Vollständig integrierter optoelektronischer Empfänger mit robuster PAM-N-Takt-Datenrückgewinnung (FIORD)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Friedel Gerfers; Dr.-Ing. Andrea Malignaggi
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 527822112

State-of-the-art Silizium-Photonik-Transceiver verwenden sowohl auf der Sender- als auch auf der Empfängerseite eine Signalverarbeitung, die meist mit digitalen Signalprozessoren (DSPs) außerhalb des Chips erfolgt. Diese Lösungen ermöglichen lediglich 64 Gbaud, da diese durch Interconnecttechnologien wie Bondwire stark begrenzt sind. Optoelektronische Systeme der nächsten Generation erfordern mindestens 2-4-fach höhere Datenraten pro Wellenlänge und Fiber, so dass hierducrh ein grundlegender Engpass für optoelektronische Transceiver auf dem Weg zu 1 Tbps besteht. Die erste Schlüsselinnovation der vorgeschlagenen architektonischen Lösung für Übertragungsraten von ≥ 224 Gbit/s erfordert die vollständige monolithischen Integration, bei der sowohl die optischen RX & TX Komponenten einschließlich der kritischen CDR-Loop zusammen mit den erforderlichen DSP der ersten Ebene auf demselben Siliziumsubstrat eingebettet sind. Zusätzliche Innovationen der monolithisch integrierten Takt- und Datenrückgewinnung (CDR) zusammen mit einer PLL mit geringem Phasenrauschen gewährleisten eine dynamische Breitband-Phasen- und Frequenznachführung der eingehenden PAM-N-Datensätze, um Datenraten pro Träger von 224 Gbit/s oder mehr pro Wellenlänge und Fiber zu ermöglichen. Der neue Ansatz konzentriert sich daher auf PAM-N Modulationsverfahren (N=4, 6, 8), um dieses Ziel zu erreichen. Die Wahl der optimalen Architektur ergibt sich einer Trade-Off-Analyse zwischen SNR, CDR-Tracking-Bandbreite und Jitter, PAM-N-Linearität (RLM) und Signalbandbreite. Um einen robusten PAM-N CDR-Betrieb mit minimaler Bitfehlerrate (BER) und verbesserter Energieeffizienz pro übertragenem Bit zu gewährleisten, werden die folgenden wissenschaftlichen und technischen Herausforderungen angegangen: 1- Neue Algorithmen zur Phasenverriegelung, die für Hochgeschwindigkeits-PAM-4- / PAM-6- / PAM-8-Signale geeignet sind und den datenabhängigen Jitter eliminieren 2- CDR und PLL mit extrem niedrigem Phasenrauschen 3- Hochempfindliche Breitband-TIAs mit angemessener Entzerrung 4- Hoch-lineare Breitband-T&Hs und genaue ADCs 5- Herkömmliche Phasendetektoren (PD) wie der Alexander PD (APD), der üblicherweise für NRZ-Daten verwendet wird, führen bei der Anwendung auf PAM-N-Signale zu einem inakzeptablen datenabhängigen Jitter, der durch die dazwischen liegenden Signalübergänge mit unterschiedlichen Phasenverzögerungen verursacht wird. In diesem Vorschlag wird ein neuartiger CDR-Ansatz vorgestellt, der speziell auf PAM-N-Signale zugeschnitten ist und die genannten Probleme überwindet. Das ultimative Ziel dieses Forschungsvorschlags ist es, modernste optische Rx-Architekturen voranzutreiben, indem eine monolithisch integrierte Hochgeschwindigkeits-Low-Jitter PAM-N CDR-Lösung für zukünftige photonische Transceiver demonstriert wird. Diese Technologie ermöglicht nicht nur eine erhebliche Verbesserung der Robustheit und der Bitfehlerrate, sondern vor allem auch eine erhebliche Steigerung der Datenrate.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen