15.10.2022
In der PTB wurde ein Aufbau zur optoelektronischen Erzeugung und Detektion von breitbandigen Mikrowellensignalen demonstriert. Dieser Aufbau verwendet komplett optische Glasfasern zur Strahlführung ohne jegliche Freistrahlpropagation. Solche Methoden könnten sich als wichtig für zukünftige Quantentechnologie-Anwendungen erweisen.
Viele Anwendungen in der Quantentechnologie (QT) benötigen eine tiefkalte Umgebungstemperatur von wenigen Kelvin oder sogar wenigen zehn Millikelvin. Dies bedingt häufig eine komplexe Verkabelung zwischen Raumtemperatur-Komponenten und der tiefkalten Umgebung, in der die QT-Komponenten unter Einsatz von elektrischen Hochfrequenzsignalen betrieben werden. Dieser Umstand erschwert es, die Wellenform der Signale in der tiefkalten Umgebung experimentell mittels Messungen zu ermitteln, die unter Einsatz von Instrumenten in der Raumtemperatur-Umgebung durchgeführt werden. Abhilfe können optoelektronische Techniken schaffen, die eine Messung der Signalwellenform in direkter Nähe der Schaltungen bei tiefkalten Temperaturen ermöglichen. Voraussetzung für solche Messungen ist die Entwicklung von fasergekoppelter optoelektronischer Messtechnik, die es ermöglicht, optische Signale mittels Glasfasern zwischen Raumtemperatur und der tiefkalten Schaltungsumgebung zu übermitteln.
Im Rahmen des EU-Projektes „aCryComm“ wurden in der PTB erste Aufbauten realisiert, die eine fasergekoppelte Erzeugung und Detektion von breitbandigen Mikrowellensignalen mit Frequenzkomponenten oberhalb von 100 GHz ermöglichen. Die Messungen basieren auf einer koplanaren Wellenleitung (CPW), die an einem Ende mit einer schnellen Photodiode verbunden ist. Die Photodiode wird mit optischen Pulsen von etwa 200 fs Dauer angeregt. Dafür wird die Glasfaser mittels sogenannter Sleeves direkt mit der Photodiode in Verbindung gebracht. Die so erzeugten kurzen elektrischen Signale propagieren entlang der CPW und werden mit einem zweiten 200 fs langen optischen Puls abgetastet. Hierfür wird der elektro-optische Effekt in einem bestimmten Material ausgenutzt, welches (wieder unter Verwendung von Sleeves) oberhalb oder unterhalb der CPW platziert ist. Durch Variation der zeitlichen Verzögerung zwischen beiden optischen Pulsen ist es möglich, den zeitliche Verlauf des Mikrowellensignals zu bestimmen (siehe Bildteil a). Eine Fouriertransformation des zeitlichen Signals zeigt, dass mit dieser Technik Frequenzkomponenten von deutlich über 100 GHz erzeugt und detektiert werden können (siehe Bildteil b).
Dieses Schema, welches bislang erst bei Umgebungstemperatur realisiert und demonstriert wurde, wird nun für die zukünftige komplette Faserkopplung zwischen Raumtemperatur tiefkalter Umgebung weiterentwickelt.
Bild: Zeitlicher Verlauf (a) und Spektrum (b) des elektro-optisch gemessenen Mikrowellensignals. Der Einsatz in (b) zeigt schematisch die Wellenleiterstruktur und die Ein- bzw. Auskopplung der optischen Anrege- (links) und Abfragepulse (rechts).
Ansprechperson:
Shekhar Priyadarshi
Fachbereich 2.4 „Quantenelektronik“