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Profilbereich Optolelektronik und Photonik

Im Profilbereich Optoelektronik und Photonik werden die physikalischen Grundlagen und Anwendungen optischer Technologien erforscht.
Dabei kommen innovative Konzepte aus der Quantenoptik, der kohärenten Optik, der ultraschnellen Nanooptik und Optoelektronik zum Einsatz. Das Ziel der koordinierten Forschung ist die Etablierung neuartiger Informationstechnologien, die auf der nichtlinearen Licht-Materie-Wechselwirkung und auf Quanteneffekten basieren.

Im Rahmen der experimentellen Forschungsarbeiten werden neue Materialien entwickelt und funktionelle Nanostrukturen sowie photonische Quantenbauelemente hergestellt und evaluiert. Die theoretischen Arbeiten erstrecken sich von der atomistischen Materialbeschreibung über die Quantenoptik bis hin zu Protokollen für die Quanteninformationsverarbeitung.
Der Bereich der Anwendungen wird dominiert von der Forschung an innovativer Lichttechnik für den Fahrzeugbereich. Gemeinsam mit dem L-Lab erfolgt eine industrienahe Entwicklung von Prototypen und Technologiedemonstratoren.

Die interdisziplinäre Kooperation im Profilbereich „Optoelektronik und Photonik“ wird durch den SFB-Transregio TRR 142 gefördert. Unter den beteiligten Wissenschaftler*innen befinden sich Leibniz-Preis- und ERC-Grant-Träger.

Wissenschaftliche Ansprechpartner: Prof. Dr. Artur Zrenner

Beteiligte Fachdisziplinen: Physik, Elektrotechnik, Chemie, Mathematik, Informatik
 

Forschungsprojekte

NONLINMAT - Functional extreme nonlinear nanomaterials - ERC consolidator grant

Das Verständnis nichtlinearer optischer Eigenschaften von zweidimensionalen Halbleitern und ihrer Heterostrukturen ist für ein erfolgreiches Design und die Herstellung von nanophotonischen Bauteilen unerlässlich. Insbesondere für rein photonische Elemente, die nur mit Licht funktionieren, müssen nichtlineare Eigenschaften präzise gesteuert und mit ausgefeilten Funktionalitäten kombiniert werden. Solche Funktionalitäten können durch nanostrukturierte Materialien entstehen, die auch als Meta-Oberflächen oder Metamaterialien bezeichnet werden. Die durch Metamaterialien induzierten lokalen elektromagnetischen Felder können einige Größenordnungen über dem des externen Beleuchtungsfelds liegen. Das vom ERC durch den Consolidator Grant „NONLINMAT“ finanzierte Projekt konzentriert sich auf die Kombination der deutlich verstärkten elektromagnetischen Felder aus nanostrukturierten Metamaterialien mit Halbleiterquantenstrukturen in Galliumnitrid und atomar dünnen Übergangsmetalldichalkogeniden, wie Monolagen aus Wolfram- oder Hafnium -Disulfid (auch als 2D-Material bezeichnet).

Im Unterschied zu den herkömmlichen halbleitenden Volumen- und Quasi-2D-Materialien, verbessern die Einschränkung der Quantenzustände und die reduzierte dielektrische Abschirmung in 2D-Halbleitern die Wechselwirkungen zwischen den Quasiteilchen und führen zu hohen Exziton-Bindungsenergien, bei denen Vielkörpereffekte berücksichtigt werden müssen. In einem solchen System von 2D-Halbleitern werden Untersuchungen der Vielteilchenphysik zu einem sehr spannenden Forschungsfeld, um die Grundlagen der Quantenmechanik zu erforschen. Es können insbesondere unkonventionelle exzitonische Quasiteilchen hoher Ordnung wie Trionen und Biexzitonen existieren, und die verstärkten elektromagnetischen Felder der Laseranregung können zur Beobachtung dieser Quasipartikel beitragen und die zugrunde liegenden Vielteilcheneffekte aufdecken. Andererseits können nichtlinear-optische Eigenschaften von nanostrukturierten Metamaterialien durch atomar dünne 2D-Materialien moduliert werden. Die lokalisierten Oberflächenresonanzen von Nanostrukturen treten dabei an den Metall-2D-Halbleiter-Grenzflächen auf. Darüber hinaus kann durch Anpassen der Frequenzbänder der Nanostrukturen, die mit den Emissionsbändern des 2D-Materials überlappen, die resonante Kopplung von Emissionsbändern zu einer neuen Physik führen, wie etwa speziell polarisierten Oberflächenplasmonen.

