Terahertz-Kommunikation: die Schlüsseltechnologie für extreme 6G-Geschwindigkeiten

Terahertz-Kommunikation gilt als eine der vielversprechendsten und zugleich herausforderndsten Technologien für die sechste Generation mobiler Netzwerke. Durch die Nutzung des nahezu ungenutzten elektromagnetischen Spektrums zwischen 100 GHz und 10 THz öffnet diese Technologie die Tür zu Datenraten, die heute unvorstellbar sind. Für die ersten 6G-Implementierungen ist der Sub-THz-Bereich (100-300 GHz) am realistischsten; höhere Frequenzen folgen in späteren Phasen. In diesem Artikel besprechen wir die Funktionsweise, Vorteile, Herausforderungen und die aktuelle Forschung zur THz-Kommunikation für 6G.

Was ist Terahertz-Kommunikation?

Terahertz-Kommunikation bezeichnet drahtlose Datenübertragung, die elektromagnetische Wellen im Terahertz-Frequenzbereich nutzt. Dieser Teil des Spektrums befindet sich zwischen den Mikrowellen (die für aktuelle Mobilfunknetze und WLAN verwendet werden) und dem infraroten Licht. Der Begriff „Terahertz" bezieht sich auf Frequenzen in der Größenordnung von 10¹² Hertz, also Billionen Schwingungen pro Sekunde.

Historisch wurde der Terahertz-Bereich als „Terahertz-Lücke" bezeichnet, da es lange Zeit keine geeigneten Quellen und Detektoren gab, um diesen Teil des Spektrums effektiv für die Kommunikation zu nutzen. Dank jüngster Durchbrüche in der Halbleitertechnologie, photonischen Systemen und fortschrittlicher Signalverarbeitung ist es nun möglich geworden, THz-Wellen mit ausreichender Effizienz für praktische Kommunikationsanwendungen zu erzeugen, zu modulieren und zu detektieren.

Für 6G-Netze bildet Terahertz-Kommunikation die Grundlage für die versprochenen Datenraten von Hunderten von Gigabit bis hin zu mehr als einem Terabit pro Sekunde. Dies ermöglicht Anwendungen, die mit heutiger Technologie schlicht unerreichbar sind — von Echtzeit-holografischer Kommunikation bis zur sofortigen Synchronisation komplexer digitaler Zwillinge.

Der Terahertz-Frequenzbereich

Das Terahertz-Spektrum umfasst den Frequenzbereich von 0,1 THz (100 GHz) bis 10 THz (10.000 GHz). Zum Vergleich: 4G-Netze operieren typischerweise auf Frequenzen zwischen 0,7 und 2,6 GHz, und 5G-Millimeterwellenkommunikation nutzt Frequenzen bis maximal 71 GHz. Der Terahertz-Bereich bietet damit eine enorme, größtenteils ungenutzte Menge an Spektrum.

Innerhalb dieses breiten Bereichs sind bestimmte Frequenzbänder besonders für die Kommunikation geeignet. Das Sub-THz-Band (100-300 GHz) wird als am besten realisierbar für die erste Generation von 6G-Systemen angesehen, da die atmosphärische Absorption hier relativ beherrschbar ist. Das D-Band (110-170 GHz) und das G-Band (140-220 GHz) sind Frequenzbänder, die aktiv für 6G-Backhaul und Kurzstreckenkommunikation erforscht werden.

Bei höheren Frequenzen nimmt die verfügbare Bandbreite zu, aber die Herausforderungen bei Signaldämpfung und atmosphärischer Absorption werden ebenfalls größer. Der Bereich oberhalb von 300 GHz wird daher hauptsächlich für Ultrakurzstreckenanwendungen erforscht, wie Chip-zu-Chip-Kommunikation, drahtlose Verbindungen in Rechenzentren und Nano-Netzwerke.

Vorteile der THz-Kommunikation

Der wichtigste Vorteil der Terahertz-Kommunikation ist die enorme verfügbare Bandbreite. Im Terahertz-Bereich stehen kontinuierliche Frequenzblöcke von Dutzenden Gigahertz zur Verfügung, während in den heutigen Mobilfunkbändern Kanalbandbreiten von einigen Hundert Megahertz bereits als breit gelten. Diese gigantische Bandbreite übersetzt sich direkt in extrem hohe Datenraten.

