Eine hochgenaue, ultraschnelle und energieeffiziente Informationsverarbeitung ist in vielen Anwendungen erforderlich, sei es in Kommunikationssystemen, beim Einsatz Künstlicher Intelligenz oder auch bei der Arbeit mit Präzisionsmessgeräten. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat jetzt die Förderung des Projekts „MINTS“ (MLL-basierte Integrierte THz-Frequenz-Synthesizer) um weitere drei Jahre mit einer Fördersumme von rund 415.000 Euro verlängert. In Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut (HHI) in Berlin erforscht und entwickelt das Projektteam um Prof. Dr. Christoph Scheytt vom Institut für Elektrotechnik und Informationstechnik sowie Leiter der Fachgruppe „Schaltungstechnik“ am Heinz Nixdorf Institut der Universität Paderborn und Prof. Dr. Martin Schell, Leiter des Fraunhofer HHI, Synthesizer, die sehr präzise und stabil Frequenzen im Terahertz-Bereich (THz) erzeugen können. Zur Einordnung: Diese Frequenzen liegen zwischen dem Infrarotlicht und den Mikrowellen.
Effiziente Systeme mit geringem Phasenrauschen
Seit Anfang 2022 widmen sich die Wissenschaftler*innen des Projekts „MINTS“ der Untersuchung von elektronisch-photonischen THz-Frequenzsynthesizer-Architekturen. Ein THz-Frequenzsynthesizer ist im Wesentlichen ein Gerät, das in der Lage ist, sehr präzise und kontrollierbare Signale bei sehr hohen Frequenzen zu erzeugen. „Lange Zeit bestand eine große Herausforderung darin, dass es keine wirksamen Technologien gab, die effizient zwischen dem Infrarot- und dem Mikrowellenbereich arbeiten. Mit den Fortschritten in der Halbleiter- und Lasertechnologie ist die THz-Technologie jedoch viel leichter zugänglich geworden, erklärt Scheytt. So kann THz-Strahlung für bildgebende Verfahren, wie beispielsweise in der Spektroskopie, für die Materialforschung, in der Sicherheitstechnik und in der Wireless-Kommunikation mit sehr hohen Datenraten eingesetzt werden.
Die Wissenschaftler*innen konzentrieren sich nicht nur auf die Erzeugung hoher Frequenzen, sondern arbeiten auch an Stabilität, Präzision und Kontrollierbarkeit. Eine zentrale Herausforderung ist das Phasenrauschen, das Signale sowohl in elektronischen als auch in optischen Geräten beeinflusst und zu schnellen Schwankungen im Signal führt. „Das kann Signale schwächen oder in Kommunikationssystemen zu fehlerhafter Datenübertragung führen“, erklärt Projektpartner Schell. „Unser Ziel ist es, ein geringeres Phasenrauschen als bei rein elektronischen THz-Frequenzsynthesizern zu erreichen und damit eine maximale Signalstabilität zu gewährleisten“, ergänzt Scheytt. Die Verringerung der Anfälligkeit für Phasenrauschen verbessert die Signalqualität und ermöglicht einen effizienteren Betrieb der Systeme, was zu einem geringeren Energieverbrauch führt, und die Entwicklung nachhaltigerer Technologien fördert.
Erste Erfolge und Pläne für die zweite Projektphase
In der ersten Phase des Projekts gelang es den Wissenschaftler*innen unter anderem, den elektro-optischen Phasendetektor, die Kernschaltung des OEPLL-Synthesizers, genau zu modellieren, das additive Phasenrauschen in Silizium-Photonik-Wellenleitern und Antriebsverstärkern zu charakterisieren und das Phasenrauschen von THz-Signalen zu messen. Silizium-Wellenleiter sind grundlegend für die Silizium-Photonik und spielen eine zentrale Rolle bei der optischen Signalübertragung und -verarbeitung auf einem Mikrochip. Die Forschenden verwenden einen elektro-optischen Phasendetektor, um die Phasenverschiebung zwischen einem elektrischen und einem optischen Signal zu messen. Dieses Gerät wird in verschiedenen technischen und wissenschaftlichen Anwendungen eingesetzt, zum Beispiel in der Kommunikationstechnik, wo optische Datenübertragungssysteme kalibriert und überwacht werden müssen, um einen stabilen Betrieb zu gewährleisten.
In der zweiten Projektphase wird das Team auf dem Erfolg der ersten Phase aufbauen und an weiteren Optimierungen arbeiten. „Wir untersuchen einen alternativen diskreten Ansatz zur Erzeugung von THz-Signalen aus MLL und verfolgen gleichzeitig die hybride Integration von THz-OEPLL unter Verwendung eines Silizium-Photonik- (SiPh) oder Indiumphosphid- (InP) PIC-Chips und eines SiGe-THz-Emitter-Chips, um eine miniaturisierte THz-Quelle zu ermöglichen“, sagt Vijayalakshmi Surendranath Shroff, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Heinz Nixdorf Institut. Diese Technologien kommen zum Beispiel in modernen Datenzentren, Lidar-Systemen, Quantencomputern und Hochgeschwindigkeits-Telekommunikation zum Einsatz.
