Logo PTB

Asynchrones Sampling zur Detektion ultrakurzer Spannungspulse

19.11.2018

An der PTB wurde ein neues optisches Verfahren zur Messung von hochfrequenten Spannungssignalen mit einer Bandbreite von bis zu 500 GHz entwickelt. Damit kann im Vergleich zu konventionellen optischen Verfahren eine bis zu viermal höhere Frequenzauflösung erzielt werden.

 

 

Durch die zunehmende Digitalisierung und neue Anwendungsbereiche in der Informations- und Kommunikationstechnik (z.B. Internet of Things, "IoT") steigt der Bedarf an immer höheren Datenübertragungsraten kontinuierlich an. Dies stellt hohe Anforderungen an die dafür verwendeten elektrischen und optoelektronischen Bauteile. Nur mit Hilfe zeitaufgelöster Messungen ist es möglich, die Übertragungseigenschaften derartiger Geräte zu charakterisieren und die Entwicklung neuer Übertragungstechnologien zu ermöglichen.

 

Die PTB verwendet zur Charakterisierung solcher Hochfrequenzgeräte bislang ein selbstentwickeltes elektrooptisches Messverfahren, das sogenannte elektrooptische Sampling. Es nutzt Femtosekundenlaser, die zunächst elektrische Spannungspulse mit sehr kurzen Pulsbreiten von ca. 2 ps mit einem ersten Puls erzeugen und anschließend mit einem zweiten, zeitlich verzögerten Puls vermessen können. Standardmäßig wird für ein solches Anrege-Abfrage-Experiment die Laufstrecke des Abfragelasers mit Hilfe eines mechanischen Verschiebetischs variiert, um so den Puls zeitaufgelöst zu vermessen. Dies begrenzt jedoch die erreichbare Frequenzauflösung und führt durch die beweglichen Komponenten zu systematischen Unsicherheiten.


Im Gegensatz dazu benötigt das neuentwickelte sogenannte asynchrone Messverfahren keine beweglichen Teile und ermöglicht Messungen über einen sehr breiten Zeitbereich. Für das neue Verfahren werden zwei Laser mit leicht unterschiedlichen (asynchronen) Wiederholraten verwendet. Dadurch wird bei jedem Abfragepuls eine andere Zeitposition auf dem ultrakurzen Spannungsimpuls abgefragt. Mit Hilfe eines Softwarealgorithmus kann daraus die komplette Information des zeitlichen Verlaufs des Pulses rekonstruiert werden. Dies ermöglicht erstmals Charakterisierungen schneller elektronischer Systeme über eine sehr große Bandbreite von 500 GHz mit einer Frequenzauflösung vom nur 76 MHz bei gleichzeitig reduzierter systematischer Unsicherheit.