Das Projekt untersucht den Einfluss selektiver Kopplungsmechanismen basierend auf Symmetrieaspekten der Nanostrukturen und der Gittersymmetrie der 2D-Materialien. Der Fokus liegt dabei auf der Verbesserung nichtlinearer optischer Effekte und der Kontrolle der Eigenschaften mit reinem Licht. Die Ergebnisse werden zu einem tieferen Verständnis der Kopplungsmechanismen zwischen künstlich hergestellten Nanostrukturen und natürlichen Materialsystemen führen. Andererseits kann die verbesserte Wechselwirkung zwischen Licht und Materie zu kleineren und effizienteren rein optischen Geräten für zukünftige Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung führen.

Dieses Projekt wird vom Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union (Fördervereinbarung Nr. 724306) gefördert.

Research contact: Prof. Dr. Thomas Zentgraf

Further information: https://cordis.europa.eu/project/rcn/208461/factsheet/en

QuPoPCoRN - Quantum Particles on Programmable Complex Reconfigurable Networks - ERC consolidator grant

Eine der höchsten Auszeichnung für Forscher auf internationalem Top-Niveau ist der “ERC Consolidator grant”. Diesen verleiht der Europäische Forschungsrat an herausragende Wissenschaftler am Beginn ihrer Karriere, die sich bereits mit zukunftsweisenden Projekten einen Namen gemacht haben.

Christine Silberhorn, Leiterin der Arbeitsgruppe „Integrierte Quantenoptik“ in Paderborn, erhielt 2016 diese Auszeichnung für ihr Projekt “ Quantum Particles on Programmable Complex Reconfigurable Networks”, kurz “QuPoPCoRN”, das im Juli 2017 startete. Seitdem erforscht sie mit ihren Mitarbeitern die Dynamik und Wechselwirkung von Quantenteilchen in großen Netzwerken, die sowohl in dem Bereich der theoretischen Konzeption als auch in der experimentellen Umsetzung sehr herausfordernd sind.

Diese Forschung ermöglicht das Verständnis der zugrundeliegenden Strukturen von einer Vielzahl an physikalischen Phänomenen. Aus diesem Grund ist ein flexibler, experimentell zugänglicher Aufbau von Nöten mit dem Potential, das Zusammenwirken von Störungen, Kohärenz und nicht-klassischen Korrelationen zu studieren. Deswegen entwickeln die Wissenschaftler optische zeitlich-gemultiplexte Netzwerke, zusammen mit zugeschnittenen Vielphotonenzuständen als innovative Plattform für große Quantennetzwerke. Mit diesem Ansatz können sie die Dynamik von mehreren Quantenteilchen auf komplexen Strukturen untersuchen, insbesondere im Hinblick auf die Rolle von bosonischer Interferenz, Korrelationen und Verschränkung. Um so große Netzwerkstrukturen aufzubauen, bedarf es innovative Strategien zur Verminderung von Dekohärenzeffekten: Programmierbare Störungen, topologisch geschützte Quantenzustände und stetige Distillation von Verschränkungseigenschaften sind dazu drei Ansätze der Wissenschaftler. Die Ziele in QuPoPCoRN umfassen das präzise Verständnis der Rolle von Viel-Teilchen Quantenphysik in großen, komplexen Strukturen unter zu Hilfenahme von zeitlich gemultiplexten Netzwerken.

Dieses Projekt wurde vom Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union (Fördervereinbarung Nr. 725366 ) gefördert.

