SPP 2111 - Ultrabreitbandiger Photonisch-Elektronischer Analog-Digital-Wandler (PACE) - Phase 2

Siliziumbasierte Analog-Digital-Wandler (ADCs), die mit Abtastraten im zweistelligen GSa/s-Bereich arbeiten, sind heute Stand der Technik. Obwohl diese Wandler heute mit noch nie dagewesenen Abtastraten arbeiten, verbessern sich die effektive Auflösung (effective number of bits, ENOB) und die Analogbandbreite nur langsam. Ein wesentliches Hindernis für die weitere Verbesserung von Bandbreite und Auflösung ist der sog. Aperturjiitter, d.h. die zeitliche Unsicherheit der Abtastung, welche das Produkt aus ENOB und Bandbreite begrenzt. Die derzeit besten ADCs erreichen einen Aperturjitter von ca. 60fs, was ungefähr dem Taktjitter der verwendeten rauscharmen elektronischen Taktgeneratoren entspricht [1]. Eine weitere Reduzierung wird insbesondere für Abtastraten im hohen GHz-Bereich nur möglich sein, wenn sich der Taktjitter signifikant verringert. Dem gegenüber zeigen ultra-stabile moden-gekoppelte Laserquellen (MLLs) schon heute einen Taktjitter von wenigen Attosekunden [2]. Würde man diese Quellen als Referenz für die Abtastung verwenden, könnte man die Leistungsfähigkeit der ADCs um mehrere Bits verbessern, was mit diskreten elektronisch-photonisch ADCs bereits demonstriert wurde [1].

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens untersuchen wir ultra-breitbandige elektronisch-photonische ADCs in Siliziumphotonik-Technologie. Ziel ist es dabei, eine signifikante Verbesserung des ENOB-Bandbreite-Produkts experimentell zu demonstrieren. Dies würde eine revolutionäre Verbesserung des Standes der Technik bedeuten, welcher durch den geringen Jitter, die hohe Bandbreite und die massive Parallelisierbarkeit von integrierter Optik ermöglicht wird. Hierfür werden im Rahmen des Gemeinschaftsvorhabens zwei verschiedene elektronisch-photonische ADC-Architekturen und neuartige elektronisch-photonische Sampling-Techniken untersucht, für die analogen Bandbreiten von 500GHz bzw. 100 GHz, sowie ein ENOB von 5 bzw. 8 bit erreicht werden sollen.

Das Projekt PACE wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Schwerpunktprogramms „Electronic-Photonic Integrated Systems for Ultrafast Signal Processing“ (SPP 2111) gefördert. Projektpartner sind die RWTH Aachen (Prof. Jeremy Witzens), Karlsruhe Institut für Technologie (Prof. Christian Koos) und die Universität Hamburg / DESY (Prof. Franz-Xaver Kärtner).

[1]   A. Khilo et al., “Photonic ADC: overcoming the bottleneck of electronic jitter,” Opt. Express, vol. 20, no. 4, p. 4454, 2012.

[2]   A. J. Benedick, J. G. Fujimoto, and F. X. Kärtner, “Optical flywheels with attosecond jitter,” Nat. Photonics, vol. 6, no. 2, pp. 97–100, 2012.

Photonisch-elektronische Signalverarbeitungskonzepte in Verbindung mit hochstabilen Jitter-armen modengekoppelten Kurzpuls-Lasern eröffnen vielversprechende Möglichkeiten zur breitbandigen rauscharmen Analog-Digital-(A/D-)Wandlung elektrischer Signale. Gegenstand von PACE sind integrierte photonisch-elektronische Analog-Digitalwandler, die sich zeitlicher oder spektraler Multiplexing-Ansätze bedienen und mit denen sich die Begrenzungen herkömmlicher Konzepte bzgl. des Auflösungs-Bandbreiteproduktes überwinden lassen. Dabei sollen neben den Signalwandlern selbst auch die zugehörigen Kurzpulslaser erarbeitet werden, um einen ganzheitlichen Lösungsansatz zur Verfügung zu stellen und damit den Weg für die weiterführende Systemintegration zu ebnen.Aufbauend auf den Ergebnissen der ersten Förderphase zielen die Arbeiten der zweiten Phase nun darauf ab, die Bandbreite von A/D-Wandlern auf Basis spektraler Multiplexverfahren auf 400 GHz zu erhöhen und ein integriertes optoelektronisches Wandlersystem im Chip-Format zu realisieren. Im Hinblick auf A/D-Wandler nach dem Prinzip des zeitlichen Multiplexings sollen neuartige optisch getriggerte Track-and-Hold-Verstärker und optoelektronische Phasenregelschleifen aus der ersten Förderphase genutzt werden. Integriert-optische modengekoppelte Laser mit optischen Verstärkermedien auf Basis seltener Erden dienen als Referenz zur Stabilisierung halbleiterbasierter Kammlaser, mit denen sich die Pulswiederholrate unter Beibehaltung eines geringen zeitlichen Jitters entscheidend erhöhen lässt. Zur breitbandigen Signalwandung werden elektro-optische Modulatoren erarbeitet, die auf organischen elektro-optischen Materialien oder Lithiumniobat-Dünnschichtstrukturen beruhen.

DFG-Verfahren Schwerpunktprogramme

Teilprojekt zu SPP 2111: Integrierte Elektronisch-Photonische Systeme für die Ultrabreitbandige Signalverarbeitung