind entscheidend für gesellschaftliche Zukunftsthemen wie Digitalisierung, Industrie 4.0 und Ressourceneffizienz. Um diesen Herausforderungen gerecht zu werden und für die deutsche Industrie wichtige Lieferketten im Bereich der Mikroelektronik sicher zu stellen, werden in T-KOS die in der FMD verteilten technologischen Kompetenzen für Kommunikation und Sensorik zusammengeführt und durch Kompetenzen des ITWM im Bereich Signalverarbeitung erweitert. Dadurch werden institutsübergreifend Systemlösungen für Terahertz-Kommunikation und -Sensorik, drahtlose Funkübertragung, zerstörungsfreie Prüftechnik (Zerstörungsfreie Prüfung, ZfP), Spektroskopie sowie die berührungslose Inline Messtechnik als Angebot an die Industrie ermöglicht. Folgende Meilensteine wurden dabei erreicht: Die Entwicklung eines industrietauglichen, multistatischem Terahertz-Bildgebungssystem (Zeilenkamera) für die zerstörungsfreie Echtzeitüberwachung von Produktionsprozessen sowie die Entwicklung von integrierten Radarchips für zukünftige Systeme bei 140 GHz, 240 GHz und oberhalb von 300 GHz. Schwerpunkte waren dabei die Entwicklung skalierbarer MIMO Siliziumgermanium-Chips (SiGe-) bei 140 GHz, die Entwicklung heterointegrierter Chips in Siliziumgermanium- (SiGe-) und Indiumphosphid- (InP-) Technologie bei 240 GHz sowie die Entwicklung von InP-Chips für breitbandige Systeme zwischen 340 GHz und 440 GHz. Es wurde eine echtzeitfähige, KI-basierte Signalverarbeitung für ein Hochgeschwindigkeits-Inline-Messsystem für die zerstörungsfreie Materialprüfung bei gleichzeitig hoher Bildqualität aufgebaut. Dies erforderte eine volumetrische Bildgebung mit Bildverarbeitungsschritten wie Brechungs- und Beugungskompensation sowie eine hochgenaue Oberflächenberechnung. Es wurde ein Punkt-zu-Multipunkt Funksystem im Terahertz-Band mit Datenraten ≥ 100 Gbit/s pro Verbindung zur Echtzeit-Demonstration von Raummultiplexzugriffsverfahren zum Aufbau von Pico-Funkzellen mit Tbit/s Kapazitäten realisiert. Es wurde ein Over-the-Air (OTA) Testing und Channel Sounding für Frequenzen bis 500 GHz aufgebaut, um adaptive Strahlformungsantennen und zeitvariante Funkkanäle für zukünftige Datenübertragungssysteme präzise charakterisieren zu können. Es wurde ein modulares, photonisch integriertes Terahertz-Sende- und Empfangsarray für 300 GHz – 2,5 THz auf Basis von InP realisiert. Dies ermöglicht die industrielle zerstörungsfreie Prüfung mit hoher Auflösung auf Basis der synthetischen Bildgebung. Darüber hinaus ermöglicht die dynamische Strahlschwenkung den Einsatz für mobiles Backhauling im Terahertz-Band.

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