Wissenschaftliche Ansprechpartnerin: Prof. Dr. Christine Silberhorn

UNIQORN - Affordable Quantum Communication for Everyone - EU Quantum Flagship Project

Das Projekt „UNIQORN“ (Affordable Quantum Communication for Everyone) startete Ende 2018 im Rahmen der europäischen Forschungsinitiative „Quantum Flagship“. Ziel des drei Jahre laufenden Projekts ist es, photonische Technologien in der Quantenkommunikation zu nutzen. Die optischen Systeme, die derzeit Aufbauten in der Größenordnung von Metern benötigen, sollen in Zukunft auf millimetergroßen Chips untergebracht werden. Neben der Reduzierung der Größe und damit auch der Kosten werden die Systeme robuster und lassen sich besser reproduzieren.

„UNIQORN“ ist ein Verbundprojekt mit Partnern aus Industrie und von Universitäten. Insgesamt 17 Gruppen aus verschiedenen europäischen Ländern arbeiten unter der Koordination des österreichischen „Austrian Institute of Technology“ zusammen. In Paderborn sollen spezielle nichtlineare integriert optische Bauelement (z.B. Photonenpaar-Quellen) entwickelt werden, die maßgeblich zur angestrebten Miniaturisierung beitragen. Diese Bauelemente werden dann von anderen Projektpartnern zu hybriden Funktionseinheiten kombiniert um dann mit ausgewählten Quantenanwendungen die Funktionalität in realen Kommunikationsnetzen zu demonstrieren.

Das UNIQORN-Projekt wird im Rahmen der Fördervereinbarung Nr. 82047474 aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Union Horizon 2020 gefördert.

Wissenschaftliche Ansprechpartnerin: Prof. Dr. Christine Silberhorn

Weitere Informationen: https://quantum-uniqorn.eu/

PhoG - Sub-Poissonian Photon Gun by Coherent Diffusive Photonics - EU Flagship Project

Das Projekt „Sub-Poissonian Photon Gun by Coherent Diffusive Photonics“, kurz PhoG, ist eines von 20 Projekten der ersten Förderphase des europäischen „Quantum Flagship“, einer der größten und ehrgeizigsten Forschungsinitiativen der Europäischen Union.

Neben der Paderborner Arbeitsgruppe „Integrierte Quantenoptik“ von Frau Professor Silberhorn umfasst das Konsortium vier weitere Partner aus Großbritannien, Weißrussland, und der Schweiz. Unter der Leitung von Natalia Korolkova der Universität St. Andrews werden die Partner deterministische und kompakte Quellen für nicht-klassische Lichtzustände, sogenannte Photon Guns, entwickeln, indem sie Verluste und Kopplungen in integrierten Wellenleiternetzwerken maßschneidern. Diese Photon Guns werden dann in verschiedenen Quantentechnologien zum Einsatz kommen, z.B. um die Frequenzstabilität von Atomuhren zu verbessern. Die Paderborner Gruppe wird sich hierbei vor allem mit der Charakterisierung der nicht-klassischen Lichtzustände befassen.

Das PhoG-Projekt wird im Rahmen der Fördervereinbarung Nr. 820365 aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Union Horizon 2020 gefördert.

Wissenschaftliche Ansprechpartnerin: Prof. Dr. Christine Silberhorn

Weitere Informationen: https://www.st-andrews.ac.uk/~phog/

ISOQC - Quantenkommunikation mit integrierter Optik im Zusammenhang mit supraleitender Elektronik - BMBF Förderinitiative Quantum Futur

