Photonik-Chip für kompakte Datenverarbeitung
Modul vereint optische und Mikrowellensignalverarbeitung auf einem einzigen Siliziumchip.
Die Photonics Research Group und IDlab, zwei imec-Forschungsgruppen an der Universität Gent, und imec, ein Forschungs- und Innovationszentrum für Nanoelektronik und digitale Technologien haben ein voll integriertes Single-Chip-Mikrowellen-Photoniksystem entwickelt, das optische und Mikrowellensignalverarbeitung auf einem einzigen Siliziumchip kombiniert. Der Chip integriert Hochgeschwindigkeitsmodulatoren, optische Filter, Photodetektoren sowie im Transferdruckverfahren hergestellte Laser und ist damit eine kompakte, in sich geschlossene und programmierbare Lösung für die Hochfrequenzsignalverarbeitung. Das Modul kann sperrige und stromfressende Komponenten ersetzen und ermöglicht schnellere drahtlose Netzwerke, kostengünstige Mikrowellensensorik und einen skalierbaren Einsatz in Anwendungen wie 5G/6G, Satellitenkommunikation und Radarsystemen.
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Kommunikationsnetze stützen sich sowohl auf Hochgeschwindigkeits-Glasfaserverbindungen als auch auf die drahtlose Hochfrequenz-Mikrowellenübertragung. Da jedoch die Nachfrage nach höheren Datenraten und dem Betrieb bei höheren Frequenzen steigt, benötigen neue Systeme eine viel engere Integration zwischen diesen beiden Kommunikationsarten, um den Kampf mit der Komplexität der Signalverarbeitung, den hohen Übertragungsverlusten und der energiehungrigen Elektronik zu überwinden. Die Mikrowellenphotonik bietet eine vielversprechende Lösung, indem sie die optische Technologie nutzt, um Hochfrequenzsignale mit geringerem Verlust, höherer Bandbreite und verbesserter Energieeffizienz zu verarbeiten.
Die meisten Mikrowellenphotoniksysteme basieren jedoch auf sperrigen, faserbasierten Architekturen, die die Skalierbarkeit einschränken. Im Gegensatz dazu könnte die Integration von Mikrowellenphotonik auf einem Chip skalierbarere und energieeffizientere Systeme ermöglichen. Bei ersten experimentellen Demonstrationen fehlten jedoch entweder wichtige Funktionen oder es waren externe Komponenten erforderlich, um die volle Leistung zu erreichen. Imec und die Universität Gent demonstrieren jetzt eine Silizium-Photonik-Engine, die sowohl optische als auch Mikrowellensignale auf einem einzigen Chip verarbeitet und umwandelt.
Dieses neue System kombiniert einen rekonfigurierbaren Modulator und einen programmierbaren optischen Filter, um eine effiziente Modulation und Filterung von Mikrowellensignalen zu ermöglichen und gleichzeitig den Signalverlust erheblich zu reduzieren. Diese Kombination verbessert die Gesamtleistung, so dass das System komplexe Signalverarbeitungsaufgaben mit größerer Flexibilität und Effizienz für eine breite Palette von Anwendungen bewältigen kann.
Der Chip basiert auf der Standard-Silizium-Photonik-Plattform iSiPP50G von imec, die verlustarme Wellenleiter und passive Komponenten, Hochgeschwindigkeitsmodulatoren und -detektoren sowie thermo-optische Phasenschieber zur Abstimmung der optischen Reaktion umfasst. Um eine integrierte Lichtquelle bereitzustellen, haben die Forscher einen optischen Verstärker aus Indiumphosphid (InP), der von III-V Lab entwickelt wurde, auf dem Chip unter Verwendung der von der Photonics Research Group (imec/Universität Gent) entwickelten Mikrotransferdrucktechnologie integriert. In Kombination mit abstimmbaren Filterschaltungen auf dem Chip kann der optische Verstärker als weit abstimmbarer Laser fungieren, was die Vielseitigkeit des Systems weiter erhöht.
„Die Möglichkeit, alle wesentlichen Mikrowellen-Photonik-Komponenten auf einem einzigen Chip zu integrieren, ist ein wichtiger Schritt in Richtung skalierbarer und energieeffizienter Hochfrequenz-Signalverarbeitung“, sagte Wim Bogaerts von der Photonics Research Group an der Universität Gent und imec. „Durch den Wegfall sperriger externer Komponenten ebnet diese Technologie den Weg für kompaktere, kostengünstigere Lösungen in drahtlosen Netzwerken der nächsten Generation und fortschrittlichen Sensoriksystemen.“
Imec / U. Gent / JOL
