Neue Erkenntnisse zur Phononik könnten die nächste Generation von Kommunikationsgeräten neu definieren

Mit dem Internet, das weltweit seine Flügel ausgebreitet hat, könnten manche das Gefühl haben, dass die Tage des Kommunikationsbooms vorbei sind. Einige könnten sogar denken, dass es im Industriebereich der Kommunikationsgeräte, -lösungen und -services nichts mehr zu erreichen gibt.

Es ist wahr, dass wenn wir die Branche nur nach ihrer geschätzten Wachstumsrate beurteilen, sie minimal erscheinen würde. Aber das liegt lediglich daran, dass die Basismarktgröße, auf der wir das Wachstum berechnen, phänomenal hoch ist. Laut Prognosen wird der globale Markt für Kommunikationsdienste von US$1,5 Billion bis US$1,6 Billion zwischen 2024 und 2028.

Wachstum in einem Markt im Wert von mehreren Billionen Dollar kann nur durch kontinuierlich auftretende Durchbruchinnovationen in diesem Bereich erzielt werden. Eine solche Lösung nutzt Phononik, um kleinere, leistungsstarke Kommunikationsgeräte zu schaffen. Im Folgenden diskutieren wir diese Innovation, die von Forschern der University of Arizona, des Wyant College of Optical Sciences und der Sandia National Laboratories stammt.

Nächste Revolution in der drahtlosen Kommunikation mittels Phononik

Bevor wir die Innovation und ihre Details im Detail besprechen, versuchen wir, Phononik zu verstehen, die die wissenschaftliche Gemeinschaft definiert Phononik als “ein aufstrebendes Feld, das die Natur der intrinsischen mechanischen Bewegung sowohl in konventionellen als auch in künstlich strukturierten Materialien zu erläutern versucht und dieses Wissen nutzt, um die Grenzen der physikalischen Reaktion entweder auf Material- oder Struktur-/Geräteebene oder beides zu erweitern.”

Während die Kern‑wissenschaftliche Definition schwer zu begreifen sein mag, macht eine Analogie zur Photonik das Verständnis einfacher. Photonik nutzt Photonen, um den Fortschritt der optischen Technologie voranzutreiben. Auf dieselbe Weise nutzt Phononik Phononen, physikalische Teilchen, die mechanische Vibrationen durch ein Material mit fast unhörbarer hoher Frequenz übertragen.

In der von uns diskutierten Forschung konnten Wissenschaftler hochspezialisierte Halbleiter‑ und piezoelektrische Materialien kombinieren, um riesige nichtlineare Wechselwirkungen zwischen Phononen zu erzeugen. Anschließend setzten sie Verstärker für Phononen ein – aus demselben Material gefertigt – um effizientere, leistungsstärkere und kleinere drahtlose Geräte zu schaffen, darunter Smartphones und Datenübertrager.

Laut dem leitenden Autor der Studie, Matt Eichenfield, der eine gemeinsame Anstellung am Arizona College of Optical Sciences und den Sandia National Laboratories in Albuquerque, New Mexico, innehat:

“Die meisten Menschen würden wahrscheinlich überrascht sein zu hören, dass sich etwa 30 Filter in ihrem Handy befinden, deren einzige Aufgabe es ist, Funksignale in Schallwellen und zurück zu verwandeln.”

Jetzt, da die viel kleineren Phononik‑Materialien zum Einsatz kommen, wäre es möglich, den Bedarf an diesen vielen Filtern zu reduzieren, da ein Phononenstrahl die Frequenz eines anderen Strahls ändern kann.

Diese Errungenschaft entspricht der Vision der Forscher, alle für die Signalverarbeitung im Hochfrequenzbereich benötigten Komponenten aus akustischen Wellen‑Technologien statt transistorbasierter Elektronik zu produzieren. Das Ergebnis wäre, dass alles auf einem einzigen Chip untergebracht wird, kompatibel mit der Art und Weise, wie Standard‑Mikroprozessoren hergestellt werden.

