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Foto: Heinz Nixdorf Institut

Ultrabreitbandiger Photonisch-Elektronischer Analog-Digital-Wandler (PACE)

Siliziumbasierte Analog-Digital-Wandler (ADCs), die mit Abtastraten im zweistelligen GSa/s-Bereich arbeiten sind heute Stand der Technik. Obwohl diese Wandler heute mit noch nie dagewesenen Abtastraten arbeiten, verbessern sich die effektive Auflösung (effective number of bits, ENOB) und die Analogbandbreite nur langsam. Ein wesentlicher Hindernisfaktor für die weitere Verbesserung von Bandbreite und Auflösung ist der sog. Aperturjiitter, d.h. die zeitliche Unsicherheit der Abtastung, welche das Produkt aus ENOB und Bandbreite begrenzt. Die derzeit besten ADCs erreichen einen Aperturjitter von ca. 60fs, was ungefähr dem Taktjitter der verwendeten rauscharmen elektronischen Taktgeneratoren entspricht. Eine weitere Reduzierung wird insbesondere für Abtastraten im GHz-Bereich nur möglich sein, wenn sich der Taktjitter verringert. Dem gegenüber zeigen ultra-stabile moden-gekoppelte Laserquellen (MLLs) schon heute einen Taktjitter von wenigen Attosekunden. Würde man diese Quellen als Referenz für die Abtastung verwenden, könnte man die Leistungsfähigkeit der ADCs um 5 Größenordnungen verbessern. Obwohl hier natürlich noch andere Degradationseffekte eine Rolle spielen werden, wird eine signifikante Reduktion des Jitters einen wesentlichen Fortschritt im Stand der Technik ermöglichen.Das Potential des photonicADC (pADC) Ansatzes wurde bereits mit einem aus diskreten optischen Komponenten aufgebauten ADC mit einer Abtastrate von 41GHz und einer ENOB von 7 gezeigt. Dies entspricht einem Taktjitter von lediglich 15fs. Für eine praktisch anwendbare pADC-Komponente muss diese allerdings monolithisch, z.B. auf einem Siliziumphotonik-Chip integriert werden. Darüber hinaus sollte die MLL-Lichtquelle ebenfalls in einer kompakten Bauform mitintegrierbar sein.Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens werden wir ultra-breitbandige pADCs in Siliziumphotonik-Technologie untersuchen und deren Leistungsfähigkeit demonstrieren. Ziel dabei ist es, eine Verbesserung des ENOB-Bandbreite-Produkts um den Faktor 25 experimentell zu demonstrieren. Dies würde eine revolutionäre Verbesserung des Standes der Technik bedeuten, welcher durch den geringen Jitter, die hohe Bandbreite und die massive Parallelisierbarkeit von integrierter Optik ermöglicht wird. Hierfür werden im Rahmen des Gemeinschaftsvorhabens Architekturen mit einer analogen Bandbreite von 500GHz bzw. 100 GHz, sowie einer ENOB von 5 bzw. 8 verfolgt. Darüber hinaus werden einzelne integrierte Sub-Systeme untersucht, wie z.B. ultra-low-jitter integrierte MLLs, oder kohärente optische Messsysteme mit optischer und elektrischer Ko-Integration. Insbesondere werden kompakte, integrierte, ultra-low-jitter Halbleiter-MLLs bzw. MLLs mit Seltenen-Erden dotiertem Glas als Gain-Medium untersucht, sowie die Frequenzstabilisierung der Kämme mit Hilfe von Mikroresonator-induziertem Feedback. Außerdem sollen verschiedene pADC-Architekturen basierend auf optischer zeit- und frequenzversetzter Abtastung untersucht werden.

Professor Dr.-Ing. Christian Koos
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IPQ)

Professor Dr.-Ing. Franz Xaver Kärtner
Universität Hamburg
Fachbereich Physik
Institut für Experimentalphysik

Professor Dr.-Ing. Christoph Scheytt
Universität Paderborn
Heinz Nixdorf Institut
Fachgruppe Schaltungstechnik

Professor Dr. Jeremy Witzens, Ph.D.
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen
Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik
Lehrstuhl für Integrierte Photonik (IHP)