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 hören möchte, benötigt sie – wie es der Name schon vermuten lässt – für die Umwandlung von digitalen Signalen wie die eines Radiosenders in analoge, also das Hörbare. Für eine gute Übertragungsqualität sind sowohl eine große Bandbreite, d. h. ein weit messbarer Frequenzbereich, als auch eine hohe Auflösung, also die Genauigkeit der Signale, ausschlaggebend. Sobald eins davon steigt, sinkt jedoch automatisch das andere. Derzeitige Technik stößt deshalb an ihre Grenzen. Paderborner und Braunschweiger Wissenschaftler*innen arbeiten gemeinsam an einer Lösung 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 Lösungen, setzen die Forschenden auf elektronisch-photonische, also lichtgetriebene, 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.
Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert das 2019 gestartete Projekt „Präziser 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 Universität Paderborn sowie Forschende des Instituts für Hochfrequenztechnik der Technischen Universität Braunschweig um Prof. Thomas Schneider. Die Paderborner Forschung wird dabei mit rund 500.000 Euro gefördert. 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. Sie finden sich u. a. in Smartphones oder Computern wieder. Dort schalten, verstärken und steuern sie die elektronischen Ströme. „Bei der Bandbreite schneller Transistoren gibt es allerdings Begrenzungen, die rein elektronisch nicht überwindbar sind. Das liegt beispielsweise daran, dass mit höherer Bandbreite ein sogenannter 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, wissenschaftlicher Mitarbeiter der Fachgruppe „Schaltungstechnik“ des Heinz Nixdorf Instituts.
Das Forscher*innenteam arbeitet deshalb an einer neuen Methode für eine schnellere und leistungsstärkere Signalverarbeitung. Die Lösung soll ein sogenannter elektro-optischer-Modulator sein. Die Idee dahinter: Wenn elektronische in photonische Signale, also Lichtsignale, umgewandelt werden, ergeben sich physikalisch neue Möglichkeiten. U. a. sind höhere Signalgeschwindigkeiten erreichbar, was z. B. 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.
Kleiner Chip für großen Effekt
Die photonisch-elektronischen Komponenten wollen die Wissenschaftler*innen dann in modernste Siliziumphotonik-Technologie einbauen. „Siliziumphotonik ermöglicht die Kombination von photonischen Schaltungen, wie optischen Wellenleitern und Kopplern, mit integrierten elektronischen Schaltungen, z. B. Verstärkern oder Prozessoren. Durch die Verbindung von komplexer Elektronik und miniaturisierter Photonik auf einem Chip ergeben sich völlig neue Methoden für die Signalverarbeitung und die Kommunikation“, erklärt 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 vollständigen Demonstrators wird das große Ziel der zweiten Phase sein.“
