de.wedoany.com-Bericht: Forscher der University of Illinois Urbana-Champaign haben eine auf Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasern (VCSEL) basierende Hochgeschwindigkeits-Tieftemperatur-Optikverbindungstechnologie vorgestellt, die Datenraten von bis zu 138 Gbps pro Kanal unterstützt und gleichzeitig die Wärmeableitung und den Stromverbrauch von Infrarot-Focal-Plane-Arrays (FPA) reduziert. Die Ergebnisse wurden in den „IEEE Photonics Technology Letters“ veröffentlicht und adressieren eine zentrale Herausforderung für zukünftige Tieftemperatur-Bildgebungssysteme – herkömmliche Kupferverbindungen leiten unerwünschte Wärme in empfindliche Detektoren ein.

Moderne Tieftemperatur-FPAs verbessern kontinuierlich Auflösung, Empfindlichkeit und Bildgeschwindigkeit, sodass die Gesamtdatenrate 100 Gbps übersteigt. Herkömmliche elektrische Verbindungen erfordern eine Vielzahl von Kupferverbindungen, die Wärme in die Tieftemperatur-Sensorkomponenten leiten und so das Rauschen der Detektoren sowie den Kühlbedarf erhöhen. Das Forschungsteam evaluierte VCSEL-Optikverbindungen, die bei Temperaturen von 77 Kelvin (-196 °C) bis 120 Kelvin (-153 °C) arbeiten, und demonstrierte Modulationsbandbreiten von über 50 GHz bei einem Vorstrom von unter 4 mA. Diese Bauelemente übertrugen erfolgreich 112 Gbps PAM-4-Signale und erweiterten die Rate pro Kanal auf 138 Gbps, mit einem TDECQ-Messwert von 3,42 dB bei 77 K und 4,15 dB bei 120 K, die beide innerhalb der geltenden IEEE-Spezifikationen für Kurzstrecken-Mehrfaserkommunikation liegen.

Die Forscher schätzten zudem die Energieeffizienz auf etwa 68 Femtojoule pro Bit bei 77 K und etwa 60 Femtojoule pro Bit bei 120 K, was zeigt, dass Tieftemperatur-VCSEL-Verbindungen die Bandbreitenanforderungen fortschrittlicher Infrarot-Bildgebungssysteme erfüllen und gleichzeitig die thermische Last und den Stromverbrauch senken können. Diese Studie deutet darauf hin, dass optische Verbindungen für zukünftige Tieftemperatursensoren in den Bereichen Verteidigung, wissenschaftliche Instrumentierung, Astronomie und anderen Hochleistungs-Bildgebungsanwendungen eine praktische Alternative zu Kupferverbindungen darstellen könnten.

„Diese Ergebnisse zeigen, dass Tieftemperatur-VCSEL-Optikverbindungen eine vielversprechende und kosteneffiziente Lösung für die Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikationsanforderungen von FPAs sein können“, so Liu.