Durchbruch! Ein weit-ultraviolettes LED‑System erreicht eine rekordverdächtige Datenübertragungsrate von 1,5 Gbit/s.

Forscher des Ferdinand‑Braun‑Instituts – Leibniz‑Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) in Berlin, des Instituts für Photonik der University of Strathclyde im Vereinigten Königreich sowie des LiFi‑Forschungszentrums der Universität Cambridge haben mit neuartigen far‑UVC‑Leuchtdioden (LED) Datenübertragungsraten von bis zu 1,5 Gbit/s erreicht. Diese Bauelemente wurden vom FBH entwickelt und stellen im Bereich der drahtlosen Lichtkommunikation bei Wellenlängen unter 235 nm einen neuen Geschwindigkeitsrekord auf.

Die Far‑UVC‑Technologie bietet einzigartige Vorteile für die Kommunikation im Freien: Im entsprechenden Spektralbereich erzeugt das Sonnenlicht nahezu kein Störlicht. Daher verspricht diese Technologie zuverlässige drahtlose Lichtverbindungen im Außenbereich und kann insbesondere dort ergänzend eingesetzt werden, wo Funkkommunikation an ihre Leistungsgrenzen stößt. Autonome Fahrzeuge, Drohnen, vernetzte Industriemaschinen, Roboter sowie Anwendungen im Zivilschutz sind auf zuverlässige drahtlose Datenverbindungen angewiesen. Zugleich konkurrieren immer mehr Systeme um die begrenzten Frequenzressourcen.

Drahtlose Lichtkommunikation kann Funktechnologien wirksam ergänzen. Allerdings stehen Systeme, die sichtbares oder infrarotes Licht nutzen, im Außenbereich vor einer großen Herausforderung: Die Sonne sendet ebenfalls Strahlung in diesen Wellenlängenbereichen aus. Diese solare Hintergrundstrahlung kann optische Signale stören und eine zuverlässige Datenübertragung erschweren. Daher müssen solche Systeme häufig Laserstrahlen präzise ausrichten.

UVC‑Kommunikation unbeeinträchtigt durch solare Hintergrundstrahlung

Im Bereich unter 280 nm wird die solare Strahlung größtenteils von der oberen Atmosphäre absorbiert, sodass kaum noch Sonnenstrahlung die Erdoberfläche erreicht. Dadurch ist die drahtlose Lichtkommunikation mit UVC‑Licht im Wesentlichen unempfindlich gegenüber solaren Hintergrundsignalen. In diesem Experiment setzten die Forscher far‑UVC‑Licht mit Wellenlängen unter 235 nm ein. Diese Strahlung wird von den oberflächennahen, nicht lebendigen Gewebeschichten der Haut stark absorbiert; im Vergleich zu längerwelliger UV‑Strahlung dringt sie deutlich weniger tief in lebende Gewebe ein. Daher gilt diese Art von UV‑Licht als besonders sicher für die menschliche Gesundheit und eignet sich für Anwendungen, bei denen Geräte in unmittelbarer Nähe zum Menschen betrieben werden.

Optimierung von far‑UVC‑LEDs für praktisch nutzbare Datenübertragungsraten

Dr. Jan Ruschel, leitender Wissenschaftler am FBH, erklärt: „Wir haben die LED speziell für Anwendungen in diesem Spektralbereich optimiert. Die Lichtausgangsleistung dieser Bauelemente liegt im internationalen Vergleich auf hohem Niveau, und sie ermöglichen eine besonders schnelle Modulation. Das macht sie ideal für den optischen Datenaustausch sowohl im Innen- als auch im Außenbereich.“ Dazu teilte das FBH‑Team die emittierende Oberfläche der far‑UVC‑LED in zahlreiche kleinere Bereiche auf. Dieses Design senkt die Sperrkapazität und erhöht die Stromdichte. Im Vergleich zu herkömmlichen Bauelementen mit größerer Leuchtoberfläche bieten diese LEDs daher eine höhere Modulationsbandbreite.

Far‑UVC‑LED mit Linse und Reflektor

Forscher der University of Strathclyde und der Universität Cambridge bauten mit diesen LED eine drahtlose Lichtkommunikationsanlage auf und testeten sie. Unter direkter Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger erreichte das System bei einer Übertragungsstrecke von 30 cm Datenübertragungsraten von bis zu 1,5 Gbit/s. Diese Messungen unter realistischen Innenraumbedingungen stellten einen neuen Rekord für Datenübertragungsraten in dieser kurzwelligeren Lichtkommunikation auf.

