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29.05.1981 - 

IBM will Glasfaser-Übertragung attraktiv machen:

Optischer Empfänger auf einem Silizium-Chip

STUTTGART (pi) - Im Thomas J. Watson Forschungszentrum der IBM in Yorktown Heights, New York, ist es gelungen, auf einem einzigen Siliziumchip einen optischen Empfänger herzustellen, der zu einer wirtschaftlicheren Nutzung von auf Glasfasern basierenden optischen (Übertragungssystemen zwischen Datenverarbeitungsgeräten führen könnte. Der neue Empfänger läßt sich mit relativ wenig Aufwand fertigen und kann bei Geschwindigkeiten arbeiten, die hoch genug sind, um die Vorteile der hohen Informationsübertragungskapazität von Glasfaserkabeln auszunutzen.

Optische Übertragungssysteme mit Glasfasern werden aufgrund ihrer spezifischen Vorteile in den kommenden Jahren in viele Bereiche der Nachrichtenübertragung eindringen. Über solche Kabel läßt sich wesentlich mehr Information transportieren als über Kupferleitungen. Neben höheren Übertragungsgeschwindigkeiten, kleineren Abmessungen und geringerem Gewicht bietet die Übertragung auf Glasfasern Unempfindlichkeit gegenüber elektrischen Störungen und Umgebungseinflüssen sowie Sicherheit vor unberechtigtem Abhören.

Ein preiswerter Empfänger könnte dazu beitragen, Glasfaserverbindungen auch für Anwendungen mit hohen Übertragungsraten attraktiv zu machen. Ein Beispiel für solche Anwendungen wären die Datenkänale die große Zentralcomputer mit peripheren Einheiten wie Speichern und Ein-/Ausgabegeräten verbinden. Für diese Kanäle werden derzeit noch voluminöse Kupferkabel verwendet. Auch der Einsatz optischer Übertragungssysteme in verteilten Datenverarbeitungsnetzen (DDP-Anwendungen) erscheint zukunftsträchtig.

Ein optisches Übertragungssystem verfügt auf der Sendeseite über einen Modulator, der elektrische Signale mit Hilfe eines Lasers oder einer lichtemittierenden Diode (LED) in Lichtimpulse umwandelt. Dieses Licht wird dann in ein Glasfaserkabel eingespeist, das die Lichtsignale zu einem Empfänger überträgt. Im Empfänger wandelt eine Fotodiode die Lichtsignale wieder in elektrische Signale um, die anschließend verstärkt werden. Aus den verstärkten Signalen werden digitale Impulse abgeleitet.

Datenrate bis zu 200 Megabit pro Sekunde

Um die Fabrikationskosten niedrig zu halten, ist es wünschenswert, möglichst viele Funktionen auf einem Siliziumchip unterzubringen. Mit der bisher üblichen Auslegung integrierter Schaltungen war es jedoch nicht möglich, die durch die Leistungsfähigkeit der Glasfasern geforderte große Bandbreite in den optischen Empfängern zu erreichen. Zwar gab es optische Empfänger, die diese Forderungen erfüllten, deren Schaltungen waren jedoch nicht auf einem einzigen Chip zusammengefaßt und deshalb wesentlich teurer Ganz allgemein läßt sich sagen, daß die Arbeiten auf dem Gebiet preiswerter optischer Empfänger mit logischer Ausgabe mit den Fortschritten bei Glasfaserkabeln und optischen Sendern nicht Schritt gehalten haben.

Durch das Stromverstarkungsprinzip, das erstmals für einen optischen Empfänger angewendet wurde, gelang es, die Forderungen nach hoher Bandbreite und niedrigen Kosten gleichermaßen zu erfüllen. Die Datenrate des neuen Empfängers beträgt bis zu 200 Megabit pro Sekunde, was eine Verbesserung um mehr als einen Faktor 13 gegenüber kommerziell erhältlichen, voll integrierten optischen Empfängern mit logischer Ausgabe bedeutet. Die Bandbreite liegt bei 180 Megahertz; der entsprechende optische Störsignalabstand beträgt 36 db. Mit den zu erwartenden Fortschritten in der Technologie von Siliziumchips könnte sich die Datenrate bis auf 1000 Megabit pro Sekunde erhöhen lassen. Die Anwendung des Stromverstärkungsprinzips eignet sich gut für eine Integration in Silizium, weil sie nur wenige Widerstände benötigt und Verstärkung und Bandbreite nur in geringem Umfang von den absoluten Werten der Komponenten in den integrierten Schaltungen abhängen.

Ähnlich einem konventionellen Differenzverstärker benutzt eine Stromverstärkerstufe ein Differenzenpaar als primäres Verstärkungselement. Der grundsätzliche Unterschied zwischen den zwei Verstärker-Versionen ist der, daß die neue Entwicklung den Eingang von Verstärkern in Basis-Schaltungen anstelle von Widerständen als Last in den einzelnen Stufen verwendet und die Ausgangsströme dieser Verstärker zu den Ausgangssignalen des Differenzenpaars addiert.

Ein Grund für den Unterschied in den Datenraten (beziehungsweise der Bandbreite) der zwei Verstarker-Versionen ist, daß die Geschwindigkeit des Differenzverstärkers durch den Basisbahnwiderstand begrenzt wird der einen niedrigeren Widerstandswert zwischen Basis und externer Schaltung bedingt. Diese Nachteile des Basisbahnwiderstandes werden in dem Stromverstärker wegen der erhöhten Eingangsimpedanz des Verstärkers in Basisschaltung bei hohen Frequenzen aufgehoben. Die Geschwindigkeit der neuen Schaltung ist deshalb nur durch die internen Eigenschaften des Transistors.

Wegen der geringen Anforderungen an die integrierten Komponenten können Master-Slice-Chips mit universellen integrierten Schaltungen verwendet werden. Sie lassen sich bestimmten Anwendungen durch das Aufbringen von individuellen Verdrahtungsebenen anpassen.

Der Empfänger läßt sich ohne Schwierigkeiten auch auf zu erwartenden leistungsfähigeren Master-Slice-Chips realisieren, wenn diese zur Verfügung stehen. Logische Funktionen können auf dem gleichen Chip hinzugefügt werden.

Der optische Eingang zum Chip ist eine handelsübliche Siliziumfotodiode, die zusammen mit dem Chip auf einem. Keramik-Substrat von 1,2 mal 1,2 Zentimetern aufgebracht wird.