NyPhE - Nyquist Silicon Photonics Engine

Durch den weltweit exponentiell wachsenden Datentransfer steigt der Bedarf an High-Speed Serverkommunikation in Datencentern. Anbieter von Cloud- und Streamingdiensten wie beispielsweise Google, Apple oder Amazon benötigen effiziente Server-Kommunikation mit hohen Datenraten. Um effizienten High-Speed Datentransfer zu ermöglichen werden innovative Transceiver Konzepte benötigt.

Siliziumphotonik ermöglicht hohe Kosten- und Verlustleistungseffizienz durch die Integration von optischen und elektronischen Komponenten gemeinsam in einem Siliziumchip. Allerdings limitiert die geringe Bandbreite elektrooptischer Modulatoren derzeit die Gesamtgeschwindigkeit von optischen Sendern und Empfängern in Silizium-Technologie.

Abbildung 1: Anwendung in Datencentern

Das NyPhE Projekt befasst sich mit der Entwicklung einer innovativen Sender- und Empfängerstruktur, die trotz geringer Bandbreiten der elektrooptischen Modulatoren hohe Datenraten von bis zu 400 Gbit/s ermöglicht. Dabei bestimmt die Geschwindigkeit des Modulators maßgeblich die Datenrate des Gesamtsystems. Durch die Verwendung von optischen Nyquist-Pulsen können jedoch mehrere Modulatoren in verschiedenen Kanälen verwendet und somit die Gesamtgeschwindigkeit erhöht werden [1]. Das rechteckige Frequenzspektrum der optischen Nyquist-Pulse kann durch einen Frequenzkamm approximiert und mittels eines CW-Lasers und eines Mach-Zehnder-Modulators generiert werden (siehe Abb. 2a). Da sich aufeinanderfolgende Nyquist-Pulse durch ihr charakteristisches Frequenzspektrum untereinander nicht beeinflussen, können mehrere Pulse auf verschiedenen Kanälen sequentiell moduliert (siehe Abb. 2b) und anschließend ohne Informationsverlust addiert werden (siehe Abb. 2c). Dadurch wird die Gesamtbandbreite des Systems erhöht und die Datenrate um die Anzahl der Kanäle vervielfacht.

Abbildung 2: Transceiver Struktur und Funktionsprinzip, CW: continuous wave, MZM: Mach-Zehnder modulator, BR: balanced receiver, TIA: transimpedance amplifier

Empfängerseitig kann das Signal ebenfalls sequentiell auf mehreren Kanälen verarbeitet werden. Dazu wird das optische Signal aufgeteilt, mittels elektrooptischer Modulatoren und Photodioden in elektronische Signale umgewandelt, verstärkt und ausgegeben.

Das Projekt wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung finanziert. Partner des Projekts sind die Technische Universität Dresden, Sicoya GmbH, die Technische Universität Braunschweig und die Leoni AG.

Referenzen

[1] Soto, M.A.et al., “Optical sinc-shaped Nyquist pulses of exceptional quality,” Nat.Commun. (2013).