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Foto: Heinz Nixdorf Institut

Elektronisch-Optisch Integrierter Digital-zu-Analog Umsetzer

Im EPIDAC Projekt möchten wir neuartige Konzepte entwickeln, welche die Leistungsfähigkeit von Digital-Analog-Umsetzer (DAU) signifikant verbessern. Im Vergleich zum Stand der Technik sollen die DAUs verbessert werden, indem die Bit-Pfade, deren Zusammenführung, deren zeitliche Überlagerung und/oder die Takterzeugung optisch implementiert werden. Die Leistungsfähigkeit rein elektrischer DAUs wird insbesondere durch deren Bandbreite limitiert, da z.B. allein für die Biterzeugung eine hohe Zahl von Signalpfaden an einem gemeinsamen Ausgang kombiniert werden müssen (eine typische, segmentierte 6-Bit Architektur benötigt bereits 17 Stromzellen), woraus eine sehr große parasitäre Kapazität resultiert. Erfolgt die Kombination dieser einzelnen Bit-Pfade jedoch optisch, so benötigt man nach der Rücktransformation in die elektrische Domäne durch eine Photodiode lediglich einen einzelnen Transimpedanz-Verstärker (engl. TIA). Dadurch ist eine höhere Bandbreite möglich. Darüber hinaus kann im Gegensatz zu einem elektrischen Ansatz die zeitliche Überlagerung mehrerer schneller DAU-Kerne in der optischen Domäne mit geringeren Verlusten und mit höherer Genauigkeit implementiert werden. Die effektive Auflösung aktueller Digital-Analog-Umsetzer ist u.a. durch Taktungenauigkeiten limitiert. Durch die Verwendung extern eingespeister, modengekoppelter Lasertaktsignale, welche einen wesentlich geringeren Jitter als elektronische Oszillatoren aufweisen, kann die Performance weiter verbessert werden. Unsere konzeptuellen Voruntersuchungen zeigen, dass die Verwendung des vorgeschlagenen optischen Ansatzes eine effektive Auflösung von 7 Bit bei einer Bandbreite von 80 GHz ermöglichen sollte. Im Vergleich zum Stand der Technik entspricht dies einer Verbesserung der Auflösung um einen Faktor 4 und einer Erhöhung der Bandbreite um einen Faktor 2 – folglich einer achtfachen Steigerung des hieraus ableitbaren Bewertungsfaktors. Dies wird den Weg für die nächste Generation von Kommunikationssystemen, Messgeräten und Funktionsgeneratoren ebnen. Zur Realisierung und elektro-optischen Integration bauen wir auf die EPIC SiGe SG25H4 Technologie von IHP auf, welche u.a. eine Bibliothek für optische Komponenten sowie BiCMOS Transistoren mit einer maximalen Oszillationsfrequenz von 220 GHz bereitstellt. Unsere Kernaufgaben beinhalten: Systemmodellierung, Entwurf und Optimierung optisch gestützter DAUs einschließlich theoretischer Aspekte; Entwicklung, Optimierung und Hardwarerealisierung der benötigten integrierten optischen Komponenten (z.B. Photodetektoren, segmentierte Modulatoren, Koppler und Wellenleiter) und elektronischen Schaltungen (z.B. TIAs, Modulator-Treiber, Kalibrierschaltungen, und ggf. DAU-Kerne); sowie elektro-optische Ko-integration der Schlüsselkomponenten. EPIDAC vereint die Kompetenzen von Frank Ellinger (h ≥ 28) von der TU Dresden im Bereich Hochfrequenzschaltungstechnik und Lars Zimmerman (h ≥ 20) vom IHP im Bereich Photonik.

Professor Dr.-Ing. Frank Ellinger
Technische Universität Dresden
Institut für Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik
Professur für Schaltungstechnik und Netzwerktheorie

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