Technologie

Schnellere Signalverarbeitung durch elektronisch-photonische Systeme

21.04.2022 - Neue Methoden für eine verbesserte Umwandlung von digitalen in analoge Signale.

Schnelle Digital-Analog-Umwandler sind in moderner Unterhaltungs­elektronik und Kommuni­kations­technik unver­zichtbar. Für eine gute Übertragungs­qualität sind sowohl eine große Bandbreite als auch eine hohe Auflösung ausschlag­gebend. Sobald eins davon steigt, sinkt jedoch automatisch das andere. Die derzeitige Technik stößt deshalb an ihre Grenzen. Ein Forscherteam der Uni Paderborn und der TU Braunschweig arbeitet an einer Lösung für diesen Konflikt. Ziel ist es, physikalische Begrenzungen in der Signal­ver­arbeitung zu über­winden und neue Methoden für die Umwandlung der Signale zu entwickeln.

Anstatt wie bisher auf rein elektro­nische Lösungen, setzen die Forscher dabei auf elek­tronisch-photo­nische Konzepte. Das neue System soll die Signal­band­breite nicht nur verviel­fachen – und damit auch die Auflösung steigern –, sondern auch auf einen einzigen Chip passen, anstatt wie bisher in einem komplexen Gerät verarbeitet zu sein. Der Vorteil: Solch ein kleiner Chip ist kosten­günstiger, massen­taug­licher und flexibel in andere Geräte inte­grierbar.

In der Signal­ver­arbeitung spielen Transistoren eine wichtige Rolle. „Bei der Bandbreite schneller Transistoren gibt es allerdings Begrenzungen, die rein elektronisch nicht überwindbar sind. Das liegt beispiels­weise daran, dass mit höherer Bandbreite ein Jitter, auch Takt­zittern genannt, auftritt. Dabei handelt es sich um eine Unge­nauig­keit bei der Über­tragung von digitalen Signalen. Ein Jitter kann einen plötzlichen und unge­wollten Wechsel in der Signal­charak­te­ristik zur Folge haben, der zu Bitfehlern im Daten­signal führt“, erklärt Christian Kress von der Uni Paderborn.

Das Forscherteam arbeitet deshalb an einer neuen Methode für eine schnellere und leistungs­stärkere Signal­ver­arbeitung. Die Lösung soll ein elektro-optischer-Modulator sein. Die Idee dahinter: Wenn elekt­ronische in photo­nische Signale umge­wandelt werden, ergeben sich physikalisch neue Möglich­keiten. So sind höhere Signal­geschwin­dig­keiten erreichbar, was auch höhere Funk­frequenzen und Daten­raten bedeutet.

„Diese Methodik verspricht, dass man die Bandbreite und somit die Dynamik, also die Messmög­lich­keit von der größten bis zur kleinsten Signal­stärke, um das Dreifache im Vergleich zu rein elektro­nischen Lösungen steigern kann“, erläutert Kress. Dadurch könne auto­matisch auch eine bessere Auflösung erzielt werden, da die beiden Kompo­nenten einen Ziel­konflikt darstellen.

Die photonisch-elektro­nischen Kompo­nenten wollen die Wissen­schaftler dann in modernste Silizium­photonik-Technologie einbauen. „Silizium­photonik ermöglicht die Kombination von photonischen Schaltungen, wie optischen Wellen­leitern und Kopplern, mit inte­grierten elektro­nischen Schaltungen. Durch die Verbindung von komplexer Elektronik und minia­turi­sierter Photonik auf einem Chip ergeben sich völlig neue Methoden für die Signal­ver­arbeitung und die Kommu­ni­kation“, erklärt Christoph Scheytt von der Uni Paderborn.

„In der ersten Phase des Projekts haben wir die Methode in Teilen demon­striert. Alle wichtigen Kompo­nenten wurden auf Silizium-Chips integriert und im Labor getestet. Das ist notwendig, um zu über­prüfen, wie die Perfor­mance des Demon­strators sein wird, bzw. ob das System in der uns erdachten Form überhaupt funktioniert – und das hat es“, so der Wissen­schaftler. Die zweite Entwick­lungs­phase des Projekts startete Anfang des Jahres. „Die Messungen aus der ersten Phase waren sehr viel­ver­sprechend“, so Kress. „Wir erwarten, dass das Gesamt­system die anvisierten Ziele des Projekts erreichen und sogar über­treffen wird. Die Integration des voll­ständigen Demon­strators wird das große Ziel der zweiten Phase sein.“

U. Paderborn / RK

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