Terahertz-communicatie: de sleuteltechnologie voor extreme 6G-snelheden

Terahertz-communicatie geldt als een van de meest veelbelovende en tegelijkertijd uitdagende technologieën voor de zesde generatie mobiele netwerken. Door gebruik te maken van het vrijwel onbenutte elektromagnetische spectrum tussen 100 GHz en 10 THz opent deze technologie de deur naar datasnelheden die vandaag de dag onvoorstelbaar zijn. Voor de eerste 6G-implementaties is het sub-THz-bereik (100-300 GHz) het meest realistisch; hogere frequenties volgen in latere fases. In dit artikel bespreken we de werking, voordelen, uitdagingen en het huidige onderzoek naar THz-communicatie voor 6G.

Wat is terahertz-communicatie?

Terahertz-communicatie verwijst naar draadloze datatransmissie die gebruikmaakt van elektromagnetische golven in het terahertz-frequentiebereik. Dit deel van het spectrum bevindt zich tussen de microgolven (die worden gebruikt voor huidige mobiele netwerken en Wi-Fi) en infrarood licht. De term "terahertz" verwijst naar frequenties in de orde van 10¹² hertz, oftewel biljoenen trillingen per seconde.

Historisch gezien werd het terahertz-bereik wel de "terahertz gap" genoemd, omdat er lange tijd geen geschikte bronnen en detectoren bestonden om dit deel van het spectrum effectief te benutten voor communicatie. Dankzij recente doorbraken in halfgeleidertechnologie, fotonische systemen en geavanceerde signaalverwerking is het nu mogelijk geworden om THz-golven te genereren, moduleren en detecteren met voldoende efficiëntie voor praktische communicatietoepassingen.

Voor 6G-netwerken vormt terahertz-communicatie de basis voor de beloofde datasnelheden van honderden gigabits tot meer dan een terabit per seconde. Dit maakt toepassingen mogelijk die met huidige technologie simpelweg onhaalbaar zijn, van realtime holografische communicatie tot onmiddellijke synchronisatie van complexe digital twins.

Het terahertz-frequentiebereik

Het terahertz-spectrum omspant het frequentiebereik van 0,1 THz (100 GHz) tot 10 THz (10.000 GHz). Ter vergelijking: 4G-netwerken opereren typisch op frequenties tussen 0,7 en 2,6 GHz, en 5G-millimetergolfcommunicatie gebruikt frequenties tot maximaal 71 GHz. Het terahertz-bereik biedt daarmee een enorme, grotendeels onbenutte hoeveelheid spectrum.

Binnen dit brede bereik zijn bepaalde frequentiebanden bijzonder geschikt voor communicatie. De sub-THz band (100-300 GHz) wordt gezien als de meest haalbare voor de eerste generatie 6G-systemen, omdat de atmosferische absorptie hier relatief beheersbaar is. De D-band (110-170 GHz) en de G-band (140-220 GHz) zijn frequentiebanden die actief worden onderzocht voor 6G-backhaul en korteafstandscommunicatie.

Bij hogere frequenties neemt de beschikbare bandbreedte toe, maar worden de uitdagingen op het gebied van signaalverzwakking en atmosferische absorptie ook groter. Het bereik boven 300 GHz wordt daarom voornamelijk onderzocht voor zeer korteafstandstoepassingen, zoals chip-naar-chip communicatie, draadloze verbindingen in datacenters en nano-netwerken.

Voordelen van THz-communicatie

Het belangrijkste voordeel van terahertz-communicatie is de enorme beschikbare bandbreedte. In het terahertz-bereik zijn continue frequentieblokken van tientallen gigahertz beschikbaar, terwijl in de huidige mobiele banden kanaalbreedtes van enkele honderden megahertz al als breed gelden. Deze gigantische bandbreedte vertaalt zich direct naar extreem hoge datasnelheden.

