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Ultraviolette LEDs übertragen Daten mit Rekordgeschwindigkeit
Optische Drahtlosverbindungen können Funknetze entlasten, leiden im Freien aber oft unter störendem Sonnenlicht. Ein internationales Team hat nun mit Far-UVC-Mikro-LEDs bei 235 Nanometern Daten mit bis zu 1,5 Gigabit pro Sekunde über 30 Zentimeter übertragen. Die Technik könnte künftig robuste Kurzstreckenverbindungen ergänzen, ist bislang aber nur unter direkter Sichtverbindung im Labor demonstriert.
Berlin (Deutschland). Drahtlose optische Datenübertragung nutzt Licht anstelle von Funkwellen und kann dadurch zusätzliche Übertragungskanäle erschließen. Im Freien stört bei sichtbarem oder infrarotem Licht jedoch die Sonne, weil ihr Licht am Empfänger einen starken Hintergrund erzeugen kann. UVC-Strahlung hat hier einen Vorteil. Unterhalb von 280 Nanometern erreicht praktisch keine Sonnenstrahlung die Erdoberfläche, weil sie zuvor in der Atmosphäre absorbiert wird.
Für die neue Übertragung nutzte das Team Far-UVC-Licht bei rund 235 Nanometern. Diese Strahlung wird in der Haut stärker in äußeren Schichten absorbiert als längerwelliges UV-Licht und dringt dadurch weniger tief in lebendes Gewebe ein. Die Kommunikationsarbeit selbst war allerdings keine Sicherheitsstudie und untersuchte keine biologischen Grenzwerte.
Forscher der University of Strathclyde haben dafür ein optisches Drahtlossystem mit Mikro-LEDs aufgebaut, die bei 235 Nanometern emittieren. Bei diesen Bauteilen ist die leuchtende Fläche in viele kleine Bereiche segmentiert. Dadurch sinkt die aktive Fläche, höhere Stromdichten werden möglich und die Übergangskapazität fällt geringer aus. Zusammen erhöht das die Modulationsbandbreite gegenüber herkömmlichen großflächigen AlGaN-LEDs.
Der veröffentlichte Datensatz beschreibt drei LED-Varianten, die unter anderem hinsichtlich Strom-Spannungs-Verhalten, Lichtleistung, Spektrum und Modulationsbandbreite vermessen wurden. Für die Datenübertragung setzte das Team orthogonales Frequenzmultiplexen mit adaptiver Bit- und Leistungsverteilung ein. Dadurch ließ sich die verfügbare Bandbreite der einzelnen Unterträger an deren Signalqualität anpassen.
„Wir haben unsere LEDs speziell für die optische Kommunikation in diesem Spektralbereich optimiert“, sagt Dr. Jan Ruschel vom Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH).
Im Versuch standen Sender und Empfänger in direkter Sichtlinie 30 Zentimeter voneinander entfernt. Unter normaler Raumbeleuchtung erreichte die Verbindung bis zu 1,5 Gigabit pro Sekunde. Das FBH bezeichnet dies als Rekord für drahtlose optische Kommunikation bei Wellenlängen unterhalb von 235 Nanometern. Entscheidend ist dabei die Kombination aus den schnell modulierbaren Mikro-LEDs und der angepassten Signalübertragung.
Die Reichweite bleibt bislang deutlich kleiner als bei vielen praktischen Funkverbindungen. Das Ergebnis zeigt deshalb vor allem, dass sich mit Far-UVC-LEDs eine für datenintensive Anwendungen interessante Übertragungsrate erzielen lässt. Ob sich die hohe Rate auch über größere Entfernungen, im Freien und bei wechselnden Wetterbedingungen halten lässt, wurde in dieser Arbeit noch nicht demonstriert.
Für Außenanwendungen ist Far-UVC nicht nur wegen des fehlenden solaren Hintergrunds interessant. Kurzwelliges Licht wird an Molekülen in der Luft stärker gestreut, weil die Rayleigh-Streuung mit sinkender Wellenlänge zunimmt. Ein Teil des Signals könnte deshalb auch dann einen Empfänger erreichen, wenn Sender und Empfänger nicht exakt aufeinander ausgerichtet sind oder die direkte Sichtlinie unterbrochen ist.
Genau dieser Betrieb ohne direkte Sichtverbindung gehört zu den nächsten Forschungszielen. Die Forscher wollen außerdem Sender und Empfänger weiter optimieren und untersuchen, welche Distanzen unter realistischen Umweltbedingungen erreichbar sind. Damit ist die 1,5-Gigabit-Verbindung zunächst ein Laborbeleg für hohe Datenraten bei 235 Nanometern, nicht schon der Nachweis eines einsatzreifen Kommunikationssystems.