Datenübertragung Terahertz-Signale in sichtbares Licht umwandeln

Künftige 6G-Kommunikationssysteme müssen zur Datenübertragung per optischer Fasern die Trägerfrequenz bis in den Terahertz-Bereich erweitern. Bisher fehlte hier ein Umwandlungsmechanismus zwischen den Frequenzbereichen. Ein internationales Forschungsteam hat nun herausgefunden, dass auf Graphen basierende Materialien Terahertz-Hochfrequenzsignale effizient in sichtbares Licht umwandeln können.

Die Fähigkeit, Signale von einem Frequenzbereich in einen anderen umzuwandeln, ist der Schlüssel zu verschiedenen Technologien, insbesondere in der Telekommunikation. Hier werden beispielsweise Daten von elektronischen Geräten häufig als optische Signale durch Glasfasern übertragen. Um deutlich höhere Datenübertragungsraten zu ermöglichen, müssen künftige 6G-Kommunikationssysteme die Trägerfrequenz über 100 Gigahertz hinaus bis in den Terahertz-Bereich erweitern. Terahertz-Wellen sind ein Teil des elektromagnetischen Spektrums, der zwischen Mikrowellen und Infrarotlicht liegt. Sie können jedoch nur über begrenzte Entfernungen für die drahtlose Datenübertragung genutzt werden. Daher wird ein schneller und kontrollierbarer Mechanismus zur Umwandlung von Terahertz-Wellen in sichtbares oder infrarotes Licht benötigt, das über lange Distanzen in optischen Fasern transportiert werden kann.

Die Lösung: auf Graphen basierende Materialien

Was bisher fehlt, ist ein Material, das Photonenenergien um einen Faktor von etwa 1000 vom Terahertz- in den sichtbaren Bereich hochkonvertieren kann. Ein internationales Forschungsteam des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR), des Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2), des University of Exeter Centre for Graphene Science und der TU Eindhoven hat nun herausgefunden, dass auf Graphen basierende Materialien Terahertz-Hochfrequenzsignale effizient in sichtbares Licht umwandeln können. Konkret hat das Team die starke nichtlineare Reaktion von so genannten Dirac-Quantenmaterialien, z. B. Graphen und topologischen Isolatoren, auf Terahertz-Lichtpulse entdeckt. Dies äußert sich in der hocheffizienten Erzeugung von Licht mit einem Vielfachen der ursprünglichen Frequenz.

Neue Ergebnisse liefern jetzt eine physikalische Erklärung für diesen Mechanismus. Sie zeigen, wie die Lichtemission durch die Verwendung von hochdotiertem Graphen oder eines Gitter-Graphen-Metamaterials – ein Material mit einer maßgeschneiderten Struktur, das sich durch besondere optische, elektrische oder magnetische Eigenschaften auszeichnet – stark verstärkt werden kann. Das Team beobachtete auch, dass die Umwandlung sehr schnell erfolgt – im Sub-Nanosekundenbereich – und dass sie durch zusätzliche elektrostatische Felder kontrolliert werden kann.

Der zugrunde liegende Mechanismus

Das Forschungsteam führt die Lichtfrequenzumwandlung in Graphen auf einen Terahertz-induzierten thermischen Strahlungsmechanismus zurück. Dabei absorbieren die Ladungsträger elektromagnetische Energie aus dem einfallenden Terahertz-Feld. Die absorbierte Energie verteilt sich dann schnell im Material, was zu einer Erwärmung der Ladungsträger führt. Dies führt schließlich zur Emission von Photonen im sichtbaren Spektrum.

Nach Ansicht der Forschenden birgt die Geschwindigkeit der Umwandlung von Terahertz-Licht in sichtbares Licht sowie die Justierbarkeit, die in Materialien auf Graphenbasis erreicht wird, großes Potenzial für Anwendungen in der Informations- und Kommunikationstechnologie. Der zugrundeliegende ultraschnelle thermodynamische Mechanismus könnte ihrer Meinung nach Auswirkungen auf Terahertz-Telekom-Verbindungen sowie auf jede Technologie haben, die eine ultraschnelle Frequenzumwandlung von Signalen erfordert.

Zur Originalpublikation in Nano Letters

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