Plasmonische Modulatoren und integrierte Schaltkreise für schnelle, energieeffiziente, adaptive optische Kommunikationssysteme (PLASMODICS)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Maurizio Burla; 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 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 564649948

Die optische Kommunikation nähert sich fundamentalen physikalischen Begrenzungen. Die für schnelle optische Modulatoren, z.B. auf Mach-Zehnder-Basis, erforderlichen hohen Modulationsspannungen schränken den Einsatz von höher skalierten Halbleitertechnologien für elektrische Treiber mit hoher Geschwindigkeit und niedrigem Energieverbrauch ein. Mit PLASMODICS schlagen wir Lösungen basierend auf plasmonischer Modulation vor, die um einen Faktor 10 kleinere Spannungen als bei herkömmlichen Ansätzen ermöglichen. Das Hauptproblem der relativ hohen Modulatorverluste wird durch plasmonische Ringstrukturen erheblich verringert, indem die Resonanz der Aus-Zustände eine vereinfachte Signalführung für die Ein-Zustände ermöglicht, was zudem zu sehr kleinen Abmessungen, kleinen parasitären Kapazitäten und hohen Bandbreiten führt. Gemäß unserem Wissen erforscht PLASMODICS erstmals das Co-Design von plasmonischen Niederspannungs-Ringmodulatoren und maßgeschneiderten elektrischen Treiber- und Steuerschaltungen, welche eine Bandbreitenadaptivität ermöglichen. Unser Ziel sind Modulatoren mit Verlusten <2 dB, Größe <10 µm, Bandbreite >100 GHz und Modulationsspannungen <1 V. Dazu untersuchen, vergleichen und optimieren wir u.a. verschiedene Herstellungskonzepte, Abmessungen und Materialien von plasmonischen Wellenleitern. Wir suchen nach Antworten auf neue Forschungsfragen, z.B. um wieviel kann die Leistung durch die niedrigere Modulations- und Versorgungsspannung im Treiber reduziert werden, bei gleichzeitig ausreichender Bandbreite und Linearität? Wie stark wirkt sich bei solch niedrigen Spannungen die Transistorsättigungsspannung aus und wie können Schaltungskonzepte verbessert werden, um diesen Effekt zu verringern? Ziel ist ein Treiber mit einer Rekordleistung <200 mW (>3x niedriger) bei Bandbreiten >100 GHz. Für maximale Bandbreiten wird der Treiber in der schnellsten SiGe-BiCMOS-Technologie (IHP SG13G3) mit fmax bis zu 650 GHz implementiert. Für niedrigere Datenraten von bis zu 50 Gb/s wird eine hochskalierte CMOS-Technologie (z.B. 22 nm FDX) untersucht. Systemeinsparpotenziale durch Adaptivität werden unter Berücksichtigung unterschiedlicher statischer und dynamischer Leistungsanforderungen sowie Schnittstellen zu künstlicher Intelligenz bewertet. Unseres Wissens nach ist dies die erste Studie eines Treibers zusammen mit einem plasmonischen Modulator, welche Steuerungskonzepte für eine Bandbreiten-DC-Leistungs-Adaptivität betrachtet. Wir untersuchen, wie stark die Modulationsspannung geregelt werden kann, um bei unterschiedlichen Bandbreitenanforderungen Energie zu sparen und gleichzeitig ausreichende Extinktions- und Signal-Rausch-Verhältnisse zu erreichen, während andere wichtige Parameter wie Signalpegel und Verstärkung beibehalten werden. PLASMODICS vereint die komplementären Kompetenzen von Burla in Photonik und Plasmonik, Ellinger in Schaltungsentwurf und Henker in elektrisch-optischer Modellierung und Systemintegration.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Ronny Henker