Im jüngst gestarteten Verbundprojekt »T-KOS« der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland soll die Terahertz-Technologie nun erstmals synergetisch in den Bereichen Kommunikation und Sensorik für die Industrie erschlossen werden. Innovative Systemlösungen in beiden Bereichen können entscheidend dazu beitragen, gesellschaftliche Zukunftsthemen, wie Digitalisierung, Industrie 4.0 oder Ressourceneffizenz, erfolgreich umzusetzen und somit den Wirtschaftsstandort Deutschland langfristig zu stärken.

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 nutzbaren Bandbreite ist der zusätzliche Einsatz der 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 nicht-leitenden Materialien, wie etwa Keramik oder Kunststoffe, analog zu Ultraschall und Röntgen durchdringen, arbeiten jedoch ohne Koppelmedium, und benötigen weder aufwendige mechanische Führung noch Strahlenschutzmaßnahmen, da sie, anders als Röntgenstrahlen, für den menschlichen Organismus ungefährlich sind.

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.

Synergien nutzen um Innovationen zu ermöglichen

In dem am 1. Mai 2021 gestarteten Verbundprojekt »T-KOS« arbeiten insgesamt neun Kooperationspartner der FMD zusammen mit dem Fraunhofer ITWM daran, die Terahertz-Technologie für drahtlose Funkübertragung, zerstörungsfreie Prüftechnik, Spektroskopie und berührungslose Inline-Messtechnik synergetisch zu erschließen. Dazu werden die in der FMD verteilten technologischen Kompetenzen für Kommunikation und Sensorik zusammengeführt und durch Know-how im Bereich Signalverarbeitung erweitert um Industriekunden innovative Systemlösungen anbieten zu können. In der einjährigen Projektlaufzeit sollen so verschiedene Demonstratoren entwickelt werden, die die Zukunftsfelder Hochfrequenzelektronik, Terahertz-Photonik und drahtlose, hochbitratige Kommunikation adressieren.

Dr. Dirk Nüßler, Projektleiter und stellvertretender Institutsleiter des Fraunhofer FHR, erklärt: »Die übergeordneten Projektziele sind der Aufbau einer deutschen Wertschöpfungskette zu Terahertz-Funklinks, z.B. für die hochbitratige Kommunikation in der industriellen Produktion, die Inline-Überwachung von Produktionsprozessen mit KI-basierter, bildgebender Echtzeitverarbeitung für ressourceneffiziente Produktion und die erstmalige industrietaugliche Terahertz-Kommunikation und -Sensorik durch die Kombination skalierbarer elektronischer und photonischer Konzepte.«

Um diese Projektziele zu erreichen, ist das Projekt entlang dreier paralleler Entwicklungsstränge organisiert, die an Schlüsselstellen untereinander vernetzt sind. »Für die Entwicklungsstränge Terahertz-Photonik, Terahertz-Zeilenkamera und Terahertz-Kommunikation können innerhalb der vergleichsweise kurzen Projektlaufzeit von 12 Monaten verschiedene Demonstratoren realisiert werden, die weit über den aktuellen Stand der Technik hinausgehen.« erklärt Prof. Björn Globisch, Gruppenleiter am Fraunhofer HHI und Professor für »Terahertz-Sensorik« an der Technischen Universität Berlin.

Dr. Andreas Grimm, Technologiepark-Manager für Verbindungshalbleiter der FMD ergänzt abschließend: »Die bestehende Zusammenarbeit innerhalb der FMD ist die Grundlage für die Projektentwicklung gewesen, deshalb ist unsere Freude groß, dass wir durch die Förderung des BMBF erstmalig die Chance erhalten, die Synergien der Terahertz-Technologie zu heben und ein Angebot an die Industrie für verschiedene Anwendungen zu richten.«

Im Verbundprojekt »T-KOS« arbeiten die neun Kooperationspartner der FMD, Fraunhofer ENAS, HHI, FHR, IAF, IMS, IPMS und IZM sowie Leibniz FBH und IHP mit dem Fraunhofer ITWM zusammen. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Forschung und Bildung (BMBF) gefördert (Förderkennzeichen 16KIS1404K, 16KIS1405 und 16KIS1406).

Über die Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD)

Im Rahmen der FMD bündeln seit 2017 erstmalig elf Institute des Fraunhofer-Verbunds Mikroelektronik sowie die beiden Leibniz-Institute FBH und IHP gemeinsam ihre Expertise, um eine neue Qualität in der Erforschung, Entwicklung und (Pilot-) Fertigung von halbleiterbasierten Mikro- und Nanosystemen zu erreichen und auszubauen.