Das Hauptziel dieses Projekts ist die Integrierung und Ausnutzung von hocheffizienten, supraleitenden Detektoren auf nichtlinearen Wellenleitern in Lithiumniobat, um neue Funktionalitäten in der Quantenoptik zu ermöglichen. Die Herausforderung besteht darin, die Vorteile von Lithiumniobat zu bewahren, während der Nutzung von tiefen Temperaturen. Erste Schritte in diese Richtung haben wir bereits gezeigt. Neu an diesem Vorgehen ist die Verbindung dieser Komponenten und das Potenzial dieses Verfahrens zu verwirklichen. Um dieses Ziel zu erreichen, werden wir die weltführende Lithiumniobattechnologie an der Universität Paderborn zusammen mit der supraleitenden Detektortechnologie vom National Institute for Standards and Technology (NIST), Boulder, Colorado vereinen. Wir planen, fünf maßgeschneiderte Komponenten zu demonstrieren, die die Vielfalt unserer modularen Vorgehensweise beispielhaft zeigen. Unter anderem geht es darum, die Eigenschaften des Lithiumniobatwellenleitersubstrats an den supraleitenden, dünnen Schichten anzupassen sowie die nichtlinearen Eigenschaften des Lithiumniobats bei tiefen Temperaturen zu optimieren.

Diese Komponenten werden in der Zukunft als Teile eines großen Quantenkommunikationssystems betrachtet, die als flexible und notwendige Verknüpfungen zwischen anderen Komponenten, die auf anderen Plattformen basieren, fungieren. Um Quantentechnologie und insbesondere die Quantenkommunikation zu entfalten, ist eine modulare Vorgehensweise sinnvoll, sodass einzelne Komponenten separat optimiert (und evtl. repariert) werden können, ohne dem ganzen System zu schaden. Langfristig gesehen wird sich erhofft, unsere Komponenten mit anderen Technologien anzupassen, um einen Mehrwert und mehr Funktionalität zu ermöglichen.

Wissenschaftlicher Ansprechpartner: Jun.-Prof. Dr. Tim Bartley

Weitere Informationen: https://www.photonikforschung.de/projekte/quantentechnologien/projekt/isoqc.html

Q.link.X - Quantenrepeater für eine abhörsichere Kommunikation über große Distanzen - BMBF Verbundprojekt

Im Zuge der Digitalisierung unserer Gesellschaft gewinnt die Datensicherheit und die sichere Kommunikation stetig an Bedeutung. Für eine grundlegende Lösung der anstehenden Sicherheitsfragen bietet die Quantenkommunikation einen vielversprechenden Ansatz: Sie nutzt Quantenzustände als Informationsträger, die aufgrund fundamentaler physikalischer Gesetze weder kopiert noch unbemerkt mitgelesen werden können. Die Erforschung und Einführung einer derartigen Quantentechnologie wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) durch die Einrichtung des Verbundprojekts „Quanten-Link-Erweiterung“ (Q.Link.X) vom 2018 bis 2021 mit insgesamt 14,8 Millionen Euro gefördert. Im Rahmen des Projekts werden Quantenrepeater zur sicheren Schlüsselübertragung über größere Distanzen realisiert. Im Q.Link.X-Verbund haben sich 24 Partner aus den Bereichen Forschung und Industrie vernetzt, um die Schlüsseltechnologie der Quantenrepeater voranzutreiben.

Wissenschaftliche Ansprechpartner: Prof. Dr. Artur Zrenner, Prof. Dr. Christine Silberhorn, Prof. Dr. Dirk Reuter

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FOR 1700 - Metallic Nanowires II - Metallic nanowires on the atomic scale: Electronic and vibrational coupling in real world systems -DFG Forschungsgruppe

Ideale eindimensionale elektronische Systeme haben besondere Eigenschaften, wie die Quantisierung der Leitfähigkeit, Ladungsdichtewellen und Luttingerflüssigkeitsverhalten, und eine Vielzahl von Instabilitäten mit einer Vielzahl von zugehörigen Phasenübergängen.

Diese sind auf ihre reduzierte Dimensionalität und die damit verbundene hohe elektronische Korrelationen zurückzuführen.

Die Erforschung und Identifizierung von physischen Szenarien mit eindimensionalen Eigenschaften unter expliziter Berücksichtigung von 2D- und 3D-Kopplung ist das zentrale Thema der Forschergruppe FOR1700, in der die Arbeitsgruppe von Professor Schmidt mit Forschern aus Würzburg, Duisburg, Berlin, Rom, Hannover, Gießen, Chemnitz, Düsseldorf, und Osnabrück zusammenarbeitet.

