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Neuer Weltrekord bei LiFi-Kommunikation

12. Juni 2020, 07:47 Uhr   |  Gerhard Stelzer

Neuer Weltrekord bei LiFi-Kommunikation
© CEA Leti

Das Forschungszentrum CEA Leti in Grenoble.

Wissenschaftler am französischen Forschungsinstitut CEA-Leti haben in der LiFi-Kommunikation mit sichtbarem Licht einen neuen Weltrekord mit einer Datenrate von 7,7 Gbit/s aufgestellt.

Das in Grenoble ansässige Mikroelektronikforschungszentrum CEA-Leti hat berichtet, dass seine Forscher den Durchsatz-Weltrekord von 5,1 Gbit/s in der Kommunikation mit sichtbarem Licht (Visible Light Communications – VLC) unter Verwendung einer einzigen blauen GaN-Mikro-Leuchtdiode (LED) gebrochen haben. Ihre mit einer 10-µm-Mikro-LED erzielte Datenübertragungsrate von 7,7 Gbit/s markiert einen weiteren Schritt in Richtung Kommerzialisierung und weiterer Verbreitung der LiFi-Kommunikation.
Bei VLC, allgemein als LiFi (Light Fidelty) bezeichnet, handelt es sich um ein aufkommendes drahtloses Kommunikationssystem, das eine Alternative oder eine ergänzende Technologie zu Hochfrequenz-Systemen wie WiFi und 5G bietet. Es gilt als eine vielversprechende Technik für sicherheitsrelevante Anwendungen, da die Lichtausbreitung auf einen Raum ohne Informationslecks beschränkt werden kann, im Gegensatz zur WiFi-Kommunikation, die Wände durchdringt. LiFi ist auch ein vielversprechender Kandidat für die Ultra-Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung in Umgebungen, in denen HF-Emissionen eingeschränkt werden, wie in Krankenhäusern, Schulen und Flugzeugen.
Die Einzel-Mikro-LED-Kommunikation bietet eine ultrahohe Datenübertragungsrate für eine Vielzahl neuen Anwendungen. Dazu gehören industrielle drahtlose Hochgeschwindigkeitsverbindungen in anspruchsvollen Umgebungen wie Fertigungsstraßen und Datenzentren sowie Steckverbinder ohne elektrische Kontakte oder die Chip-zu-Chip-Kommunikation. Aber ihre schwache optische Leistung beschränkt ihre Anwendungen auf die Kommunikation über kurze Entfernungen.

Das Know-how von CEA-Leti im Mikro-LED-Epitaxieprozess ermöglicht die Herstellung von Mikro-LEDs mit einer Größe von nur 10 Mikrometern. Je kleiner die emittierende Fläche der LED ist, desto höher ist die Kommunikationsbandbreite – 1,8 GHz im Single-
© CEA Leti

Das Know-how von CEA-Leti im Mikro-LED-Epitaxieprozess ermöglicht die Herstellung von Mikro-LEDs mit einer Größe von nur 10 Mikrometern. Je kleiner die emittierende Fläche der LED ist, desto höher ist die Kommunikationsbandbreite – 1,8 GHz im Single-Blue-MicroLED-Projekt des Instituts.

»Aufregendes Potenzial für Massenmarkt-Anwendungen«

Das Know-how von CEA-Leti im Mikro-LED-Epitaxieprozess ermöglicht die Herstellung von Mikro-LEDs mit einer Größe von nur 10 Mikrometern, was zu den kleinsten der Welt gehört. Je kleiner die emittierende Fläche der LED ist, desto höher ist die Kommunikationsbandbreite – 1,8 GHz im Single-Blue-MicroLED-Projekt des Instituts. Das Team produzierte auch eine fortschrittliche Mehrträgermodulation in Kombination mit digitaler Signalverarbeitung. Dieses Signal mit hoher Spektraleffizienz wurde von der einzelnen LED übertragen, auf einem Hochgeschwindigkeits-Photodetektor empfangen und mit einem Direktabtastoszilloskop demoduliert.
»Diese Technologie bietet ein aufregendes Potenzial für Massenmarktanwendungen«, erklärte Benoit Miscopein, Wissenschaftler bei CEA-Leti. »Multi-LED-Systeme könnten WiFi ersetzen, aber eine breite Einführung wird einen Standardisierungsprozess erfordern, um die Interoperabilität der Systeme zwischen verschiedenen Herstellern zu gewährleisten. Die ‚Light Communications Alliance‘ wurde 2019 gegründet, um die Industrie zur Umsetzung dieser Normung zu ermutigen«.

Versuchsanordnung des CEA-Leti für den Weltrekordversuch, bei dem eine einzelne blaue GaN-MikroLED einen Datendurchsatz von 7,7 Gbit/s erreichte.
© CEA Leti

Versuchsanordnung des CEA-Leti für den Weltrekordversuch, bei dem eine einzelne blaue GaN-MikroLED einen Datendurchsatz von 7,7 Gbit/s erreichte.

Neben einem eigenständigen, WiFi-ähnlichen Standard wird auch die Möglichkeit geprüft, dieses neue Verfahren als zusätzlichen Kommunikationskanal in den Downlink von 5G-NR, einer Funkzugangstechnologie für den 5G-Mobilfunk aufzunehmen, um ein weiteres lizenzfreies Band zu nutzen.
»Dies könnte machbar sein, weil die physikalische LiFi-Schicht von CEA-Leti auf den gleichen Konzepten beruht wie WiFi- und 5G-Technologien«, ergänzte Miscopein. »Matrizen mit Tausenden von Mikro-LEDs könnten auch den Weg für Anwendungen mit mittlerer bis großer Reichweite, wie z.B. drahtloser Mehrfachzugang in Innenräumen, eröffnen«. Um die Bandbreite der einzelnen Mikro-LEDs innerhalb einer Matrix zu erhalten, muss jedes Signal so nah wie möglich an der mikrooptischen Quelle erzeugt werden.
»Um dieser Herausforderung gerecht zu werden, erwarten wir, die MikroLED-Matrix mit einer anderen Matrix von CMOS-Treibern zu hybridisieren: ein einfacher CMOS-Treiber wird eine MikroLED ansteuern«, erläuterte Miscopein. »Dies wird auch die zusätzliche Funktion ermöglichen, jedes MikroLED-Pixel unabhängig zu steuern, und das ermöglicht neue Arten von Digital-zu-Optik-Signale, die den Bedarf an Digital-Analog-Wandlern eliminieren könnten, die üblicherweise in den herkömmlichen 'analogen' LiFi-Implementierungen verwendet werden«.
Während die »Light Communications Alliance« die Interoperabilität zwischen den LiFi-Systemen verschiedener Hersteller fördern wird, wird CEA-Leti seine Forschung in zwei Bereichen fortsetzen:

1.    Ein besseres Verständnis des elektrischen Verhaltens einzelner LEDs in Hochfrequenz-Umgebungen und des Zusammenhangs zwischen Bandbreite und Elektromigrationserscheinungen, sowie

2.    Techniken zur Verbesserung der Reichweite und/oder Erhöhung der Datenrate unter Verwendung von Multi-LED-emittierenden Geräten. Dies erfordert eine Anpassung der Signalerzeugung sowie einen CMOS-Interposer zur Ansteuerung der Matrix auf Pixelbasis.

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