Um die mögliche Auswirkung ihrer Innovation weiter zu erläutern, sagte Eichenfield:

“Jetzt können Sie auf jedes Bauteil in einem Diagramm eines Hochfrequenz‑Front‑End‑Prozessors zeigen und sagen: ‘Ja, ich kann all das auf einem Chip mit akustischen Wellen herstellen. Wir sind bereit, das gesamte Ganze in den akustischen Bereich zu verlagern.'”

Die Herstellung eines einzigen Chips, in den alles integriert ist, könnte die Kommunikationsgeräte und -gadgets nach Schätzungen von Eichenfield um das Hundertfache verkleinern.

Eine ähnliche Forschung wurde im vergangenen Jahr von einem Forscherteam der University of Michigan durchgeführt, das einen neuartigen rekonfigurierbaren Transistor entwickelte, der ein ferroelektrisches Halbleitermaterial in nanoskaliger Dicke verwendet.

Ferroelectric High Electron Mobility Transistor (FeHEMT) zur Verkleinerung von Kommunikationsgeräten in Smartphones

Das herausragende Merkmal des FeHEMT, das es besser macht als herkömmliche HEMTs, ist, dass es eine elektrische Polarisation aufrechterhalten kann, ähnlich der elektrischen Version des Magnetismus. Durch diese Verhaltensflexibilität können diese Halbleiter zwischen positiven und negativen Polen umschalten.

Da FeHEMT rekonfigurierbar ist, kann es als mehrere Geräte fungieren. Ein einzelner Verstärker kann die Aufgabe mehrerer Verstärker übernehmen, die jeweils für dynamische Steuerung bereitstehen. Diese Eigenschaft ermöglicht es den Forschern, die Schaltungsfläche des Geräts zu reduzieren und Kosten sowie Energieverbrauch zu senken.

Der Übergang von FeHEMT zu HEMT umfasste tiefgehende wissenschaftliche Untersuchungen sowie zahlreiche Versuche, Tests und Experimente. Der Halbleiter bestand aus Aluminium‑Nitrat, das mit Scandium dotiert war. Als erster nitratbasierter ferroelektrischer Halbleiter ermöglichte er eine nahtlose Integration mit dem nächsten Generation Halbleiter, Galliumnitrid. Die Ausgabe konnte Geschwindigkeiten erreichen, die bis zu 100‑mal höher als bei Silizium waren. Er war nicht nur hochgeschwindig, sondern auch äußerst effizient und kostengünstig.

Ping Wang, Forschungswissenschaftler im Bereich Elektrotechnik und Computertechnik und ebenfalls Mit‑Korrespondenzautor der Forschung, sagte:

“Durch das Hinzufügen von Ferroelektrizität zu einem HEMT können wir das Schalten schärfer machen. Dies könnte viel geringeren Stromverbrauch zusätzlich zu hoher Verstärkung, was zu deutlich effizienteren Geräten führt.”

In einem weiteren Beispiel für den Bau präziser Kommunikationshardware mit transformativen Potenzialen konnte ein Team von Forschern der Elektrotechnik und Computertechnik an der University of Michigan den ersten Millimeter‑Skalen‑Sender und die Antenne bauen, die Bluetooth Low Energy mühelos kommunizieren kann.‘

Klicken Sie hier, um zu erfahren, wie mikrometrische Photovoltaikzellen den Weg für die Miniaturisierung von Geräten ebnen könnten.

Bau des ersten Millimeter‑Skalen‑Senders und der Antenne

Prof. David Wentzloff leitete das Team und die Forschung, um schließlich das erste Millimeter‑Skalen‑Gerät zu entwickeln, das präzise mit Bluetooth Low Energy kommunizieren kann. Der Sender und die Antenne verbrauchten während der Übertragung nur 606 Mikrowatt, also 0,6 Milliwatt zusammen. Das System erreichte diese Skalierung, indem der Verstärker überflüssig oder redundant gemacht wurde, indem eine einzigartige Kombination aus Oszillator und Antenne geschaffen wurde.

Während er das Potenzial der Erfindung erklärte, sagte Prof. Wentzloff: 

“Ich bin begeistert von den zukünftigen Forschungsrichtungen, die durch das Entfernen der drahtlosen Konnektivitätsbarriere eröffnet werden!”