Wissenschaftlicher Ansprechpartner: Prof. Dr. Wolf Gero Schmidt

OFFeDi - Monolithisch integrierter optoelektronischer Frequenzsynthesizer in Silizium-Photonik-Technologie - DFG Projekt
Phasenrauschvergleich verschiedener Technologien
Blockdiagramm des optoelektronischen Frequenzsynthesizers

Jitterarme Signalquellen werden häufig für Objekterkennung, Navigations- und Ultra-Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikationssysteme eingesetzt. Der Jitter der Signalquellen wird von der Referenzsignalquelle dominiert, die ein Oszillator mit Surface-Acoustic-Wave-Resonator  (SAW-Resonator) oder mit Quarzresonator ist. Diese rauscharmen Referenzoszillatoren sind derzeit Stand der Technik für Kommunikationssysteme. Jedoch können mit einem Mode Locked Laser (MLL) erzeugte optische Impulsfolgen einen um 2-3 Größenordnungen kleineren Jitter erreichen. Es wurde auch gezeigt [4], dass durch die Verwendung eines optoelektronischen Phasendetektors und einer Phasenregelschleife ein Mikrowellenoszillator an einen MLL gekoppelt werden kann. Solche opto-elektronischen Phasenregelkreise (OEPLL) haben ein großes Potenzial für eine neue Klasse von Frequenzsynthesizern mit extrem niedrigem Jitter.

Die größten Nachteile dieser OEPLLs sind ihre großen und teuren optischen Komponenten. Elektronisch-photonisch integrierte Schaltungen auf Basis der Silizium-Photonik-Technologie bieten das Potenzial für eine extreme Miniaturisierung dieser optischen Komponenten sowie die Integration von Optik und Elektronik und beides bei geringen Kosten.

Ziel dieses Projekts ist die Implementierung eines monolithisch-integrierten OEPLL mit einem extrem niedrigen Phasenrauschen. In Zusammenarbeit mit unseren Projektpartnern an der Ruhr-Universität Bochum entwickeln wir die nächste Generation von jitterarmen Mikrowellensignalquellen. Diese Art von Signalquelle verwendet eine PLL, die die optische Pulsfolge eines MLLs als Referenz verwendet. Um die Vorteile des Referenzsignals im optischen Bereich voll auszuschöpfen, erfolgt die Phasendetektion elektrooptisch mit einem Mach-Zehnder-Modulator (MZM).

In der ersten Phase wird das Gesamtsystem mit modularen Komponenten realisiert. In der zweiten Phase werden der MZM und die Elektronik in einem einzigen Siliziumchip integriert. Die Arbeit wird von theoretischen Untersuchungen begleitet, die durch Messungen validiert werden.

Ziel des Projekts ist, dass der additive Jitter des OEPLL kleiner als der Referenz-MLL-Jitter ist. Das Mikrowellensignal hätte damit einen In-Band Jitter, der herkömmliche elektronische PLLs bei Weitem übertrifft.

References:
[1] Kim et al, “Sub-100-as timing jitter optical pulse trains from mode-locked Er-fiber lasers,” Optics letters, vol. 36, no. 22, pp. 4443-4445, 2011.
[2] “Ultra Low Phase Noise Oven Controlled Crystal Oscillator,” Vectron, Datasheet OX-305.
[3] “Voltage Controlled SAW Oscillator Surface Mount Model,” Synergy Microwave, Datasheet HFSO1000-5.
[4] Jung et al, “Subfemtosecond synchronization of microwave oscillators with mode-locked Er-fiber lasers,” Optics letters, vol. 37, no. 14, pp. 2958-2960, 2012

Wissenschaftlicher Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Christoph Scheytt

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SPEED - Siliziumphotonik für Datencenter-Anwendungen - BMBF Projekt

Die steigende Nachfrage nach zentraler Speicherung und Verarbeitung von Daten rückt das Datencenter in den Fokus der Strategien von großen Inhalts- und Dienstanbietern, wie Google, Amazon, Microsoft u.a. Derzeit werden auf der ganzen Welt Mega-Datencenter in der Größe von Lagerhallen neu errichtet und entwi­ckeln sich immer mehr zu Knotenpunkten der globalen IKT-Infrastruktur. In Mega-Datencentern gewinnt die optische Datenübertragung eine immer entscheidendere Bedeutung, da sie es ermöglicht, Netzwerke mit größerer Reichweite, höheren Datenraten, geringerer Latenz und verbesser­ter Energieeffizienz zu realisieren. Speziell für den Datencenterbereich entwickelte optische Transceiver werden zukünftig in hohen Stückzahlen eingesetzt werden, erfordern aber gleichzeitig eine hohe Kosteneffizienz sowie eine geringe Leistungsaufnahme und geringen Platzbedarf

Hier treten die Vorteile der Silizium-Photonik-Technologie zutage, mit der optische und elektronische Funktionen in einem Massenprozess kompakt, energieeffizient und kostengünstig monolithisch integriert werden können. Die Silizium-Photonik ist in den letzten Jahren aus dem Forschungsstadium herausgetreten und dabei, sich im Markt zu etablieren. Diesen Trend greift das BMBF-Projekt SPEED (Silicon Photonics Enabling Exascale Data Networks) auf, um eine deutsche Plattform für anwendungsspezifische, elektronisch-photonische Silizium-ICs voranzutreiben und auf dieser Basis innovative Transceiver-Technik für Datencenter-Anwendungen zu entwickeln.

Elektronisch- Photonische ICs für Datenübertragung mit 400Gb/s
Im Rahmen von SPEED arbeitet die Fachgruppe Schaltungstechnik des Heinz Nixdorf Instituts in einem Konsortium von 11 industriellen und akademischen Partnern an opto-elektronischen Transceivern für 400 Gb/s Datenübertragung. Dabei werden zwei verschiedene Transceiver-Typen als Silizium-ICs realisiert, die sowohl Intra- als auch Inter-Datencenteranwendungen adressieren. Beim ersten Transceiver handelt es sich um einen 4-Wellenlängen-Transceiver mit Direktdetektion, konzipiert für passive Intra-Datencenterlinks bis zu einer Reichweite von 2 km. Der Transceiver wird im Wellenlängenmultiplex (CWDM) betrieben. Auf 4 Wellenlängen werden jeweils 100 Gb/s mittels 4-stufiger Pulsamplitudenmodulation übertragen. Beim zweiten Transceiver handelt es sich um einen wellenlängenabstimmbaren Transceiver mit kohärenter Detektion, konzipiert für optisch verstärkte Tb/s-Inter-Datencenterlinks bis zu einer Reichweite von 80km. Der Transceiver wird auch im Wellenlängenmultiplex (DWDM) betrieben, wobei bis zu 96 Kanäle in einer Glasfaser übertragen werden sollen, um Faserkapazitäten von mehr als 25 Tb/s erreichen zu können.

Wissenschaftlicher Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Christoph Scheytt

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SPP 2111 - Integrierte Elektronisch-Photonische Systeme für die Ultrabreitbandige Signalverarbeitung - DFG Schwerpunktprogramm

Das Schwerpunktprogramm "Integrierte Elektronisch-Photonische Systeme für die Ultrabreitbandige Signalverarbeitung" (SPP 2111) ist ein neu eingerichtetes Förderprogramm, das sich mit dem noch jungen Forschungsgebiet der integrierten, elektronisch-photonischen Systeme auf Basis neuer nanophotonischer/nanoelektronischer Halbleitertechnologien, insbesondere der Siliziumphotonik und Indium-Phosphid-Technologien, befasst. Das Programm wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert und von Prof. Christoph Scheytt koordiniert.

