Terahertz Links auf Basis von elektronischen und photonischen Bauelementen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bereits in der Anfangsphase des Projekts wurde im Rahmen einer gemeinsamen Messkampagne in Lille und mit Hilfe von Transceiver-Modulen eines vorangegangenen Projekts gezeigt, dass hoch-bitratige Datenübertragung mit bis zu 100 Gbit/s mit einem optischen Transmitter und einem elektrischen Empfänger im WR3.4 Band (220-330 GHz) möglich ist. Aufgrund von Kürzungen bei der Finanzierung des elektrischen Empfängers waren zusätzliche Arbeit und Aufwand notwendig, um einen PCB-basierten Workflow zur Integration der 300 GHz Empfänger-MMICs am ILH aufzubauen. Es wurden zwei Empfänger-Versionen entworfen – jeweils mit Breakouts, um die funktionalen Komponenten zu vermessen: Die erste Version des Empfängers ist die Verbesserung eines zuvor entworfenen resistiven Mischers, der wie simuliert funktioniert. Dies wurde mit on-wafer-Messungen nachgewiesen und publiziert. Die Integration einer 300 GHz On-Chip-Antenne (AoC) und eines rauscharmen Verstärkers wären aufgrund der erforderlichen Chip-Fläche und der resultierenden Seitenverhältnisse des MMIC nicht möglich gewesen. Die zweite Generation des 300 GHz-Empfängers nutzt eine aktive Mischer-Schaltungstopologie, die weniger Leistung des Lokaloszillators und keinen Puffer-Verstärker mehr benötigt. Dies ermöglichte die monolithische Integration der übrigen funktionalen Stufen inclusive einer AoC. Durch nachträgliches Abtrennen der AoC konnte auch für diese Empfängervariante erfolgreich die Funktionalität in on-wafer Messungen nachgewiesen werden. Allerdings ergaben sich bei dieser zweiten Empfängervariante Probleme bei der Herstellung und eine geringe Chip-Ausbeute bei der Halbleiter-Foundry. Dies machte eine Alternativlösung mit der ersten Empfänger-Variante erforderlich, die aufgrund der fehlenden Antenne und des fehlenden Verstärkers eigentlich nicht zur Bestückung gedacht war, nun aber in Form eines Multi-Chip Moduls zusammen mit einer alleinstehenden AoC und einem alleinstehenden 300 GHz Vorverstärker-MMIC integriert wurde. Beide Empfänger-Module enthalten speziell entworfene DC Versorgungsnetzwerke und breitbandige Impedanzanpassnetzwerke, die jeweils mit umfassenden elektro-magnetischen Feldsimulationen entworfen wurden. Es wurden zwei PCBs zu beiden Varianten hergestellt. Bei der experimentellen Verifikation stellte sich der Konversionsgewinn beider Empfänger-Module leider als zu niedrig heraus. Es bestand ein Offset von -50 dB zur Simulation für die erste Version mit AoC und -28 dB für die Version des Multi-Chip-Moduls. Die Hauptursache für den Offset bei der Version mit AoC konnte auf Chipfertigungsprobleme und das Fehlen von Metall-Luftbrücken bei den Tandem-X Kopplern zurückgeführt werden. Dies verursacht eine ungenügende Signalstärke des Lokaloszillators und eine Abschwächung des RF-Signals in der Mischerstufe. Die Ursache für die Abweichung beim Konversionsgewinn des Multi-Chip-Moduls ist wahrscheinlich in einer Kombination des Einflusses der Chip-zu-Chip Bonddrahtübergänge und stärker als erwartet ausfallenden Antennenverlusten zu suchen. Abgesehen von dem zu geringen Konversionsgewinn funktionierten die Module gut und es konnte ein verlässlicher Chip-on-PCB Workflow für 300 GHz Empfänger etabliert werden. Die DC-Netzwerke funktionieren wie erwartet und die Stabilität der Chips war bis auf den Verstärker gewährleistet. Dessen Instabilität wird wahrscheinlich durch eine schlechte Impedanzanpassung am Ein- und Ausgang verursacht. Die Torpanpassung an den koaxialen Konnektoren der Zwischenfrequenz- und Lokaloszillatortore ist sehr gut. Die abgestuften Impedanzfilter zur Kompensation des Bonddrahtes an den IF- und LO-Anschlüssen verhalten sich auch wie erwartet. Der niedrige Konversionsgewinn der Module (-48 dB und -42 dB) machte jedoch weitere Messungen in Kombination mit dem photonischen Empfänger überflüssig, da in der Anfangsphase des Projekts bereits bessere Resultate mit den bereits vorhandenen Modulen erzielt wurden. Beim Projektpartnern in Lille werden noch Messungen der AoC stattfinden, die jedoch bei der Erstellung dieses Abschlussberichts noch nicht erfolgt sind.
