Fiber-Wireless-Fiber als vollintegriertes D-Band-System (FiWiFi)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dietmar Kissinger; Professor Dr.-Ing. Christian Waldschmidt
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 427778912

Bestehende opto-elektronische drahtlose Brücken werden als hybride Systeme realisiert in denen der optische und elektronische Teil als getrennte MMICs einzeln gehäust und durch Mikrodrähte oder Flip-Chip Techniken mit einem Motherboard verbunden werden, auf dem sich üblicherweise auch die Antenne befindet. Diese Konfiguration resultiert in hohen Verlusten und Bandbreitenbegrenzungen, die die heutige maximale Übertragungsgeschwindigkeit begrenzen. Ziel dieses Antrages ist es, diese Begrenzung durch eine monolithische Integration der gesamten elektro-optischen Übertragungskette von der Glasfaser bis zur Antenne auf einem einzigen Chip zu überwinden. Dazu soll im Projekt eine neue Technologieplattform des IHP genutzt werden, die die Integration von sowohl optischen Hochgeschwindigkeitskomponenten (Photodioden, MZM) als auch HF-Schaltungen wie Mischern und Verstärkern ermöglicht. Hinzu kommt die erstmalige Nutzung einer strukturierten Rückseitenmetallsierung in Kombination mit einer lokalen Rückseitenätzung für die Realisierung breitbandiger On-Chip Antennen.Unter Berücksichtigung typischer Glasfaser-Datenraten in einem Datenzentrum, technologischen Grenzen der Herstellungsprozesse sowie der Antennengröße wurde das D-Band gewählt. Dieses Frequenzband von 110 bis 170 GHz erlaubt einerseits sehr hohe Datenraten, befindet sich aber andererseits noch im Bereich üblicher SiGe HBT Transistorgeschwindigkeiten und Bandbreiten integrierter optischer Komponenten und Antennen. Die folgenden Hauptziele werden adressiert: • Elektro-optische Transmitter- und Empfängergeschwindigkeit: Die Geschwindigkeit bestehender opto-elektronischer TX und RX Realisierungen ist bisher nicht ausreichend um die Zielbandbreite zu unterstützen. Hier werden schnellere TIA- und MZM Treiber-Architekturen untersucht.• Transceiver- und Antennenbandbreite: Die avisierte 60 GHz Bandbreite, zentriert um 140 GHz, resultiert in einer hohen relativen Bandbreite von 43%. Darüber hinaus befindet sich das D-Band nahe an den aktuellen Technologiegrenzen. • Kommunikationsdistanz: Die Zielanwendung benötigt eine drahtlose Verbindung über mehrere Meter Distanz. Aufgrund der Freiraumdämpfung in diesem Frequenzbereich, der begrenzten Ausgangsleistung, hohen Rauschzahl und typisch niedrigem On-Chip Antennengewinn ist die Systemrealisierung sehr herausfordernd. Um alle oben genannten Herausforderungen zu adressieren schlagen die Antragsteller einen vollintegrierten 2-Chip Ansatz vor in dem ein elektro-optischer TX mit einem elektro-optischen RX-Chip drahtlos kommuniziert. Hauptvorteil des System ist die vollständige Integration von der Faser bis zur Antenne sowohl auf TX als auch auf RX-Seite. Unter Nutzung selbstkomplementärer Multi-Mode Antennen sollen darüber hinaus ausreichend hohe Antennengewinne bei einer hohen Bandbreite in verschiedene Abstrahlrichtungen erzielt werden, die durch neue Technologien wie Rückseitenstrukturierung in Kombination mit lokaler Ätzung ermöglicht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen