Elektronischer analoger Multiplexer für Hochgeschwindigkeitskommunikationssysteme (ELAMUR)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das ungebrochene, exponentielle Wachstum des weltweiten Datenverkehrs erfordert immer höhere Signalbandbreiten auf optischen Übertragungsstrecken, um den Datendurchsatz zu erhöhen, ohne dass zusätzliche Übertragungskanäle benötigt werden. Auf der Senderseite betrifft dies insbesondere die elektronischen Digital-Analog-Wandler (DACs). Wegen ihrer Kosten- und Energieeffizienz werden für Hochgeschwindigkeits-DACs derzeit hauptsächlich CMOS-Technologien eingesetzt, wobei aktuelle DACs bis zu 120 GS/s erreichen und in den nächsten Jahren mit neuesten 3-nm-Technologien voraussichtlich bis zu 200 GS/s möglich werden. Die sehr kleinen Transistordimensionen und die dafür erforderliche viellagige, sehr feine Metallisierung bedingen jedoch große parasitäre Kapazitäten, wodurch die analoge Ausgangsbandbreite der CMOS-DACs stark limitiert wird. Heterostruktur-Bipolartransistoren auf Silizium-Germanium (SiGe) bieten dagegen höhere Grenzfrequenzen bei gröberer Metallisierung und somit höherer Signalbandbreite. Der niedrige Integrationsgrad, geringe Energie- und Kosteneffizienz und thermische Aspekte verhindern jedoch die Anwendung von reinen SiGe-DACs in kommerziellen Datenverbindungen. Daher sind hybride Konzepte vielversprechend, die CMOS-DACs mit weniger komplexen SiGe-Schaltungen zur Erhöhung von Samplerate und Bandbreite verbinden. Der analoge Multiplexer ¨ (AMUX) ist eine solche Schaltung, die mehrere DAC-Ausgange zu einem Ausgangssignal kombinieren und so Ausgangsbandbreiten von über 100 GHz erzielen kann, ein für reine CMOS-DACs aktuell unerreichbarer Wert. Im Projekt ELAMUR haben die Antragsteller mehrere 2-zu-1-SiGe-AMUX-ICs entworfen und hergestellt, die eine analoge Bandbreite von über 110 GHz erreichen. Hinsichtlich der erzielten Ausgangssymbolrate bei Verwendung von AMUX setzen diese Ergebnisse den aktuellen Stand der Technik, mit 190 GBd bei 4 Signalstufen (PAM-4). Dies wurde u.a. durch einen On-Chip- Taktverdoppler und fortgeschrittene Signal-Vorverzerrung erreicht, die mit Hilfe eines umfangreichen Simulationsframeworks für 2-zu-1 Multiplexer entwickelt wurde. Um noch höhere Symbolraten und Bandbreiten erreichen zu können, muss eine großere Anzahl DAC-Kanäle kombiniert werden. Die Antragsteller haben daher Vorarbeiten für einen 4-zu-1-AMUX durchgeführt, einschließlich Schaltplan-Simulationen für einen direkten 4-zu-1-AMUX und dem Aufbau einer Plattform für kaskadiertes N-zu-1-Multiplexing. Die in diesem Projekt erzielten Ergebnisse sind die Grundlagen für künftige AMUX-Entwürfe in SiGe-HBT-Technologie für Symbolraten bis zu 300 GBd und darüber hinaus. Das Projekt hat damit einen wertvollen Beitrag geliefert, um trotz der kleiner werdenden Fortschritte der CMOS- Halbleitertechnologie den weiterhin steigen Bedarf an Datendurchsatz auf nachhaltige und effiziente Weise zu ermöglichen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Analog 2:1 Multiplexer with over 110 GHz Bandwidth in SiGe BiCMOS Technology. 2021 IEEE BiCMOS and Compound Semiconductor Integrated Circuits and Technology Symposium (BCICTS), 1-4. IEEE.
Tannert, Tobias; Grozing, Markus; Berroth, Manfred; Schmidt, Christian; Choi, Jung Han; Caspar, Christoph; Schostak, Jonathan; Jungnickel, Volker; Freund, Ronald & Rucker, Holger
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120 GBd SiGe-Based 2:1 Analog Multiplexer Module for Ultra-Broadband Transmission Systems. 2021 16th European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC), 169-172. IEEE.
Schmidt, C.; Tannert, T.; Choi, J.H.; Caspar, C.; Pech, D.; Wunsch, S.; Ropers, G.; Schostak, J.; Jungnickel, V.; Freund, R.; Grozing, M. & Berroth, M.
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128 GSa/s SiGe Analog Multiplexer Enabling PDM-DSCM-PCS-256QAM Transmission over 80 km SSMF. Optica Advanced Photonics Congress 2022, SpTh1I.6. Optica Publishing Group.
Hu, Qian; Schuh, Karsten; Aref, Vahid; Buchali, Fred; Tannert, Tobias; Grözing, Markus; Berroth, Manfred; Schmidt, Christian; Schostak, Jonathan; Caspar, Christoph; Choi, Jung Han; Jungnickel, Volker & Freund, Ronald
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150 GBd PAM-4 Electrical Signal Generation using SiGe-Based Analog Multiplexer Ic. 2022 17th European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC), 173-176. IEEE.
Schostak, J.; Tannert, T.; Schmidt, C.; Rucker, H.; Jungnickel, V.; Grozing, M.; Berroth, M. & Freund, R.
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190 GBd PAM-4 Signal Generation using Analog Multiplexer IC with On-Chip Clock Multiplier. 2023 18th European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC), 1-4. IEEE.
Schostak, Jonathan; Tannert, Tobias; Grözing, Markus; Jungnickel, Volker; Schmidt, Christian; Rücker, Holger; Berroth, Manfred & Freund, Ronald
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467 Gbit/s Net Bitrate IM/DD Transmission Using 176 GBd PAM-8 Enabled by SiGe AMUX with Excellent Linearity. Optical Fiber Communication Conference (OFC) 2024, M2H.4. Optica Publishing Group.
Hu, Qian; Tannert, Tobias; Grözing, Markus; Raybon, Gregory; Borkowski, Robert; Buchali, Fred; Chen, Xi; Iannone, Pat; Rademacher, Georg & Ryf, Roland
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“Cascaded 4:1 AMUX-DAC Using Novel Clocking and Advanced DSP”, in 18th European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC), IEEE, 2024
J. Andree, S. Khatdeo, C. Schmidt, et al.
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High-Performance SiGe Analog Multiplexer Enabling 176 GBd PAM-8 Transmission. Journal of Lightwave Technology, 43(4), 1881-1892.
Hu, Qian; Grözing, Markus; Tannert, Tobias; Borkowski, Robert; Buchali, Fred; Iannone, Pat; Raybon, Gregory; Chen, Xi; Rademacher, Georg & Ryf, Roland
