Integrierter photonisch-elektronischer Empfänger

Im Rahmen eines DFG-Schwerpunktprogrammes arbeiten wir aktuell an der Entwicklung eines extrem breitbandigen integrierten photonisch-elektronischen Empfängers auf Siliziumsubstrat.

Außergewöhnlich hohe Übertragungskapazitäten optischer Kommunikationssysteme können nur durch den parallelen Einsatz elektronischer Schaltungen genutzt werden, da die Bandbreite elektronischer Schaltungen im Wesentlichen durch die Transitfrequenz der verfügbaren Transistoren begrenzt ist. Der entwickelte elektronische photonische integrierte Schaltkreis (EPIC) ermöglicht extrem breitbandige und rekonfigurierbare Empfänger auf einem einzigen Chip durch photonische Vorverarbeitung und anschließendes elektronisches Demultiplexing mit Zeitverschachtelung.
In gängigen Kommunikationssystemen wird das breite optische Band mit einem Spektrum im THz-Bereich in viele kleine Frequenzbänder unterteilt (Wellenlängenmultiplex, WDM). Die sich überlagernden Wellenlängenkanäle können in dem entwickelten Empfänger durch ein integriertes Arrayed Waveguide Grating Filter (AWG) spektral getrennt werden. Zusätzliche optische Phasenschieber in Zwischenkopplungsstrukturen von Multimode-Interferenzkopplern (MMI) können einen bestimmten Wellenlängenkanal auswählen und weiterleiten. Die Umwandlung des analogen optischen Signals in ein digitales elektronisches Signal ist normalerweise durch die Bandbreite der Analog-Digital-Umsetzer (ADU) begrenzt. Um die große Bandbreite von Photodetektoren und Transimpedanzverstärkern voll auszunutzen, ermöglicht eine integrierte 1:4 100 GBaud Strom-Demultiplexing-Schaltung die parallele Verwendung von ADUs mit geringer Bandbreite. Der gewählte monolithische Ansatz vermeidet alle parasitären Gehäuseinduktivitäten und -kapazitäten, die die Bandbreite verringern würden. Simulationen haben gezeigt, dass das entworfene optoelektronische Frontend, bestehend aus Photodioden, Transimpedanzverstärker und Demultiplexer, 100 GBaud NRZ und 50 GBaud PAM4 optische Signale abtasten kann, was einer Gesamtdatenrate von 100 Gb/s entspricht. Die entwickelten optoelektronischen Schaltungen könnten in zukünftigen Transceivern in Datenzentren eingesetzt werden, um einen monolithischen, breitbandigen und flexiblen Empfänger zu realisieren.