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Foto: Heinz Nixdorf Institut

Ultra-breitbandige Wellenformerzeugung mit aktiv stabilisierten hybrid-photonisch-elektronischen Schaltkreisen

Im Projekt GOSPEL sollen Konzepte zur ultra-breitbandigen, photonisch-elektronische Signalerzeugung erforscht und implementiert werden, die die Grenzen herkömmlicher Digital-Analog-Converter (DAC) überwinden. Das Konzept nutzt die spektrale Überlagerung von optischen Signalen, die auf phasenstabile optische Träger moduliert werden. Dadurch wird die massive Parallelisierung von digitalen CMOS Schaltungen mit einer massiven spektralen Parallelisierung von DAC-Schnittstellen kombiniert. Das Konzept nutzt hochgradig skalierbare photonisch-elektronische Integrationskonzepte und ist erweiterbar auf Analogbandbreiten von mehreren Hundert GHz.Einer der entscheidenden Aspekte des GOSPEL Konzepts ist ein neues Stabilisierungskonzept zur kohärenten Überlagerung von optischen Signalen, die von unabhängigen Funktionseinheiten des photonisch-elektrischen Systems erzeugt werden und dadurch Phasen- und Frequenzunsicherheiten und zeitliche Phasendrifts aufweisen. Das Stabilisierungskonzept basiert auf digitalen Regelschleifen, die die Nichtidealitäten der Bauelemente kompensieren und eine Phasen- und Frequenzstabilisierung der optischen Träger mithilfe von optischen Frequenzschiebern ermöglichen. Ein weiterer Kernaspekt ist die Umwandlung des breitbandigen photonischen Signals in ein elektrisches Signal, was einen ultra-schnellen Photodetektor erfordert, der Analogbandbreiten von mehreren Hundert GHz aufweist. Hierzu sollen sogenannte Plasmonic Internal Photoemission Detectors (PIPED) genutzt werden, die im Rahmen vorbereitender Arbeiten zum ersten Mal demonstriert wurden. PIPED sind ein ultra-kompakte Bauteile, das sich monolithisch in Silizium-Photonik-Plattformen integrieren lassen. Im Rahmen von GOSPEL werden wir systematisch verschiedene Variationen des Bauteilkonzepts, der Geometrien und der Materialien untersuchen, um die Ausgangsleistung von PIPED-basierten Konvertern zu erhöhen.GOSPEL ist auf eine Gesamtprojektdauer von 6 Jahren angelegt und in zwei Phasen unterteilt. In Phase 1, die Gegenstand dieses Antrags ist, möchten wir die theoretischen Grundlagen des Konzepts und die zugehörigen mathematischen Modelle erarbeiten, die kritischen Komponenten und Subsysteme entwerfen und realisieren, und die Tragfähigkeit des Ansatzes in einfachen Proof-of-Concept Experimenten demonstrieren. Basierend darauf soll Phase 2 der Realisierung eines integrierten Systems gewidmet sein, das in optimaler Weise verschiedene elektronische und photonische Komponenten und Digitalschaltungen verbindet, und dabei sowohl hybride als auch monolithische Ansätze nutzt.

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

Professor Dr.-Ing. Thomas Zwick
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Institut für Hochfrequenztechnik und Elektronik (IHE)