T-KOS – Terahertz-Technologien für Kommunikation und Sensorik

© Fraunhofer Mikroelektronik

In unserer digitalisierten, hochtechnisierten Lebens- und Arbeitswelt ist die Verfügbarkeit von Kommunikations- und Datenverbindungen eine Grundvoraussetzung. Durch die zunehmende Mobilität der Nutzer, die flexible Nutzung von breitbandigen Multimediainhalten (z.B. Entertainment, Medizin, Logistik) und Zukunftstechnologien, wie das Internet of Things oder autonomes Fahren, wachsen sowohl das Datenaufkommen in Mobilfunknetzen als auch die Anforderungen an die Kommunikationsnetze selbst. Eine vielversprechende Möglichkeit für die Erhöhung der Datenkapazität und der nutzbaren Bandbreite ist der zusätzliche Einsatz von Terahertz-Technologien. Diese bildet nicht nur im Bereich der Funksysteme die Grundlage für Innovation, sondern auch im Bereich der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP). Terahertz-Wellen können die meisten elektrisch nichtleitenden Materialien, wie etwa Keramik oder Kunststoffe, analog zu Ultraschall und Röntgen durchdringen, können jedoch deutlich vorteilhafter sein, da sie zum Beispiel kein Koppelmedium oder Strahlenschutzmaßnahmen benötigen.

Obwohl Terahertz-Strahlung für vielfältige Einsatzgebiete, zum Beispiel in der Sicherheitstechnik, Qualitätssicherung oder Materialprüfung, prädestiniert ist, scheiterte die industrielle Einführung bisher an der fehlenden Verfügbarkeit preiswerter, schneller und hochauflösender Systeme mit optimierten, KI-basierten Bilderkennungs-Algorithmen. Hier setzt das von der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) initiierte und vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 10 Millionen Euro geförderte Projekt »T-KOS« an.

Terahertz-Zeilenkamera für die industrielle Echtzeit-Bildgebung

Ziel dieses Entwicklungsstrangs ist die skalierbare Heterointegration von Siliziumgermanium- (SiGe-) und Indiumphosphid- (InP-) Chips. Zusammen mit einer echtzeitfähigen, KI-basierten Signalverarbeitung soll ein Hochgeschwindigkeits-Inline-Messsystem für die zerstörungsfreie Überwachung von Produktionsprozessen bei gleichzeitig hoher Bildqualität entwickelt werden. Die verwendeten Technologien erlauben einen zukünftigen Einsatz in Produktionsanlagen mit Bandgeschwindigkeiten von mehr als 10 m/s. Im Rahmen des Systemdemonstrators wird der Nachweis der Funktionalität für Bandgeschwindigkeiten von 1 m/s – 2 m/s erbracht. Hier werden Frequenzen um 300 GHz eingesetzt, um eine hohe Eindringtiefe in die zu untersuchenden Bauteile bei gleichzeitig hoher lateraler Auflösung zu gewährleisten. In diesem Entwicklungsstrang werden die Kompetenzen von FHR (Radarsysteme und Signalverarbeitung), FBH (InP-Elektronik), IAF (Terahertz-Frontends), IHP (SiGe-Technologie), IMS (KI-basierte Signalverarbeitung), ENAS (Funktionstests und Systemanalyse), IZM (industrielles Packaging), IPMS (Si-MMICs und low-power ASICS) und 7 ITWM (Terahertz-Messsysteme, schnelle Radar-Bildgebungsalgorithmen) miteinander kombiniert. Die Schnittstelle zwischen Signalverarbeitung und Sensorhardware wird dabei so ausgelegt, dass die in 1. entwickelten Methoden zur Bildrekonstruktion ebenso für diesen Entwicklungsstrang eingesetzt werden können. So entsteht ein modulares Systemkonzept für die Terahertz-Bildgebung für photonische und elektronische Komponenten.

 

Videorückblick zum Projekt

Vorstellung der THz-Technologien, Funktionsdemonstratoren und ein Ausblick in die Zukunft

Forschungsergebnisse der Spitzenklasse, neuste Demonstratoren für industrielle Anwendungen, innovative Systemlösungen und gezielte Wege in die zukünftige Verwertung der Terahertz-Technologien (THz) – den Gästen des FMD Digital-Events zum Abschluss des Verbundprojekts »T-KOS – Terahertz-Technologien für Kommunikation und Sensorik« wurde am 26.01.2023 ein umfassender Rundumblick zu den Potenzialen der Technologie geboten.

Einleitung: Terahertz-Technologien – Spitzenforschung für industrielle Anwendungen der Zukunft

In seinem einleitenden Beitrag beantwortet Prof. Wolfang Heinrich, Leiter der Abteilung Mikrowellentechnik am FBH und Professor für Höchstfrequenztechnik an der TU Berlin, was Terahertz grundsätzlich ist und warum die Zeit gekommen ist, die Technologien immer mehr in die Praxis zu bringen. Hierzu haben wir den gesamten Bogen von der Bauelementtechnologie, über die Integrationsfragen in Aufbau- und Verbindungstechnik bis hin zur Anwendung von THz-Technologien in Kommunikation und Sensorik gespannt.

THz-Inline Messtechnik: Automatisierte bildgebende Prüfung mittels Terahertz-Zeilenkamera

In seinem Video demonstriert Dr. Fabian Friederich, Leiter der Arbeitsgruppe Elektronische Terahertz-Messtechnik am Fraunhofer ITWM, wie zerstörungsfreie Prüfung und Charakterisierung (z.B. von Verpackungsmaterialien) in der Produktion in Echtzeit funktioniert. 

Dabei zeigt er auf, warum THz-Technologien für diese Art der Prüfungen u.a. in Produktionsstrassen ideal geeignet sind und wie die technische Umsetzung, sowohl von Hardware-Seite als auch im Bereich Datenerfassung und Auswertung gelingen kann.

Ein Blick die Zukunft – wie sehen die nächsten Forschungsfragen und Herausforderungen aus

Im Vorfeld der Veranstaltung haben wir unsere Experten gefragt, wie es mit den THz-Technologien aus ihrer Perspektive weitergeht und dabei weitere Einschätzungen zu den Zukunftspotenzialen eingesammelt.

PROJEKTTITEL

T-KOS – Terahertz-Technologien für Kommunikation und Sensorik

LAUFZEIT

2021 – 2024

FÖRDERMITTELGEBER

Bundesministerium für Forschung und Bildung (BMBF)

Förderkennzeichen: 16KIS1404K, 16KIS1405 und 16KIS1406

KOORDINATOR

Fraunhofer FHR
Projektleiter: Dr. Dirk Nüßler

ZIEL

  • Aufbau einer deutschen Wertschöpfungskette für neue 6G Terahertz-Funklösungen mit Nutzerübertragungsrate von mind. 100 Gbit/s
  • Inline-Überwachung von Produktionsprozessen mit KI-basierter, bildgebender Echtzeitverarbeitung für ressourceneffiziente Produktion
  • Kombination skalierbarer elektronischer und photonischer Konzepte für industrietaugliche Lösungen