Daarnaast bieden terahertz-golven door hun korte golflengte een zeer hoge ruimtelijke resolutie. Dit maakt het mogelijk om extreem gerichte bundels te vormen (beamforming) met compacte antennes. Een antennearray van slechts enkele vierkante centimeters kan op terahertz-frequenties al duizenden antenne-elementen bevatten, waardoor zeer precieze bundelvorming mogelijk is.

De hoge frequenties maken ook spectrale hergebruik op kleine schaal mogelijk. Omdat THz-signalen snel verzwakken, kunnen nabijgelegen cellen dezelfde frequenties gebruiken zonder interferentie. Dit vergroot de totale netwerkcapaciteit per vierkante kilometer enorm, wat essentieel is voor de verwachte 6G-snelheden in dichtbevolkte gebieden.

Technische uitdagingen

Atmosferische absorptie en bereik

De grootste uitdaging van terahertz-communicatie is het beperkte bereik. THz-golven worden sterk geabsorbeerd door watermoleculen in de atmosfeer. Bij bepaalde frequenties, zoals rond 557 GHz en 752 GHz, is de absorptie zo sterk dat communicatie over meer dan enkele meters praktisch onmogelijk is. Zelfs in de gunstigere frequentievensters is het effectieve bereik beperkt tot enkele tientallen tot honderden meters in buitenomgevingen.

Regen, mist en hoge luchtvochtigheid versterken de signaalverzwakking aanzienlijk. Dit maakt terahertz-communicatie in het Nederlandse klimaat, dat gekenmerkt wordt door frequente neerslag en hoge luchtvochtigheid, extra uitdagend. Onderzoekers werken aan adaptieve systemen die automatisch schakelen tussen frequentiebanden en communicatiemodi op basis van weersomstandigheden.

Bovendien kunnen THz-signalen niet door vaste objecten zoals muren, meubels of zelfs menselijke lichamen dringen. Dit betekent dat directe zichtlijn (line-of-sight) tussen zender en ontvanger in de meeste gevallen noodzakelijk is, wat de inzet van aanvullende technologieën zoals Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS) cruciaal maakt.

Hardware-uitdagingen

Het ontwikkelen van betaalbare, energiezuinige hardware voor terahertz-communicatie is een aanzienlijke technische horde. Huidige THz-bronnen en detectoren zijn vaak groot, duur en energieverslindend. Voor toepassing in mobiele apparaten is miniaturisatie en efficiëntieverbetering essentieel.

Er zijn verschillende technologische benaderingen in ontwikkeling. Elektronische oplossingen op basis van geavanceerde CMOS- en SiGe-technologie bieden integratiemogelijkheden met bestaande chiparchitecturen, maar bereiken momenteel beperkte vermogensniveaus op de hoogste frequenties. Fotonische benaderingen bieden hogere vermogens maar zijn moeilijker te integreren. Hybride elektronisch-fotonische systemen combineren de voordelen van beide en worden gezien als de meest veelbelovende route naar praktische THz-transceivers.

Huidige stand van onderzoek

Het terahertz-onderzoek voor 6G bevindt zich in een fase van versnelde ontwikkeling. Wereldwijd zijn tientallen onderzoeksgroepen en bedrijven actief bezig met het overbruggen van de kloof tussen laboratoriumdemonstraties en praktische systemen.

In 2024 en 2025 zijn er belangrijke mijlpalen bereikt. Onderzoeksteams hebben datatransmissies van meer dan 100 Gbps gedemonstreerd op afstanden tot enkele honderden meters. Integrated circuit-ontwerpen in geavanceerde CMOS-nodes maken THz-transceivers steeds compacter en energiezuiniger. Japanse onderzoekers hebben prototypes getoond die op 300 GHz opereren met snelheden boven 200 Gbps.

