Eine hochgenaue, ultraschnelle und energieeffiziente Informationsverarbeitung ist in vielen Anwendungen erforderlich, sei es in Kommunikationssystemen, beim Einsatz Künstlicher Intelligenz oder auch bei der Arbeit mit Pr?zisionsmessger?ten. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat jetzt die F?rderung des Projekts ?MINTS“ (MLL-basierte Integrierte THz-Frequenz-Synthesizer) um weitere drei Jahre mit einer F?rdersumme von rund 415.000 Euro verl?ngert. In Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut (HHI) in Berlin erforscht und entwickelt das Projektteam um Prof. Dr. Christoph Scheytt vom Institut für Elektrotechnik und Informationstechnik sowie Leiter der Fachgruppe ?Schaltungstechnik“ am Heinz Nixdorf Institut der Universit?t Paderborn und Prof. Dr. Martin Schell, Leiter des Fraunhofer HHI, Synthesizer, die sehr pr?zise und stabil Frequenzen im Terahertz-Bereich (THz) erzeugen k?nnen. Zur Einordnung: Diese Frequenzen liegen zwischen dem Infrarotlicht und den Mikrowellen.
Effiziente Systeme mit geringem Phasenrauschen
Seit Anfang 2022 widmen sich die Wissenschaftler*innen des Projekts ?MINTS“ der Untersuchung von elektronisch-photonischen THz-Frequenzsynthesizer-Architekturen. Ein THz-Frequenzsynthesizer ist im Wesentlichen ein Ger?t, das in der Lage ist, sehr pr?zise und kontrollierbare Signale bei sehr hohen Frequenzen zu erzeugen. ?Lange Zeit bestand eine gro?e Herausforderung darin, dass es keine wirksamen Technologien gab, die effizient zwischen dem Infrarot- und dem Mikrowellenbereich arbeiten. Mit den Fortschritten in der Halbleiter- und Lasertechnologie ist die THz-Technologie jedoch viel leichter zug?nglich geworden, erkl?rt Scheytt. So kann THz-Strahlung für bildgebende Verfahren, wie beispielsweise in der Spektroskopie, für die Materialforschung, in der Sicherheitstechnik und in der Wireless-Kommunikation mit sehr hohen Datenraten eingesetzt werden.
Die Wissenschaftler*innen konzentrieren sich nicht nur auf die Erzeugung hoher Frequenzen, sondern arbeiten auch an Stabilit?t, Pr?zision und Kontrollierbarkeit. Eine zentrale Herausforderung ist das Phasenrauschen, das Signale sowohl in elektronischen als auch in optischen Ger?ten beeinflusst und zu schnellen Schwankungen im Signal führt. ?Das kann Signale schw?chen oder in Kommunikationssystemen zu fehlerhafter Datenübertragung führen“, erkl?rt Projektpartner Schell. ?Unser Ziel ist es, ein geringeres Phasenrauschen als bei rein elektronischen THz-Frequenzsynthesizern zu erreichen und damit eine maximale Signalstabilit?t zu gew?hrleisten“, erg?nzt Scheytt. Die Verringerung der Anf?lligkeit für Phasenrauschen verbessert die Signalqualit?t und erm?glicht einen effizienteren Betrieb der Systeme, was zu einem geringeren Energieverbrauch führt, und die Entwicklung nachhaltigerer Technologien f?rdert.
Erste Erfolge und Pl?ne für die zweite Projektphase
In der ersten Phase des Projekts gelang es den Wissenschaftler*innen unter anderem, den elektro-optischen Phasendetektor, die Kernschaltung des OEPLL-Synthesizers, genau zu modellieren, das additive Phasenrauschen in Silizium-Photonik-Wellenleitern und Antriebsverst?rkern zu charakterisieren und das Phasenrauschen von THz-Signalen zu messen. Silizium-Wellenleiter sind grundlegend für die Silizium-Photonik und spielen eine zentrale Rolle bei der optischen Signalübertragung und -verarbeitung auf einem Mikrochip. Die Forschenden verwenden einen elektro-optischen Phasendetektor, um die Phasenverschiebung zwischen einem elektrischen und einem optischen Signal zu messen. Dieses Ger?t wird in verschiedenen technischen und wissenschaftlichen Anwendungen eingesetzt, zum Beispiel in der Kommunikationstechnik, wo optische Datenübertragungssysteme kalibriert und überwacht werden müssen, um einen stabilen Betrieb zu gew?hrleisten.
In der zweiten Projektphase wird das Team auf dem Erfolg der ersten Phase aufbauen und an weiteren Optimierungen arbeiten. ?Wir untersuchen einen alternativen diskreten Ansatz zur Erzeugung von THz-Signalen aus MLL und verfolgen gleichzeitig die hybride Integration von THz-OEPLL unter Verwendung eines Silizium-Photonik- (SiPh) oder Indiumphosphid- (InP) PIC-Chips und eines SiGe-THz-Emitter-Chips, um eine miniaturisierte THz-Quelle zu erm?glichen“, sagt Vijayalakshmi Surendranath Shroff, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Heinz Nixdorf Institut. Diese Technologien kommen zum Beispiel in modernen Datenzentren, Lidar-Systemen, Quantencomputern und Hochgeschwindigkeits-Telekommunikation zum Einsatz.
