Mikrowellenphotonik
Mikrowellenphotonik ist ein interdisziplinäres Gebiet, das das Zusammenspiel zwischen Mikrowellensignalen und optischen Signalen untersucht. Wichtige Fragestellungen beschäftigen sich mit der Generierung, der Verteilung und der Verarbeitung von Millimeterwellensignalen mittels Photonik. Hierbei sollen die Vorteile der Glasfaser (Bandbreite und geringe Dämpfung) mit denen der elektronischen Hochfrequenzbaugruppen kombiniert werden, um innovative Lösungen hervorzubringen.
In der Nachrichtentechnik kann Mikrowellenphotonik von der Antenneneinheit bis zum Inhouse- oder Verteilnetz in unterschiedlichsten Anwendungen eingesetzt werden: beispielsweise in Radio-over-Fiber-Systemen und ggf. daran angeschlossenen photonisch steuerbaren Antennen, die optisch erzeugte Millimeterwellensignale abstrahlen.
Radio-over-Fiber
Als Radio-over-Fiber-Systeme werden faseroptische Lösungen im Zugangsnetz bezeichnet, die Funksignale verteilen. Zur Senkung von Investitions- (CAPEX) und Betriebskosten (OPEX) wird teure Ausstattung im Central Office (CO) für verschiedene Basisstationen (BS) gemeinsam genutzt. Im einfachsten Fall strahlen diese als abgesetzte Antennen (RAU) nur noch die im CO generierten Funksignale ab und leiten das empfangene Signal an dieses weiter.
Mit steigendem Bandbreitenbedarf erhöhen sich auch die Anforderungen an die Glasfaser als Übertragungsmedium. Effekte wie Nichtlinearitäten und Verzerrungen wie chromatische Dispersion sowie Polarisationsmodendispersion können insbesondere im Metro-Bereich nicht mehr länger vernachlässigt und müssen entzerrt werden.
Durch die gemeinsame Entwicklung von Radio-over-Fiber- und Funkfrontends können Synergien genutzt und zukunftsweisende Systemkonzepte realisiert werden.
Photonisch steuerbare Antennen
Photonische steuerbare Antennen zeichnen sich durch die optische Speisung der Antennenelemente und die optisch-elektrische Wandlung direkt vor dem Abstrahlen aus. Durch die Verwendung von Glasfasern kann die elektromagnetische Verträglichkeit des Speisenetzwerkes erhöht werden. Gleichzeitig kann die Generierung der Signale vom Abstrahlort entkoppelt werden, da die optische Übertragung dämpfungsarm ist.
Ein Vorteil von optischen Speisenetzwerken liegt in der Realisierbarkeit extrem breitbandiger Phasenschieber. Dies wird durch die nur im optischen einfach mögliche „True-Time-Delay“-Technik ermöglicht.
HF-Erzeugung
Die effiziente Erzeugung von Hochfrequenzträgern bis in den THz-Bereich ist eine Basistechnologie für vielfältige Anwendungen: Moderne Funksysteme im 60-GHz-Band, Radio-over-Fiber-Zugangsnetze, Radar- und THz-Technologien benötigen stabile rauscharme Hochfrequenzsignale.
Die Erzeugung dieser Hochfrequenzträger mit Frequenzen von mehr als 10 GHz stellt eine technische Herausforderung dar. Verschiedene Ansätze werden hierbei verfolgt: Die Nutzung elektrischer Oszillatoren mit und ohne Frequenzvervielfachung ist eine Möglichkeit. Diese direkte Erzeugung der Frequenz muss am Ort ihrer Nutzung erfolgen und erfordert kostenintensive Spezialschaltkreise. Die Verlustleistung steigt bei Halbleitern mit ihrer Betriebsfrequenz und reduziert die Energieeffizienz dieses Ansatzes.
Optische Hochfrequenzerzeugung mit ggf. niedrigen elektrischen Referenzfrequenzen erhöht die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) der frequenzerzeugenden Schaltung. Die Systemdesignmöglichkeiten werden erweitert, indem der Frequenzgenerator und der Abstrahlort durch die Nutzung optischer Verbindungen verlustarm räumlich voneinander getrennt werden können. Zur optisch-elektrischen Wandlung wird eine Photodiode genutzt, die in diesem Szenario die maximale Frequenz im System festlegt.
Elektromagnetische Modellierung und Charakterisierung photonischer Strukturen
Photonische Strukturen (Wellenleiter, Koppler, Gitter usw.) können zur Informationsübertragung und -verarbeitung genutzt werden. So können beispielsweise mikrowellenphotonische Systeme integriert werden. Eine andere Möglichkeit ist die Auswertung einer umgebungsabhängigen Übertragungsfunktion für Sensoranwendungen. Hier liegt der Fokus auf Biosensoren, die die Veränderung der Umgebungsbrechzahl auswerten.
Die Modellierung erfolgt sowohl mit analytischen Methoden als auch mit numerischen FDTD-Ansätzen.
Zukunftsthemen
Weitere Applikationen lassen sich im Bereich der THz-Technik und bei innovativen Radarkonzepten, die sowohl optische als auch elektronische Signale nutzen, finden.