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Foto: Heinz Nixdorf Institut

Flexible Elektronisch-Photonisch Integrierte Sensor Plattform [EPIC-Sense]

Eine aktuelle Herausforderung in der Erforschung leistungsfähiger Sensorsysteme ist die praktikable Erschließung des Frequenzbereiches oberhalb von 110 GHz (D-Band, 110 – 170 GHz, sowie der THz-Bereich). Dieser stellt große Mengen an Bandbreite zur Verfügung, und besitzt darüber hinaus ein hohes Miniaturisierungspotential aufgrund Wellenlängen-basierter Skalierung und zusätzlicher Integration von Komponenten, wie zum Beispiel Antennenstrukturen. Insbesondere die Implementierung von Arrays mit einer massiven Anzahl von Kanälen durch Parallelisierung bietet die Möglichkeit, robuste und hochleistungsfähige Sensorsysteme mit extremer Bandbreite für scannende 3-dimensional arbeitende Anwendungen bereitzustellen. Durch die intelligente Nutzung skalierbarer (kaskadierbarer) integrierter Schaltungen können solche Sensor-Arrays mit einer Vielzahl von Kanälen mit bisher unerreichter 3D-Auflösung und Reichweite konstruiert werden. Für eine erfolgreiche Demonstration dieser Transceiver in solchen Multi-Kanal-3D-Sensorik-Systemen extremer Bandbreite müssen eine Reihe von aktuellen Herausforderungen überwunden werden. Ein voll-funktionales System benötigt die folgenden Eigenschaften;

  1. Stabilisierte Signalquelle mit niedrigstem Phasenrauschen und hoher Ausgangsleistung
  2. Synchronisiertes verlustarmes flexibles Trägersignal-Verteilkonzept für viele Kanäle
  3. Extrem breitbandige True-Time Delay Elemente zur Vermeidung von Strahlspreizung, etc.
  4. HF-Verstärkung und Frequenzumsetzer-Pfade mit hinreichend hoher Bandbreite

Generell wurden manche der genannten Themen in Teilen adressiert. Dabei wurden jedoch meist diskrete oder anderweitig begrenzte Implementierungen gewählt, die sich durch eine begrenzte Performanz oder extrem große und kostenintensive Labormessaufbauten auszeichnen. Dieser Projektvorschlag zielt auf die Erreichung aller oben genannten Ziele durch einen innovativen domänenübergreifenden Systemansatz auf der Basis einer Weiterentwicklung von IHP’s integrierter elektronisch-photonischer Siliziumtechnologie (EPIC) für eine monolithische Integration. Die Schlüsselkonzepte dieses Antrages sind: 1. Integrierte Schaltungsarchitekturen auf der Basis von sowohl elektronischen als auch photonischen Bausteinen2. Monolithische Integration für höchste Bandbreiten und niedrige Verbindungsverluste3. Skalierbares und flexibles SystemkonzeptDafür soll ein Chipset, bestehend aus seiner Signalquelle und einem skalierbaren Transceiver, erforscht werden, dass im kompletten D-Band von 110 bis 170 GHz arbeitet. Das Konzept basiert auf einer neuartigen elektronisch-photonischen Schaltkreisintegration (EPIC). Der Frequenzbereich wurde gewählt, um sich an der momentanen Obergrenze der technologischen Machbarkeit der Silizium-basierten EPIC Technologie zu positionieren. Darüber hinaus besteht dadurch die Möglichkeit eines direkten Vergleichs zu bisherigen rein elektronischen Ansätzen, um die Vorteile dieses neuartigen Konzeptes herauszustreichen.

Professor Dr.-Ing. Dietmar Kissinger
Universität Ulm
Fakultät Ingenieurwissenschaften, Informatik und Psychologie
Institut für Elektronische Bauelemente und Schaltungen

Professor Dr.-Ing. Robert Weigel
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Department Elektrotechnik-Elektronik-Informationstechnik
Lehrstuhl für Technische Elektronik

Professor Dr.-Ing. Lars Zimmermann
Technische Universität Berlin
Institut für Hochfrequenz- und Halbleiter-Systemtechnologien
Fachgebiet Hochfrequenztechnik - Photonik