Das Ziel des Schwerpunktprogramms ist, nanophotonische/ nanoelektronische Halbleitertechnologien aus einer Systemperspektive heraus zu untersuchen und neue Konzepte für die elektronisch-photonische Signalverarbeitung und Algorithmen, sowie neue integrierte elektronisch-photonische Systemarchitekturen zu finden. Die Forschung fokussiert auf drei Schwerpunkte:

  • Ultrabreitbandige elektronisch-photonische Signalverarbeitung mit Bandbreiten weit jenseits elektronischer Systeme
  • Frequenzsynthese, Analog-Digital-Wander, Digital-Analog-Wandler auf Basis von mode-locked Laser
  • Optische und THz-Sensorik

Die Forschungsarbeiten werden in enger fachübergreifender Zusammenarbeit von Forschern aus Halbleiterphysik, Elektronik, Photonik, Informatik, Kommunikationstechnik, Mikrosystemtechnik und Sensorik durchgeführt.

Wissenschaftlicher Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Christoph Scheytt

Mehr Informationen über das SPP 2111 und eine Liste der derzeit geförderten Projekte der ersten Phase des SPP (2018 bis 2021) sind in der Förderdatenbank GEPRIS der DFG zu finden unter: gepris.dfg.de/gepris/projekt/359861158

PONyDAC - Precise Optical Nyquist Pulse Synthesizer DAC - DFG SPP 2111
Erzeugung breitbandiger Nyquistpulse unter Verwendung von Mach-Zehnder Modulatoren und optischem Interleaving

Schnelle Digital-Analog-Umwandler (engl. digital-to-analog converter, DAC) sind unverzichtbare Komponenten in modernen Signalverarbeitungs-Systemen. Bandbreite und effektive Auflösung (engl. effective number of bits, ENOB) sind wichtige Kenndaten von schnellen DACs. Gleichzeitig stellen sie einen Zielkonflikt beim Entwurf eines DACs dar: Je breitbandiger der DAC, desto geringer ist typischerweise die Auflösung. Gründe dafür sind der Jitter des Taktsignals und die Linearität schneller Transistoren, die für die Ausgangsstufe des DACs benötigt werden [1]. Diese grundsätzlichen physikalischen Begrenzungen motivieren die Suche nach neuen DAC-Konzepten. Besonders vielversprechend sind elektronisch-photonische DAC-Konzepte und ihre integrierte Realisierung mittels Siliziumphotonik.

Das Ziel des PONyDAC Projekts ist die Untersuchung von elektronisch-photonischen DACs mittels Synthese optischer Nyquistpulse und optischem/elektronischem Time-interleaving. Dieses Konzept soll in modernster Siliziumphotonik-Technologie, durch die monolitische Ko-Integration von photonischen und elektronischen Komponenten, implementiert werden. Dieser völlig neue Ansatz hat das Potential die Signalbandbreite heutiger DACs zu vervielfachen.

Das funktionale Prinzip ist in Abb. 1 dargestellt. Ein Mach-Zehnder Modulator (MZM) wird optisch von einem Continous Wave Laser (CW)  und elektronisch von einer hochfrequenten Signalquelle (RFG, radio frequency generator) mit möglichst geringem Phasenrauschen gespeist. Durch Einstellung sowohl der Amplitude und Frequenz des Signals als auch des Arbeitspunkts des MZMs können optische Frequenzkämme erzeugt werden, welche im Zeitbereich periodischen Nyquistimpulsen mit einstellbarer Repititionsrate und Pulsweite entsprechen [2]. In einem folgenden optischen Leistungsteiler werden die Nyquistpulsefolgen in N Arme aufgeteilt und zeitlich zueinander verzögert. Die Mach-Zehnder Modulatoren in den Armen werden durch elektronische DACs [s_0 s_1…s_(N-1)] angesteuert und modulieren den Lichtpuls im jeweiligen Arm. In einem optischen Kombinierer werden die modulierten Signale bei passender Verzögerung (time-interleaving) zu einem einzelnen Ausgang überlagert.

