Schnellere Signalverarbeitung durch elektronisch-photonische Systeme
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