Darüber hinaus bieten Terahertz-Wellen durch ihre kurze Wellenlänge eine sehr hohe räumliche Auflösung. Dies ermöglicht die Bildung extrem gerichteter Bündel (Beamforming) mit kompakten Antennen. Ein Antennenarray von nur wenigen Quadratzentimetern kann auf Terahertz-Frequenzen bereits Tausende von Antennenelementen enthalten, wodurch sehr präzise Bündelformung möglich wird.

Die hohen Frequenzen ermöglichen auch spektrale Wiederverwendung auf kleinem Raum. Da THz-Signale schnell abschwächen, können benachbarte Zellen dieselben Frequenzen ohne Interferenz nutzen. Dies vergrößert die gesamte Netzkapazität pro Quadratkilometer enorm, was für die erwarteten 6G-Geschwindigkeiten in dicht besiedelten Gebieten essenziell ist.

Technische Herausforderungen

Atmosphärische Absorption und Reichweite

Die größte Herausforderung der Terahertz-Kommunikation ist die begrenzte Reichweite. THz-Wellen werden stark von Wassermolekülen in der Atmosphäre absorbiert. Bei bestimmten Frequenzen, wie etwa 557 GHz und 752 GHz, ist die Absorption so stark, dass Kommunikation über mehr als wenige Meter praktisch unmöglich ist. Selbst in den günstigeren Frequenzfenstern ist die effektive Reichweite auf einige Dutzend bis Hunderte Meter in Außenumgebungen beschränkt.

Regen, Nebel und hohe Luftfeuchtigkeit verstärken die Signaldämpfung erheblich. Forscher arbeiten an adaptiven Systemen, die automatisch zwischen Frequenzbändern und Kommunikationsmodi wechseln, basierend auf den Wetterbedingungen.

Zudem können THz-Signale nicht durch feste Objekte wie Wände, Möbel oder sogar menschliche Körper dringen. Dies bedeutet, dass direkte Sichtverbindung (Line-of-Sight) zwischen Sender und Empfänger in den meisten Fällen notwendig ist, was den Einsatz ergänzender Technologien wie Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS) unverzichtbar macht.

Hardware-Herausforderungen

Die Entwicklung bezahlbarer, energieeffizienter Hardware für Terahertz-Kommunikation ist eine erhebliche technische Hürde. Aktuelle THz-Quellen und -Detektoren sind oft groß, teuer und energieintensiv. Für den Einsatz in mobilen Geräten sind Miniaturisierung und Effizienzsteigerung unerlässlich.

Es sind verschiedene technologische Ansätze in der Entwicklung. Elektronische Lösungen auf Basis fortschrittlicher CMOS- und SiGe-Technologie bieten Integrationsmöglichkeiten mit bestehenden Chiparchitekturen, erreichen derzeit aber begrenzte Leistungspegel bei den höchsten Frequenzen. Photonische Ansätze bieten höhere Leistungen, sind aber schwieriger zu integrieren. Hybride elektronisch-photonische Systeme kombinieren die Vorteile beider Ansätze und gelten als vielversprechendster Weg zu praktischen THz-Transceivern.

Aktueller Stand der Forschung

Die Terahertz-Forschung für 6G befindet sich in einer Phase beschleunigter Entwicklung. Weltweit arbeiten Dutzende Forschungsgruppen und Unternehmen aktiv daran, die Kluft zwischen Labordemonstrationenen und praktischen Systemen zu überbrücken.

In den Jahren 2024 und 2025 wurden wichtige Meilensteine erreicht. Forschungsteams haben Datenübertragungen von mehr als 100 Gbps über Entfernungen von einigen Hundert Metern demonstriert. Integrierte Schaltungsentwürfe in fortschrittlichen CMOS-Knoten machen THz-Transceiver immer kompakter und energieeffizienter. Japanische Forscher haben Prototypen gezeigt, die bei 300 GHz mit Geschwindigkeiten über 200 Gbps arbeiten.

Große Telekommunikationshersteller wie Samsung, Nokia, Ericsson und Huawei investieren massiv in THz-Forschung. Samsung hat eine Vision präsentiert, in der Terahertz-Kommunikation das Rückgrat des 6G-Zugangsnetzes bildet, während Nokia und Ericsson an hybriden Architekturen arbeiten, die THz mit Sub-6 GHz und Millimeterwellen kombinieren. Die größten 6G-Unternehmen sehen Terahertz einhellig als unverzichtbaren Baustein.