Diese Errungenschaft wird neue Wege im Bereich des IoT schaffen und seine Akzeptanzfähigkeit erheblich steigern.

Die Erfindung war auch entscheidend für die Flaggschiff‑Innovation der Universität, den Michigan Micro Mote (M3), den weltweit ersten Millimeter‑Skalen‑Computer. Mit einem solchen Sender, der in den M3 integriert ist, wird die Kommunikation mit einem herkömmlichen Smartphone effizienter.

Bei der Erklärung seiner Nutzbarkeit sagte Wentzloff: 

“Dieses Radio fügt die erste standardkonforme Kommunikation zum M3‑Stack hinzu. Dies ermöglicht es uns, M3‑Geräte schneller einzusetzen und erfasste Daten leichter in die Cloud zu übertragen, indem wir direkt mit einem Smartphone verbinden.”

Solche herausragende Forschung wird die Kommunikationsstandards für die nächste Generation revolutionieren. Globale Unternehmen investieren Forschung und Ressourcen, um Kommunikationsgeräte zukunftsfähig zu machen. Diese Unternehmen können enorm von diesen Studien und Experimenten profitieren. In den nachfolgenden Abschnitten diskutieren wir einige dieser Unternehmen.

#1. Nokia

Nokia verfügt über ein umfangreiches Portfolio an Kommunikationsgeräten. Wenn es um herausragende Platzoptimierung geht, hebt sich eine Produktreihe besonders ab: AirScale Small Cells.

Nokia besitzt das umfangreichste Small‑Cell‑Portfolio der Branche, mit Radios, die optimiert sind, um Mobilfunkbetreiber und Unternehmen in allen Einsatzszenarien zu unterstützen. Auch bekannt als AirScale Shikra Radios, sind diese in Form von Millimeter‑Wellen‑Radios und Pico‑Radios für Innenlösungen erhältlich.

Die Shikra‑Radios sind klein und leicht zu installieren, entweder eigenständig oder in Kombination, wobei ihre für Small‑Cells optimierten Baseband‑Einheiten den Netzausbau beschleunigen. Aufgrund ihrer kompakten Bauweise sind die mmWave‑Radios in einer Vielzahl von Standorten einsatzbereit, darunter dichte städtische Gebiete, Einkaufszentren, Sportarenen und andere große öffentliche Veranstaltungsorte, bei denen extreme Kapazität ein entscheidendes Kriterium ist.

Die Pico‑Radios sind eine Innenlösung, die eine Reihe von Unternehmensanwendungen abdeckt, mehrere Funkzugangstechnologien und flexible Netzwerkkonfigurationen unterstützt. Nokia bietet zudem All‑in‑One‑Small‑Cell‑Lösungen, die keine separate Baseband‑Einheit benötigen und eine einfache Plug‑and‑Play‑Installation sowie flexible Bereitstellung sowohl für Innen- als auch Außenbereiche ermöglichen.

Für das Geschäftsjahr 2023, Meldete Nokia einen Jahresumsatz von EUR 22,258 Milliarden, ein erheblicher Rückgang gegenüber dem Vorjahr von EUR 24,91 Milliarden. Der operative Gewinn sank ebenfalls von EUR 3,109 Milliarden im Geschäftsjahr 2022 auf EUR 2,375 Milliarden im Geschäftsjahr 2023.

#2. Motorola Solutions

Motorola ist ein Vorreiter bei der Einführung futuristischer, anspruchsvoller und hochmoderner Kommunikationsgeräte. Ein Gerät, das besonders von dieser Forschung profitieren und die Grenzen weiter verschieben könnte, ist Motorolas TLK 25 Wearable‑Kommunikationsgerät. Es wiegt nur 73 Gramm und misst 3,2 × 1,9 × 0,7 cm.

Im Kern ist das TLK 25 ein tragbares WAVE‑PTX‑Gerät, das über die Push‑to‑Talk‑Funktionen eines Walkie‑Talkies hinausgeht. Diese Geräte sind kompakt, robust und mit einem intuitiven Sprachassistenten ausgestattet. Das Gerät verfügt über Wi‑Fi‑Konnektivität und nutzt bei fehlendem Wi‑Fi das landesweite LTE. Der intuitive Sprachassistent ermöglicht freihändige Nutzung von Kommunikation, Geräteeinstellungen, Sicherheitsfunktionen, Statusanzeigen, Benachrichtigungen und Warnungen.