Die FMD ist mit mehr als 2.000 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der größte und weltweit führende FuE-Zusammenschluss für Anwendungen und Systeme der Mikro- und Nanoelektronik in Europa. Als globaler Innovationstreiber bietet die FMD eine einzigartige Kompetenz- und Infrastrukturvielfalt und trägt dazu bei, dass Deutschland und Europa einen Spitzenplatz in Forschung und Entwicklung einnehmen. Dabei schlägt sie die Brücke von der Grundlagenforschung über technologieübergreifende Gesamtlösungen bis hin zu kundenspezifischen Produktentwicklungen.

Die FMD bietet bereits jetzt innovative Antworten auf Zukunftsfragen in den Bereichen Transport & Mobilität, Gesundheit, Energie, Digitale Industrie, Digitales Leben sowie zivile & Arbeitssicherheit. Dabei werden in der FMD modernste Technologien aus den Bereichen Sensorsysteme, Extended CMOS, Microwave & Terahertz, Leistungselektronik, MEMS-Aktoren und optoelektronischer Systeme zu neuartigen Lösungen kombiniert und für die Anwendung vorbereitet. Durch die Struktur als One-Stop-Shop bietet die FMD all dies aus einer Hand an und dient dabei als zentraler Ansprechpartner für ihre Kunden und Partner.

In intensiver Zusammenarbeit mit Industrie, Forschung und Bildung hat der bisher einmalige Zusammenschluss der Kooperationspartner aus Fraunhofer-Gesellschaft und Leibniz-Gemeinschaft die wirtschaftliche und technologische Zukunftsfähigkeit, insbesondere von kleinen und mittelständischen Unternehmen, jederzeit fest im Blick.

Ein Beispielprojekt

Ein Laserkonzept für die Zukunft der Terahertz-Messtechnik

Für die Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie braucht man zwei variabel gegeneinander verzögerte Laserimpulse, um das Messsignal zeitaufgelöst abzutasten. Für die Zeitverzögerung sorgen entweder eine mechanische Verschiebeeinheit oder zwei Laserquellen. Wir haben jetzt ein Lasersystem entwickelt, das ohne mechanische Verfahreinheit auskommt und trotzdem nur einen Laser verwendet: das SLAPCOPS-System.

Die Mehrheit der in unserer Abteilung entwickelten und eingesetzten Systeme basiert auf Ultrakurzpulslasern in Verbindung mit optischen Verzögerungseinheiten. Diese beiden Komponenten werden benötigt, um Vorgänge auf der Pikosekundenskala zu erfassen. Eine Sekunde besteht aus einer Billion Pikosekunden, eine Zeitskala, die derzeit mit Elektronik nicht erreicht werden kann. Elektromagnetische Impulse mit der Dauer einer Pikosekunde sind eben diese Terahertz-Impulse, die es ermöglichen, Schichtdickenanalyse von Mehrschichtsystemen wie Automobillacke berührungslos und zerstörungsfrei zu realisieren. Ein fundamentaler Vorteil gegenüber anderen Technologien.

Niedrigere Kosten, höhere Messraten

Ultrakurzpulslaser und Verzögerungseinheit dominieren nach wie vor die Kosten vieler Terahertz-Messsysteme. Ein neuartiger Ansatz, der von unseren Forschenden erfunden und im Rahmen einer Promotion realisiert wurde, vereint diese beiden zu einer einzigen, günstigeren Komponente.

Neben den Kostenvorteilen hat das neue Messprinzip auch praktische Gründe: Es kann viel schneller gemessen werden. Darüber hinaus bietet das Verfahren ein hohes Maß an Flexibilität, um verschiedene Messprobleme schnell und unkompliziert zu lösen. So ermöglicht die patentierte Erfindung die Messung auch sehr dicker Schichten oder Wänden in einer einzelnen Messung, was bei konventionellen Terahertz-Messsystemen nicht ohne weiteres machbar ist. Die bisher eingesetzten optischen Systeme schaffen ca. 50 Messungen pro Sekunde, während ein SLAPCOPS-System über 1.000 Messungen pro Sekunde ermöglicht.
 

Internationaler wissenschaftlicher Erfolg

Wissenschaftlichen Erfolg hat SLAPCOPS bereits bei Präsentationen auf internationalen Konferen-zen und mehrere Veröffentlichungen in renommierten Journalen errungen. Schutzrechtsanmel-dungen und mehrere erteilte Patente auf diesem Gebiet sichern unser aufgebautes Knowhow.

Der Content wurde übernommen vom Fraunhofer-Institut und ihren Kooperationspartnern in Forschung und Entwicklung.

Georg Weigelt Marketing & PR Fraunhofer Institut

Dr. Daniel Molter / Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM

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