Grote telecomfabrikanten zoals Samsung, Nokia, Ericsson en Huawei investeren fors in THz-onderzoek. Samsung heeft een visie gepresenteerd waarbij terahertz-communicatie de ruggengraat vormt van het 6G-toegangsnetwerk, terwijl Nokia en Ericsson werken aan hybride architecturen die THz combineren met sub-6 GHz en millimetergolven. De grootste 6G-bedrijven zien terahertz unaniem als een onmisbare bouwsteen.

Toepassingen van terahertz in 6G

De unieke eigenschappen van terahertz-communicatie maken een reeks baanbrekende toepassingen mogelijk. Holografische communicatie, waarbij driedimensionale beelden in realtime worden verzonden, vereist datasnelheden van meerdere terabits per seconde. Alleen het terahertz-bereik biedt de bandbreedte die hiervoor nodig is.

Draadloze verbindingen in datacenters vormen een andere veelbelovende toepassing. De huidige bekabeling in datacenters beperkt de flexibiliteit en schaalbaarheid. Terahertz-verbindingen kunnen draden vervangen met snelheden van honderden gigabits per seconde over korte afstanden, wat de architectuur van datacenters fundamenteel kan veranderen.

Verder maken terahertz-frequenties het mogelijk om digital twins in realtime te synchroniseren, wat essentieel is voor geavanceerde industriele automatisering. In het domein van beeldvorming en sensing bieden THz-golven unieke mogelijkheden voor niet-invasieve inspectie van materialen, veiligheidsscreening en medische diagnostiek. De kruisbestuiving tussen communicatie en sensing is een belangrijk onderzoeksgebied dat nauw verbonden is met het ISAC-concept.

Terahertz-onderzoek in Nederland en Europa

Nederland speelt een actieve rol in het Europese terahertz-onderzoek. De Technische Universiteit Delft, Technische Universiteit Eindhoven en de Universiteit Twente hebben onderzoeksgroepen die werken aan THz-componenten, antennes en systeemarchitecturen. TNO draagt bij aan toegepast onderzoek en het vertalen van laboratoriumresultaten naar industriele toepassingen.

Op Europees niveau is terahertz-communicatie een prioriteit binnen het Horizon Europe-programma. Projecten zoals Hexa-X en 6G-SANDBOX omvatten significante THz-onderzoekscomponenten. De European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP) en het European Microwave Conference dienen als platforms voor de presentatie van de nieuwste onderzoeksresultaten.

De samenwerking tussen Europese universiteiten, onderzoeksinstituten en de telecom-industrie is van groot belang om de terahertz-kloof te dichten. Door fundamenteel onderzoek te koppelen aan industriele roadmaps wordt gewerkt aan een realistische route naar commerciele THz-systemen voor 6G.

Toekomstperspectief

Terahertz-communicatie zal naar verwachting gefaseerd worden geintroduceerd in 6G-netwerken. De eerste implementaties zullen zich richten op het sub-THz bereik (100-300 GHz) voor backhaul-verbindingen en vaste draadloze toegang. In een tweede fase worden hogere frequenties ingezet voor korteafstandstoepassingen met extreme bandbreedte.

De convergentie van terahertz-communicatie met AI-native netwerken, RIS en geavanceerde bundelvorming zal de beperkingen van het beperkte bereik geleidelijk verminderen. Intelligente reflecterende oppervlakken kunnen THz-signalen om obstakels heen leiden, terwijl AI-algoritmen in realtime de optimale frequentieband, bundelrichting en transmissiemodus selecteren.

Hoewel er nog aanzienlijke technische uitdagingen resteren, is de voortgang van het afgelopen decennium indrukwekkend. De combinatie van doorbraken in halfgeleidertechnologie, nieuwe antenneconcepten en geavanceerde signaalverwerking maakt de commerciele inzet van terahertz-communicatie binnen het 6G-tijdframe realistisch. Voor de nieuwste ontwikkelingen en een breder overzicht van alle 6G-kerntechnologieën verwijzen we naar onze overzichtspagina.

Veelgestelde vragen over terahertz-communicatie