Die TLK 25‑Produktreihe von Motorola zeichnet sich durch ihre Kompaktheit und die Kürze der Funktionen aus. Diese Geräte würden enorm von Forschung und Übertragungslösungen profitieren, die sie schlanker und effizienter machen.

Im vierten Quartal 2023, meldete Motorola Solutions (MSI ) Nettoumsatz von US$2,85 Milliarden, während der Jahresumsatz für 2023 fast US$10 Milliarden betrug. Das operative Ergebnis für das Jahr 2023 stieg auf US$2,784 Milliarden gegenüber US$2,368 Milliarden im Jahr 2022.

Die Rolle von Kommunikationsgeräten in unserer modernen Welt

Es wäre für die menschliche Zivilisation schwierig zu überleben, ohne funktionierende Mittel und Werkzeuge für effiziente Kommunikation. Die Kommunikationsgeräte der nächsten Generation müssen zahlreiche Eigenschaften entwickeln, um für die Zukunft besser einsetzbar zu sein.

Diese Geräte müssten beispielsweise bereit sein, den härtesten Bedingungen standzuhalten. Sie müssten effizient genug sein, um jede bisher in diesem Bereich erzielte Innovation zu integrieren, insbesondere bei der gleichzeitigen Verarbeitung von Sprache, Video und Datenströmen.

Während sie all diese Dienste bereitstellen, dürfen diese Geräte ihre Integrität nicht gefährden. Mit anspruchsvollen Sicherheitssystemen, die verantwortungsbewusst entwickelte KI‑Analysen nutzen, ist dies kein Problem mehr.

Allerdings dürfen all diese Eigenschaften und Funktionen nicht zu Geräten führen, die viel Platz einnehmen, schnell überhitzen oder teuer in der Herstellung sind.

Kommunikationsgeräte der nächsten Generation werden sich weiterentwickeln, wobei diese Aspekte berücksichtigt werden. Bereits sind neue Technologiemodelle entstanden, die diese Evolution beschleunigen könnten. Beispielsweise wird viel über Technologien wie Visible Light Communication (VLC)/Li‑Fi gesprochen, bei denen die Datenübertragung über Licht statt über Funksignale bei hohen Geschwindigkeiten durch kleine Anpassungen der Intensität erfolgt.

Diese Lösungen bieten sehr hohe Geschwindigkeiten, die die Bandbreitenkapazitäten konventioneller Kommunikation übertreffen. Da sie über den traditionellen Modus hinausgehen, können verbesserte Sicherheits- und Zuverlässigkeitsstandards erreicht werden. Forscher glauben, dass solche Lösungen ideal für das Militär wären.

Abgesehen von der Hardware für die Datenübertragung wurden erhebliche Fortschritte im Bereich der Sensortechnologien erzielt. Diese Technologien würden helfen, die bestehende IoT‑ und Automatisierungsinfrastruktur zu aktualisieren.

Laut Daten, die von ASSIA Inc. präsentiert wurden, ist der Anstieg des PC/Telefon‑Upload‑Verkehrs seit Beginn März 2024 so hoch wie 80 % in den Vereinigten Staaten allein . Die Welt hat sich stark mehr virtuell als sie war vor der COVID‑19‑Pandemie. Webcams, PCs und Laptops streamen ständig Video. Die Bereitstellung von Gesundheits-diensten, Bildungs-und anderen Notfall-services ist viel virtueller geworden. Die Bewältigung dieser Situationen erfordert deutlich platzoptimiertere und effizientere Geräte. Sie müssten zudem 5G‑bereit sein.

Organisationen und Unternehmen müssen weiterhin Ressourcen und Forschung investieren, um die Kommunikation der nächsten Generation effizienter und kostengünstiger zu gestalten.

Klicken Sie hier, um zu erfahren, wie fortschrittliche Photonik helfen kann, ein besseres Smartphone zu bauen.