Anwendungen von Terahertz in 6G

Die einzigartigen Eigenschaften der Terahertz-Kommunikation ermöglichen eine Reihe bahnbrechender Anwendungen. Holografische Kommunikation, bei der dreidimensionale Bilder in Echtzeit übertragen werden, erfordert Datenraten von mehreren Terabit pro Sekunde. Nur der Terahertz-Bereich bietet die dafür nötige Bandbreite.

Drahtlose Verbindungen in Rechenzentren stellen eine weitere vielversprechende Anwendung dar. Die aktuelle Verkabelung in Rechenzentren begrenzt die Flexibilität und Skalierbarkeit. Terahertz-Verbindungen können Kabel mit Geschwindigkeiten von Hunderten Gigabit pro Sekunde über kurze Distanzen ersetzen, was die Architektur von Rechenzentren grundlegend verändern kann.

Zudem ermöglichen Terahertz-Frequenzen die Echtzeit-Synchronisation digitaler Zwillinge, was für fortschrittliche industrielle Automatisierung essenziell ist. Im Bereich der Bildgebung und Sensorik bieten THz-Wellen einzigartige Möglichkeiten für zerstörungsfreie Materialprüfung, Sicherheitsscreening und medizinische Diagnostik. Die Synergie zwischen Kommunikation und Sensorik ist ein wichtiges Forschungsgebiet, das eng mit dem ISAC-Konzept verbunden ist.

Terahertz-Forschung in Deutschland und Europa

Deutschland spielt eine führende Rolle in der europäischen Terahertz-Forschung. Die Technische Universität Braunschweig, die Universität Duisburg-Essen, die Technische Universität Dresden und das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) verfügen über Forschungsgruppen, die an THz-Komponenten, Antennen und Systemarchitekturen arbeiten. Das Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut (HHI) in Berlin trägt mit angewandter Forschung und der Übersetzung von Laborergebnissen in industrielle Anwendungen bei.

Auf europäischer Ebene ist Terahertz-Kommunikation eine Priorität im Horizon-Europe-Programm. Projekte wie Hexa-X und 6G-SANDBOX umfassen bedeutende THz-Forschungskomponenten. Die European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP) und die European Microwave Conference dienen als Plattformen für die Präsentation der neuesten Forschungsergebnisse.

Die Zusammenarbeit zwischen europäischen Universitäten, Forschungsinstituten und der Telekommunikationsindustrie ist von großer Bedeutung, um die Terahertz-Lücke zu schließen. Durch die Verknüpfung von Grundlagenforschung mit industriellen Roadmaps wird an einem realistischen Weg zu kommerziellen THz-Systemen für 6G gearbeitet.

Zukunftsperspektive

Terahertz-Kommunikation wird voraussichtlich phasenweise in 6G-Netze eingeführt. Die ersten Implementierungen werden sich auf den Sub-THz-Bereich (100-300 GHz) für Backhaul-Verbindungen und festen drahtlosen Zugang konzentrieren. In einer zweiten Phase werden höhere Frequenzen für Kurzstreckenanwendungen mit extremer Bandbreite eingesetzt.

Die Konvergenz von Terahertz-Kommunikation mit KI-nativen Netzwerken, RIS und fortschrittlicher Bündelformung wird die Einschränkungen der begrenzten Reichweite schrittweise verringern. Intelligente reflektierende Oberflächen können THz-Signale um Hindernisse herumleiten, während KI-Algorithmen in Echtzeit das optimale Frequenzband, die Bündelrichtung und den Übertragungsmodus auswählen.

Obwohl noch erhebliche technische Herausforderungen bestehen, ist der Fortschritt des letzten Jahrzehnts beeindruckend. Die Kombination aus Durchbrüchen in der Halbleitertechnologie, neuen Antennenkonzepten und fortschrittlicher Signalverarbeitung macht den kommerziellen Einsatz von Terahertz-Kommunikation innerhalb des 6G-Zeitrahmens realistisch. Für die neuesten Entwicklungen und einen umfassenden Überblick über alle 6G-Kerntechnologien verweisen wir auf unsere Übersichtsseite.

Häufig gestellte Fragen zur Terahertz-Kommunikation