Paderborner und Braunschweiger Forscher*innen entwickeln neue Methoden für verbesserte Umwandlung von digitalen in analoge Signale
In moderner Unterhaltungselektronik und Kommunikationstechnik sind sie unverzichtbar: schnelle Digital-Analog-Umwandler. Wer digitales Fernsehen empfangen oder digital gespeicherte Musik h?ren m?chte, ben?tigt sie – wie es der Name schon vermuten l?sst – für die Umwandlung von digitalen Signalen wie die eines Radiosenders in analoge, also das H?rbare. Für eine gute ?bertragungsqualit?t sind sowohl eine gro?e Bandbreite, d. h. ein weit messbarer Frequenzbereich, als auch eine hohe Aufl?sung, also die Genauigkeit der Signale, ausschlaggebend. Sobald eins davon steigt, sinkt jedoch automatisch das andere. Derzeitige Technik st??t deshalb an ihre Grenzen. Paderborner und Braunschweiger Wissenschaftler*innen arbeiten gemeinsam an einer L?sung für diesen Konflikt. Ihr 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 L?sungen, setzen die Forschenden auf elektronisch-photonische, also lichtgetriebene, Konzepte. Das neue System soll die Signalbandbreite nicht nur vervielfachen – und damit auch die Aufl?sung steigern –, sondern auch auf einen einzigen Chip passen, anstatt wie bisher in einem komplexen Ger?t verarbeitet zu sein. Der Vorteil: Solch ein kleiner Chip ist kostengünstiger, massentauglicher und flexibel in andere Ger?te integrierbar.
Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) f?rdert das 2019 gestartete Projekt ?Pr?ziser Optischer Nyquist-Puls-Synthesizer DAC“ (PONyDAC) im Rahmen des Schwerpunktprogramms ?Integrierte Elektronisch-Photonische Systeme für die Ultrabreitbandige Signalverarbeitung“ (SPP 2111). Beteiligt sind Wissenschaftler*innen um Prof. Dr.-Ing. Christoph Scheytt vom Institut für Elektrotechnik und Informationstechnik und des Heinz Nixdorf Instituts der Universit?t Paderborn sowie Forschende des Instituts für Hochfrequenztechnik der Technischen Universit?t Braunschweig um Prof. Thomas Schneider. Die Paderborner Forschung wird dabei mit rund 500.000 Euro gef?rdert. Kürzlich haben die Wissenschaftler*innen die erste Projektphase erfolgreich beendet.
Mithilfe optischer Effekte physikalische Grenzen überwinden
In der Signalverarbeitung spielen sogenannte Transistoren eine wichtige Rolle. 360直播吧 finden sich u. a. in Smartphones oder Computern wieder. Dort schalten, verst?rken und steuern sie die elektronischen Str?me. ?Bei der Bandbreite schneller Transistoren gibt es allerdings Begrenzungen, die rein elektronisch nicht überwindbar sind. Das liegt beispielsweise daran, dass mit h?herer Bandbreite ein sogenannter Jitter, auch Taktzittern genannt, auftritt. Dabei handelt es sich um eine Ungenauigkeit bei der ?bertragung von digitalen Signalen. Ein Jitter kann einen pl?tzlichen und ungewollten Wechsel in der Signalcharakteristik zur Folge haben, der zu Bitfehlern im Datensignal führt“, erkl?rt Christian Kress, wissenschaftlicher Mitarbeiter der Fachgruppe ?Schaltungstechnik“ des Heinz Nixdorf Instituts.
Das Forscher*innenteam arbeitet deshalb an einer neuen Methode für eine schnellere und leistungsst?rkere Signalverarbeitung. Die L?sung soll ein sogenannter elektro-optischer-Modulator sein. Die Idee dahinter: Wenn elektronische in photonische Signale, also Lichtsignale, umgewandelt werden, ergeben sich physikalisch neue M?glichkeiten. U. a. sind h?here Signalgeschwindigkeiten erreichbar, was z. B. h?here Funkfrequenzen und Datenraten bedeutet. ?Diese Methodik verspricht, dass man die Bandbreite und somit die Dynamik, also die Messm?glichkeit von der gr??ten bis zur kleinsten Signalst?rke, um das Dreifache im Vergleich zu rein elektronischen L?sungen steigern kann“, erl?utert Kress. Dadurch k?nne automatisch auch eine bessere Aufl?sung erzielt werden, da die beiden Komponenten einen Zielkonflikt darstellen.
Kleiner Chip für gro?en Effekt
Die photonisch-elektronischen Komponenten wollen die Wissenschaftler*innen dann in modernste Siliziumphotonik-Technologie einbauen. ?Siliziumphotonik erm?glicht die Kombination von photonischen Schaltungen, wie optischen Wellenleitern und Kopplern, mit integrierten elektronischen Schaltungen, z. B. Verst?rkern oder Prozessoren. Durch die Verbindung von komplexer Elektronik und miniaturisierter Photonik auf einem Chip ergeben sich v?llig neue Methoden für die Signalverarbeitung und die Kommunikation“, erkl?rt Prof. Dr.-Ing. Christoph Scheytt.
?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. Dazu Kress: ?Die Messungen aus der ersten Phase waren sehr vielversprechend. Wir erwarten, dass das Gesamtsystem die anvisierten Ziele des Projekts erreichen und sogar übertreffen wird. Die Integration des vollst?ndigen Demonstrators wird das gro?e Ziel der zweiten Phase sein.“
