FORSCHUNG

Forschung im Studienbereich Informationstechnologie und Elektrotechnik

Forschung und Entwicklung haben im Studienbereich Informations- und Elektrotechnik einen hohen Stellenwert, der sich in zahlreichen Projekten und Aktivitäten wiederspiegelt.

Unser Studienbereich profitiert dabei in mehrfacher Hinsicht:

  • Mit Hilfe der Fördermittel werden Labore auf den letzten Stand der Technik gebracht
  • Studierende bearbeiten aktuelle Themen im Rahmen von Projekt- und Abschlussarbeiten und erwerben so am Arbeitsmarkt gefragtes knowhow
  • die Ergebnisse der Projekte fließen in die Lehrinhalte ein.

Forschungsschwerpunkte

Digitales Kino & TV

IT-TV-LIVE

Das Projekt IT-TV-Live stellte die innovative Produkt-Entwicklung eines dynamisch skalierbaren Live-Produktions-Systems für die neue IT basierte Broadcastindustrie dar. Die sehr flexible, leistungsfähige und kostengünstige Plattform für Bild- und Tonverarbeitung, bestehend aus überwiegend standardisierter IT-Technologie, kann überall dort eingesetzt werden wo es auf schnelle Bild- und Tonverarbeitung in höchster Qualität ankommt.

Konsortialführer des interdiziplinären Verbundes mit der C.R.S.iiMotion GmbH  und der Hochschule RheinMain, dort Prof. Dr.-Ing. Ruppel und Prof. Dr.-Ing. Rolf Hedtke, war Scalable Videosystems.

Dieses Projekt (HA-Projekt-Nr.:346/12-36) wurde im Rahmen von Hessen ModellProjekte  als KMU-Modell- und Pilotprojekt (MPP) aus Mitteln des Landes Hessen und der Europäischen Union (Europäischer Fonds für Regionale Entwicklung – EFRE) gefördert.

EDCine

Im EU-Projekt "Enhanced Digital Cinema" - kurz EDCine - arbeiteten Forscher des "Digitals Cinemas" des Fachbereichs Ingenieurwissenschaften unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Ruppel an neuartigen Verfahren zur Produktion von Filmen für das digitale Kino.

3D-Kino

Die Kinobranche ist eine der letzten Domänen der Analogtechnik. Während in der Filmproduktion bereits seit einiger Zeit leistungsfähige Digitalkameras eingesetzt werden und auch in der Nachbearbeitung weitgehend mit digitalen Formaten („Digital Intermediate“) gearbeitet wird, erfolgen derzeit im Bereich der Filmdistribution noch weit über 90% aller Auslieferungen in analoger Form als klassische Filmrolle.
Im Rahmen des Forschungsprojektes "Softwareplattform zur Contenterstellung für das Digitale 3D-Kino der Zukunft" sollten insbesondere das neue Gebiet der Erstellung und Distribution stereoskopischer Digitalfilme adressiert werden.
Die Intention war, erstmalig einen softwarebasierten Workflow für die Produktion von stereoskopischen Inhalten auf der Basis der Anforderungen der großen Studios zu entwerfen und zu implementieren, der es dann auch unabhängigen und kleineren Produktionshäusern sowie Hochschulen ermöglicht, ihre jeweiligen Inhalte für Digitalkinos anzubieten.

Das interdisziplinäre Forschungsvorhaben im Verbund mit zwei Firmen und der Hochschule für Film und Fernsehen "Konrad Wolf", Potsdam-Babelsberg unter Projektleitung von Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Ruppel wurde vom BMBF im IngenieurNachwuchs gefördert.

Hochfrequenztechnik & EMV

Cognitive Radio

Im Rahmen der BMBF-Ausschreibung "Kognitive drahtlose Kommunikationssysteme"  wird im Verbundvorhaben "kogLTE" unter Leitung der RWTH Aachen ein innovatives Funkgerät für Mobilfunkanwendungen erforscht, das sich in Abhängigkeit der veränderlichen Funkumgebungsbedingungen permanent eine für die drahtlose Kommunikation optimale Frequenz sucht und hierfür über eine adaptive Hochfrequenzelektronik verfügt.

Mit diesen Forschungsaktivitäten sollen Funkfrequenzen besonders im hinsichtlich der Funkausbreitung äußerst attraktiven Frequenzbereich unterhalb von 900 MHz weitaus effizienter genutzt werden als bisher.

Im kogLTE-Verbund untersucht Prof. Dr.-Ing. Werner Schroeder im Teilvorhaben kogANT Antennensysteme für kognitive Funkgeräte.

ADVANT

Die Integration mehrerer Antennen auf kleinstem Raum und ihre Entkopplung als Voraussetzung für den gleich-zeitigen Empfang mehrerer Datenströme stellt die Ent-wickler bei sich kontinuierlich verändernden Umgebungsbedingungen vor neue Herausforderungen: Im Projekt ADVANT unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. Werner Schroeder werden mit einem führenden europäischen Hersteller neue Technologien entwickelt.

MIMOTEST

Die kommende Generation der wireless broadband Standards bedient sich ausnahmslos der Mehrantennentechnik. Die unter dem Oberbegriff multiple input – multiple output (MIMO)-Systeme bekannten Übertragungsverfahren finden sich u.a. in diversen Standards. Für den Test von Endgeräten mit Mehrantennentechnik sind neue Testverfahren, Bewertungsgrößen und Messeinrichtungen zu entwickeln.

Ziel des BMBF-Projektes MIMOTEST unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. Werner Schroeder ist es, gemeinsam mit den Industriepartnern praxisgerechte Lösungen zu entwickeln, zu erproben, in die Anwendung zu überführen und ggf. in die Standardisierungsgremien einzubringen.

Nanoelektronik

"WinGreen" - Simulation of semiconductor nanodevices

WinGreen is a simulation package for ballistic transport calculations in layered semiconductors. Based on realtime Green's functions it provides a quantum mechanical approach for the description of nonequilibrium electronic transport. The Coulomb interaction between charged particles is calculated via a Hartree selfconsistent single-particle potential employing the Poisson equation and the charge density from the Green's functions. Scattering (phonons, impurities, interface roughness etc.) is incorporated by means of an optical potential which is an empirical parameter. The material layer sequence is formulated on the basis of localized atomic orbitals with material dependent inter-layer coupling matrices. This real-space tight binding approach provides an intuitive model of heterointerfaces.

The WinGreen simulation package may be used and distributed free of charge for non-commercial purposes.

Copyright (c) 2000-2010 K. M. Indlekofer and J. Malindretos. All rights reserved.

Applications:
[1] GaN-RTD: phys. stat. sol. (b) 234, 769 (2002)
[2] Ferroelectric tunnel junction: Europhys. Lett. 72, 282 (2005)

"NWFET-Lab" - Simulation of nanowire transistors

One of the major challenges for the realistic simulation of nanoscale field-effect transistors (FET) consists in an adequate description of the Coulomb interaction: A proper simulation approach has to account for the Coulomb interaction of a few fluctuating electrons and at the same time has to be able to describe non-equilibrium transport in an open nanosystem. For the simulation of quantum transport in realistic device systems, a mean-field approximation (e.g. Hartree potential) is commonly employed, rendering such an approach unable to describe few-electron Coulomb blockade effects. On the other hand, a full many-body approach is numerically unfeasible due to the large number of degrees of freedom in realistic device structures.
The main idea behind our multi-configurational self-consistent Green's function approach (MCSCG) [1,2,3] is to identify the small number of states that are responsible for the many-body Coulomb effects. In turn, these relevant states are treated by use of a many-body technique while the rest is handled by a conventional mean-field approximation. This approach allows for the systematic inclusion of few-electron Coulomb interaction effects for application-relevant conditions (see figure).

NWFET-Lab is an open source software project which is based on the MCSCG approach.
 nwfetlab

Copyright (c) 2010-2013 K. M. Indlekofer and J. Castelo. All rights reserved.

Further reading:
[1] Phys. Rev. B 72, 125308 (2005)
[2] Phys. Rev. B 74, 113310 (2006)
[3] IEEE Trans. Electron Dev. 54, 1502 (2007)

THz fingerprints of nano-FETs

So far, common characterization methods for FETs involve signal frequencies from DC up to 100 GHz. However, typical energy scales of quantized states in realistic nanowire FETs are on the order of a few meV corresponding to the THz frequency range. We therefore propse signals in the THz regime to directly probe quantum transitions between few-electron states within a nanowire FET. For the first time, we have simulated the intra-band THz response of such devices by means of a novel many-body quantum approach (BBCI) [1,2], taking quantization and few-electron Coulomb interaction effects beyond mean-field into account. Combining this spectroscopic approach with a multi-gate design [2], we obtain spatially resolved information about the electronic spectra inside the FET, far beyond the limitations of standard characterization methods.
The figure shows a schematic sketch of the considered nanowire FET with multiple gate segments and the THz spectrum of a realistic example. Such a spatially resolved spectrum can be interpreted as a fingerprint of the concrete electronic structure, which might prove useful in future experimental realizations as a means to characterize nanoscale devices for information technology.

Further reading:
[1] cond-mat/0609540 (2006)
[2] Phys. Rev. B 77, 125436 (2008)

Quantum collimation in top-down nanocolumns

At a first glance, Fermi-level pinning and the resulting surface depletion of many III-V semiconductor materials might have a negative impact on the scaling properties of semiconductor nanodevices. However, considering a nanocolumn with embedded double-barrier energy filter, we have demonstrated how one can actually utilize a non-uniform surface depletion region for the realization of a quantum constriction within the channel of the nanocolumn [1,2]. Due to the resulting few-mode transport scenario, an improved nanodevice performance can be predicted from a simple quantum collimation model (see figure). Indeed, such a behavior has been observed experimentally in our GaAs-based top-down nanocolumn devices [1,3].

Further reading:
[1] Nano Letters 5, 2470-2475 (2005)
[2] Appl. Phys. A 87, 559 (2007)
[3] Nanotechnology 20, 465402 (2009)