Elektronischer analoger Multiplexer für Hochgeschwindigkeitskommunikationssysteme (ELAMUR)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Manfred Berroth; Professor Dr. Ronald Freund
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 423436357

Der weiterhin ungebremst ansteigende Datenverkehr in den weltweiten Übertragungsnetzen erfordert gesteigerte Bandbreiten insbesondere in den optischen Netzen. Aufgrund der mit der Anzahl der optischen Kanäle skalierenden Kosten ist es erforderlich, die Datenrate pro optischem Kanal zu maximieren, was eine Vergrößerung der Signalbandbreite des einzelnen Kanals erfordert.Die benötigte optische Bandbreite stellt höhere Anforderungen an die elektronische Seite der Sende- und Empfangseinheiten. Auf der Sendeseite betrifft dies insbesondere die elektronischen Digital-Analog-Umsetzer (DAC, engl. digital-to-analog converter). Der wachsende Bandbreitenbedarf in den Sendern konnte in den letzten Jahren noch durch CMOS-DACs in 65 bis 28 nm-Technologie mit Wandlungsraten von 56 bis 92 GS/s befriedigt werden. In letzter Zeit kristallisiert sich allerdings heraus, dass die maximale Wandlungsrate auch in modernsten CMOS-Technologien (z.B. 7 nm Fin-FET) kaum über 130 GS/s ansteigen wird und insbesondere die Ausgangssignalbandbreite Werte weit über 40 GHz kaum erreichen kann.Folglich wird dringend ein neues Schaltungskonzept benötigt, um die elektrische Bandbreite pro Kanal weiter zu steigern. Prinzipiell ist hierfür ein rein elektrisches Multiplex mehrerer analoger DAC-Ausgangssignale über einen analogen integrierten Schaltkreis wünschenswert. Als Verfahren kommen dabei das Frequenzmultiplex sowie das analoge Zeitmultiplex in Frage. Das Frequenzmultiplex benötigt diskret aufgebaute Mischer und analoge Filter hoher Güte, die für eine Hochintegration weniger gut geeignet sind. Einzig das analoge Zeitmultiplex bietet die Aussicht, mit einem einzigen kompakten monolithisch integrierten Baustein mehrere DAC-Ausgangssignale zu einem einzigen Signal zusammen zu führen. Die Antragsteller haben in 2017 bereits einen analogen 2-zu-1-Multiplexer (AMUX) für Baudraten bis 112 GBd demonstriert.In diesem Vorhaben sollen nun analoge Multiplexer mit mindestens vier Eingängen für Baudraten bis 200 GBd und Signalbandbreiten über 100 GHz erforscht und demonstriert werden. Es sollen verschiedene grundlegende Schaltungstopologien untersucht und die günstigste Schaltungsanordnung bezüglich Bandbreite und Signalqualität gefunden werden. Die Schaltung soll in ein Layout umgesetzt und in der Bipolartechnologie SG13G2 des IHP prozessiert werden. Die Quellen von linearen und nichtlinearen Verzerrungen in der Schaltung sollen identifiziert und in einem Verhaltensmodell abgebildet werden. Geeignete lineare und nichtlineare Verfahren zur Signalvorvorverzerrung sollen ermittelt, untersucht und umgesetzt werden. Mittels eines kommerziellen vierkanaligen Signalgenerators, dem Demonstrator-IC und der entwickelten Signalvorverzerrung sollen dann elektrische Signale hoher Qualität mit Bandbreiten bis 100 GHz und mit Symbolraten bis 200 GBd demonstriert werden. Zusätzlich wird das breitbandige Signal über einen optischen Link übertragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Dr.-Ing. Markus Grözing; Professor Dr. Volker Jungnickel