Gekoppelte, hybride Bandbreitenerhöhungstechniken für BiCMOS Multiplexer und Demultiplexer über 200 Gb/s

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Frank Ellinger
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 464608440

Zukünftige Kommunikationssysteme benötigen Datenraten über 100 Gbit/s. Zur Verarbeitung derart hoher Geschwindigkeiten können die Daten mittels Multiplexer- (MUX) und Demultiplexer- (DMUX) Schaltungen in mehrere parallele Pfade mit geringerer Datenrate aufgeteilt werden. In BiCMOS wurden MUX ICs mit Datenraten bis 180 Gb/s und DMUX ICs bis 100 Gb/s publiziert. Für maximale Geschwindigkeiten sind Techniken mit induktiver Bandbreitenerhöhung erforderlich. Mit Spulen in Reihen-, Parallel- oder T-Schaltung können die Bandbreiten um Faktoren von bis zu 1,4, 1,7 bzw. 2,8 erhöht werden. PEAK möchte MUX- und DMUX-ICs in BiCMOS mit Datenraten über 200 Gb/s erforschen. Dies beinhaltet die Latches zur Synchronisation. T-Spulen werden hauptsächlich durch gekoppelte Spiralinduktivitäten realisiert und liefern Eigenresonanzfrequenzen (SRFs) von weit unter 200 GHz. Daher sind diese nicht für PEAK geeignet. Auf Basis von Transmissionsleitungen untersuchen wir neuartige T-Spulen, die auch über 200 GHz gut funktionieren. T-Spulen nutzen eine starke wechselseitige Spulenkopplung. Bei etwa 200 GHz ist das Verhältnis zwischen der Länge der gekoppelten Leitungen und den Abständen jedoch gering. Dies führt zu kleineren Kopplungsfaktoren und zu einer wenig effizienter Bandbreitenerhöhung. Wir untersuchen, wie die Spulenkopplung bei hohen SRFs maximiert werden kann. Darüber hinaus optimieren wir Schaltungen mit moderater Kopplung der T-Spulen, z.B. durch Hinzufügen von zusätzlichen Polen bzw. Kombinationen mit Spulen in Reihen- und/oder Parallelschaltung. Diese Verfahren werden durch eine intelligente Verteilung von Bandbreitenerhöhungsmethoden an den Eingangs-, Zwischen- und Ausgangsknoten ergänzt. Um die Potenziale und Grenzen zu verstehen, werden wir die theoretischen Grundlagen entsprechend herleiten bzw. erweitern. Zusätzlich zur Bandbreite optimieren wir die Sprungantwort, den Jitter von Takt- und Eingangssignalen, die Gruppenlaufzeit und die Augenöffnung. Die Verbindungs-Parasitäten werden einbezogen. Optional betrachten wir Multiphasenarchitekturen, um die Anforderungen an die Latches zu reduzieren. Zur Verifikation der Ansätze werden integrierte MUX- und DMUX-IC-Demonstratoren in schnellster IHP-BiCMOS-Technologie realisiert. Unsere Simulationen zeigen, dass MUX- und DMUX-Geschwindigkeiten über 200 Gb/s möglich sein sollten. Die ICs werden für zwei Anwendungen genutzt: Erstens als Basis für schnellere Kommunikationssysteme und zweitens zur Erweiterung unserer MORE-Messplattform. MORE beinhaltet u.a. unseren SHF-Bitfehlerratentester (BERT), mit dem Schaltkreise selbst mit NRZ (Non-Return-to-Zero) Modulation mit bis zu 120 Gbit/s pro Kanal gemessen werden können. Durch Verwendung zweier Kanäle und der MUX- und DMUX, kann der MORE-BERT auf eine Rekordgeschwindigkeit von 200 Gbit/s erweitert werden. Somit können in Zukunft wesentlich schnellere ICs entwickelt werden. Dies kommt dem MORE-Konsortium zugute, welches aus 12 Lehrstühlen von 6 Universitäten besteht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen