In den letzten Jahren sind die Taktfrequenzen elektronischer Bauteile der Informationsverarbeitungs- und Kommunikationstechnik stetig angestiegen. Dies stellt metrologische Staatsinstitute wie die PTB vor die Aufgabe, neue Verfahren zur rückführbaren Messung der Übertragungseigenschaften und Eigenanstiegszeiten von Höchstfrequenzelektronik zu entwickeln. Routinemäßig werden hierzu sinusförmige Spannungssignale mit diskreter Frequenz eingesetzt. Durch Variation der Frequenz können die Übertragungseigenschaften als Funktion der Frequenz bestimmt werden. Solche Messungen lassen sich bis zu Frequenzen von etwa 100 GHz durchführen.
Um den Bereich höherer Frequenzen, d. h. das Sub-THz- und THz-Gebiet, messtechnisch zu erschließen, bieten sich optoelektronische Messverfahren an. Die in der Arbeitsgruppe Terahertz-Optik verwendeten Verfahren basieren auf Techniken der Femtosekunden-Optik. Das Grundprinzip ist das Folgende: Anstelle einer Sinusspannung wird ein 
ultrakurzer Spannungsimpuls als Testsignal verwendet. Mit Hilfe zeitaufgelöster optischer Abtastverfahren wird die Form dieses Impulses vor und nach dem Durchgang durch das Messobjekt bestimmt. Aus der Verformung des Testpulses lassen sich die Übertragungseigenschaften des Messobjekts berechnen. Wenn sich das Messobjekt als lineares System beschreiben lässt, was sehr häufig der Fall ist, ergibt sich seine Impulsantwort aus der Entfaltung des Ausgangsimpulses mit dem Eingangsimpuls.
Zeitaufgelöstes optoelektronisches Messverfahren: Halbleiterschaltung und Laserstrahlen (rot eingefärbt) zur Erzeugung und Vermessung ultrakurzer Spannungsimpulse. Links im Bild ist der Kopf eines 50-GHz-Oszilloskops zu sehen, dessen Anstiegszeit kalibriert werden soll.
Der zeitliche Verlauf von ultrakurzen Spannungsimpulsen kann mit rein optischen Abtastverfahren unter Einsatz von Femtosekunden-Laserimpulsen gemessen werden. Häufig wird die Methode des elektro-optischen Abtastens benutzt. Dazu wird ein elektro-optischer Kristall (z. B. LiTaO3) nahe an die spannungsführende Schaltung gebracht. Das elektrische Feld des Spannungsimpulses ändert den Brechungsindex des elektro-optischen Kristalls und damit die Phase eines in den Kristall fokussierten Abfrage-Laserimpulses. Diese Phasenänderung ist ein Maß für die Spannung. Durch Variation der Zeitverzögerung zwischen dem Abfrage-Impuls und dem Laserimpuls, der zur Erzeugung des Spannungsimpulses verwendet wird, lässt sich die Form des Spannungsimpulses mit einer Zeitauflösung von 300 fs bestimmen. Als Laserquelle dient ein modengekoppelter Titan:Saphir-Laser.
Prinzip einer elektro-optischen Abtastmessung. Der Spannungsimpuls, dessen Zeitverlauf bestimmt wird, ist blau gezeichnet.
Der externe elektro-optische Kristall hat den Nachteil, dass er eine Diskontinuität in der Wellenleitung erzeugt, auf der der Spannungsimpuls propagiert. Diese Leitungsdiskontinuität stört den zu messenden Spannungsimpuls und verfälscht damit das Messergebnis. Die Arbeitsgruppe Terahetz-Optik hat daher in den letzten Jahren das Abtastverfahren mit externen elektrooptischen Kristallen optimiert. Mit den entwickelten Methoden ist es nun möglich, die Störung eines externen elektro-optischen Kristalls auf den gemessenen Spannungimpuls zu reduzieren oder sogar herauszurechnen.
In der Arbeitsgruppe Terahertz-Optik werden ebenfalls alternative optische Abtastverfahren zur zeitlich aufgelösten Messung ultraschneller elektrischer Feldänderungen untersucht und entwickelt. So konnte vor kurzem erst eine neuartige Messmethode vorgestellt werden, die auf der spektralen Integration über feldinduzierte Franz-Keldysh Oszillationen im Absorptionsspektrum eines Halbleiters beruht.
Weitere Informationen bei 
Mark Bieler.
© Physikalisch-Technische Bundesanstalt, letzte Änderung: 2011-11-17, Hans Harcken
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