Integrierter duobinärer VCSEL Treiber für ultra-schnelle elektro-optische Transmitter für kurze Reichweiten (DUET)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Frank Ellinger
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 448522219

Im DUET Projekt wollen wir neue Konzepte und integrierte Treiber für die direkte Modulation von VCSEL Lasern mit duobinären Signalen entwickeln, um die Performanz optischer Sender zu verbessern und den Weg für die nächste Generation von optischen Kommunikationssystemen mit kurzen Reichweiten zu ebnen.Um den ansteigenden Datenverkehr im Internet, herbeigeführt durch den Fortschritt von Internet Anwendungen und der Entwicklung von 5G, 6G sowie dem Internet der Dinge, gerecht zu werden, wurden in den letzten 10 Jahren vermehrt VCSEL-basierende optische Datenverbindungen implementiert. Während sich VCSEL durch eine hohe Kosten- und Energieeffizienz auszeichnen, begrenzen sie durch Bandreiten unter 30 GHz die maximale NRZ Übertragungsdatenrate auf ca. 40 Gb/s. Daher wurden Verfahren vorgeschlagen, die diese Begrenzung durchbrechen. 4-stufige Pulsamplitudenmodulation (PAM-4) verdoppelt zwar die NRZ Datenrate. Dies geht allerdings mit einer erhöhten Systemkomplexität, einer Leistungseinbuße sowie einer reduzierten Toleranz gegenüber Rauschen und Nichtlinearitäten einher. Die schnellste VCSEL-Verbindung mit 71 Gb/s wurde durch eine Signalentzerrung auf Kosten eines hohen Energieverbrauchs von 13.4 pJ/bit erreicht. Für höhere optische Datenraten existiert heutzutage noch kein integrierter VCSEL-Treiber.Doubinäre Modulation erzeugt ein 3-stufiges Signal, welches die NRZ Datenrate verdoppelt. Im Vergleich zu PAM-4 kann sie viel einfacher und energieeffizienter implementiert werden und besitzt eine größere Toleranz gegenüber Rauschen und Nichtlinearitäten. Die Modulation wurde vorwiegend bei elektrischen Verbindungen, aber auch bei optischen Verbindungen mit großen Reichweiten bis über 100 Gb/s angewendet. Oftmals wird das duobinäre Signal nur mittels Laborgeräte oder digitaler Signalverarbeitung erzeugt, was ungeeignet für eine energieeffiziente Systemimplementierung ist. Für VCSEL-basierte Verbindungen gibt es dazu bisher nur sehr wenige Arbeiten und lediglich ein integrierter Treiber für 5 Gb/s ist bekannt.In DUET entwerfen wir neuartige VCSEL-basierte Transmitter mit integrierten duobinären Treibern in der schnellsten SiGe BiCMOS Technologie mit Transistoren mit einer maximalen Oszillationsfrequenz von 500 GHz. Es werden drei Treibertypen entworfen: ein duobinärer Pre-/Enkodierer, ein signalentzerrter duobinärer Treiber sowie ein Enkodierer-freier duobinärer Treiber. Außerdem untersuchen wir Treiber mit adaptiver Performanz und adaptivem Energieverbrauch, unter Anwendung unseres innovativen Ansatzes der gleichzeitigen Abstimmung von Bias-Strom und Lastwiderstand. Ausgehend von intensiven Systemsimulationen sowie der Modellierung moderner VCSEL und abschließend mit der Verifikation der entworfenen Hardware-Treiber, werden wir die bestmögliche Abstimmung zwischen hohen Datenraten von bis zu 116 Gb/s und niedrigem Energieverbrauch von weniger als 7 pJ/bit ermitteln. Dies entspricht einer 1,6- bzw. 1,9-fachen Verbesserung des Stands der Technik.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Ronny Henker