Die Arbeiten wurden im Rahmen des britischen Nationalen Telekommunikationsforschungsprojekts TITAN durchgeführt. Das Projekt wird von der Universität Cambridge koordiniert und vom Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) finanziert. Kürzlich präsentierten die Forscher ihre Ergebnisse auf einem internationalen Symposium zu Kommunikationssystemen, Netzwerken und digitaler Signalverarbeitung. (Paper DOI: 10.1109/CSNDSP68462.2026.11654373)

Nächste Schritte: Nicht‑Sichtverbindung über größere Entfernungen

Die Far‑UVC‑Technologie könnte zudem einen weiteren Vorteil bieten. Moleküle in der Luft streuen Licht – ein Phänomen, das als Rayleigh‑Streuung bezeichnet wird und bei kürzeren Wellenlängen tendenziell stärker ausgeprägt ist. Selbst wenn Sender und Empfänger nicht direkt ausgerichtet sind oder Hindernisse den direkten Sichtweg blockieren, kann ein Teil des Signals dennoch den Empfänger erreichen. Diese Eigenschaft macht UVC‑Licht besonders geeignet für die Erforschung sogenannter Nicht‑Sichtverbindungskommunikation. Die Forscher wollen nun klären, inwieweit far‑UVC‑LEDs diese Fähigkeit nutzen können. Zudem planen sie, Sender und Empfänger weiter zu optimieren, um längere, praktisch nutzbare Übertragungsstrecken zu ermöglichen und die Auswirkungen atmosphärischer Bedingungen auf die Signalübertragung zu untersuchen. Ruschel betont: „Die Erreichung praktisch nutzbarer Datenübertragungsraten ist ein wichtiger erster Schritt. Als nächstes möchten wir die tatsächlich verfügbaren Reichweiten und Umgebungsbedingungen für UVC‑Kommunikation bestimmen und insbesondere erforschen, wie effektiv diese Technologie ohne direkte Sichtverbindung sein kann.“

Relevanz der Forschung

Im Gesamtkontext ist nicht allein die Übertragungsrate von 1,5 Gbit/s bemerkenswert, sondern vielmehr das Potenzial der far‑UVC‑LED für Anwendungen in der kurzwelligeren drahtlosen Lichtkommunikation.

Zwei Punkte sollten besonders beachtet werden:

• Die 1,5 Gbit/s sind Ergebnisse eines Experiments unter 30 cm Sichtverbindung und stellen keine bereits realisierte Fernkommunikation im Freien dar. Für die praktische Anwendung müssen Reichweite, Linkverluste, Empfangsempfindlichkeit, Bitfehlerrate sowie Umweltverträglichkeit noch geprüft werden.

• Nicht‑Sichtverbindung gehört derzeit zur weiteren Forschung und ist noch nicht als bewährtes Ergebnis dieses Artikels anzusehen. Die stärkere Rayleigh‑Streuung bei kurzen Wellenlängen kann zwar helfen, den direkten Sichtweg zu umgehen, doch gleichzeitig geht dabei Energie verloren; die tatsächliche Effektivität muss experimentell bestätigt werden. Zudem muss die biologische Sicherheit von UVC‑Licht unter Berücksichtigung von Wellenlänge, Bestrahlungsstärke, Expositionszeit und geltenden Sicherheitsstandards bewertet werden – man kann nicht alle Einsatzbedingungen pauschal als sicher einstufen, nur weil die Eindringtiefe geringer ist.

Aus Sicht der UV‑LED‑Industrie liegt die entscheidende Bedeutung dieser Forschung darin, die Hochgeschwindigkeitsmodulationsfähigkeit von far‑UVC‑LEDs durch strukturelle Optimierung zu steigern und neue Anwendungsbereiche für UVC in der drahtlosen Lichtkommunikation zu erschließen. Sie liefert experimentelle Grundlagen dafür, dass far‑UVC‑LEDs über traditionelle Anwendungen wie Desinfektion hinaus auch in der Hochgeschwindigkeits‑Lichtkommunikation eingesetzt werden können – doch bis zur Marktreife kommerzieller Kommunikationsprodukte bleiben noch einige technische Herausforderungen zu bewältigen.

Quelle: csa-uv