Das Konzept des optischen time-interleaving ermöglicht eine sehr hohe Ausgangsbandbreite, die ein Vielfaches der Bandbreite elektronischer DACs betragen kann. Im Projekt soll ein elektronisch-photonischer DAC in einer modernen Siliziumphotonik-Technologie realisiert werden [3], der eine Ausgangsbandbreite von mehr als 100 GHz erreicht.

Das Projekt PONyDAC wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Schwerpunktprogramms „Electronic-Photonic Integrated Systems for Ultrafast Signal Processing“ (SPP 2111) gefördert. Projektpartner ist das Institut für Hochfrequenztechnik der TU Braunschweig (Prof. Thomas Schneider).

[1] M. Khafaji, J. C. Scheytt, et. al., "SFDR considerations for current steering high-speed digital to analog converters," 2012 IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting (BCTM), Portland, OR, 2012
[2] M. A. Soto et al., “Optical sinc-shaped Nyquist pulses of exceptional quality,” Nat. Commun., vol. 4, no. May, pp. 1–11, 2013.
[3] L. Zimmermann et al., “BiCMOS Silicon Photonics Platform,” Opt. Fiber Communication Conference (OFC), San Diego, p. Th4E.5, 2015.

Wissenschaftlicher Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Christoph Scheytt

FFlexCom - High Frequency Flexible Bendable Electronics for Wireless Communication Systems” - DFG Schwerpunktprogramm, SPP 1796

Ziel der ersten Förderperiode des Projektes ist eine Bibliothek mit Bauelementen und analogen sowie digitalen Grundschaltungen für Sensor und Kommunikationsanwendungen basierend auf amorphen Metalloxiden auf flexiblen Substraten. Zur Implementierung der Hardware sollen Feldeffekttransistoren mit amorphen n-Halbleitern verwendet werden, die bei oder nahe der Raumtemperatur abgeschieden werden. Zunächst sollen diese auf Zinkzinnoxid basieren, später jedoch auch Materialien mit höherer Beweglichkeit untersucht werden. Für die Gatestruktur sollen MISFET, MESFET und JFET (basierend auf amorphen oxydischen p-Halbleitern) verglichen und die am besten geeignete Technologie für Schaltungen auf flexiblen Substraten (Kriterien: Gleich- und Wechselstromverhalten, Verhalten unter mechanischem und elektrischem Stress, Einfachheit und Reproduzierbarkeit der Fertigung) ausgewählt und detaillierter weiterverfolgt werden. Der gesamte Herstellungsprozess wird auf Temperaturen unter 100 °C begrenzt. Der Abscheidevorgang für die amorphen Halbleitermaterialien, der derzeit mit PLD bei Raumtemperatur erfolgt, soll auf Sputtern übertragen und optimiert werden, da diese Methode in der Industrie etabliert ist und die Skalierung für künftige Anwendungen erlaubt. Basierend auf der Fertigung und Charakterisierung der passiven und aktiven Bauelemente sollen Modellbibliotheken entwickelt werden, die die Basis von Schaltungssimulationen analoger und digitaler Grundschaltungen ermöglichen. Für erste Demonstratoren wird die Frequenz von 6.8 MHz, im weiteren Projektverlauf das ISM-Band bei 13.5 MHz für Sensor- und Kommunikationsanwendungen auf flexiblen Substraten, z.B. nahe am menschlichen Körper, angestrebt. Hieraus ergibt sich der Wunsch, in der zweiten Förderperiode mit einer dritten Gruppe zusammenzuarbeiten, die im Bereich der Kommunikationstechnik, Sensorik oder Medizinelektronik tätig ist. Daher sollen die Ergebnisse einschließlich der Modell-, Bauelementeund Schaltungsbibliotheken nicht nur publiziert, sondern vor allem im Rahmen des Schwerpunktprogramms FFlexCom den Partnern angeboten werden.

Wissenschaftlicher Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Andreas Thiede

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Die Universität der Informationsgesellschaft