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Vektor-Netzwerkanalyse mit Lasern

Femtosekundenlaser ermöglichen präzise, kostengünstige Hochfrequenzmessungen und könnten zukünftig etablierte elektrische Geräte ersetzen

04.11.2015

Vektor-Netzwerkanalysatoren (VNA) stellen heutzutage die präzisesten kommerziell erhältlichen Hochfrequenz-Messinstrumente dar. Durch kontinuierliche Weiterentwicklungen in den letzten Jahrzenten sind VNAs bis zu Frequenzen von 1 Terahertz (1012 Hertz) einsetzbar, und es existieren komplexe Verfahren für Fehlerkorrekturen. Allerdings sind VNAs sehr teuer und benötigen mehrere Frequenzerweiterungen, wenn sie in einem großen Frequenzbereich eingesetzt werden sollen. An der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) wurde jetzt ein VNA entwickelt, der auf rein optoelektronischer Messtechnik mit Femtosekundenlasern basiert. Derartige Geräte sind eine kostengünstige Alternative zu rein elektrischen VNAs und könnten zukünftig für komplexe Hochfrequenzmessungen eingesetzt werden. Die Ergebnisse der Forscher sind in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques veröffentlicht. 

Teil des experimentellen Aufbaus zur laserbasierten Vektor-Netzwerkanalyse. Ein Cluster von planaren Wellenleitungen ist auf einem Halbleiter aufgedampft. Die Wellenleiter werden mit zwei Mikrowellenprobern an beiden Enden kontaktiert. Ein Laserstrahl wird von vorne auf die Wellenleitung fokussiert und erzeugt in einem photoleitenden Schalter ultrakurze Spannungsimpulse. Die Spannungsimpulse werden mit einem zweiten Laserstrahl, der von hinten durch den Halbleiter auf die Wellenleitung fokussiert wird, detektiert. (Foto: PTB)

Das Messprinzip von VNAs beruht darauf, die Leistung von Signalen einer bestimmten Frequenz zu detektieren. Durch Frequenzvariation dieser Signale können frequenzaufgelöste Messungen realisiert werden. Die Messergebnisse werden mittels sogenannter Streuparameter angegeben. Um ein Hochfrequenzgerät mit den Streuparametermessungen genau zu charakterisieren, ist es erforderlich, hin- und rücklaufende Signale voneinander zu trennen. Diese Trennung wird typischerweise mit Richtkopplern realisiert.

An der PTB wurde nun gezeigt, dass frequenzaufgelöste Streuparametermessungen auch mit laserbasierter Messtechnik möglich sind. Dabei kommt ein Femtosekundenlaser zum Einsatz, der Pulse im Nahinfrarotbereich mit einer Länge von ca. 100 Femtosekunden (10-13 s) erzeugt. Der Laserstrahl wird in zwei Teilstrahlen aufgespalten, einen Anregestrahl und einen Abfragestrahl. Der Anregestrahl erzeugt in einem sogenannten photoleitenden Schalter Spannungspulse mit einer Länge von ca. zwei Pikosekunden, die auf einer planaren Wellenleitung entlang propagieren. Der Abfragestrahl wird dazu verwendet, um das elektrische Feld der Spannungsimpulse zu messen. Dafür wird der Pockels-Effekt des Substrates ausgenutzt, auf dem die planaren Wellenleitung gefertigt wurde. Durch zeitliche Verzögerung des Abfragestrahls mit einer Verzögerungsstrecke kann die Form des Spannungsimpulses genau vermessen werden.

Die Hauptinnovation der PTB-Forscher liegt in der Trennung von hin- und rücklaufenden Spannungssignalen auf der planaren Wellenleitung durch laserbasierte Messtechnik, die damit den Richtkoppler in VNAs ersetzt. Diese Trennung, für die die Spannungsimpulse an verschiedenen Positionen auf der Wellenleitung detektiert werden müssen, funktioniert auch bei zeitlich überlappenden Signalen. Mit dieser optoelektronischen Zeitbereichsmesstechnik konnten Streuparametermessungen auf planaren Wellenleitern bis 500 GHz mit einer 500-MHz-Schrittweite demonstriert werden. Die Technik kann aber auch zur Charakterisierung von koaxialen Elementen eingesetzt werden und ermöglicht die Realisierung eines sehr präzisen Spannungsimpulsstandards.
es/ptb

 

Ansprechpartner
Mark Bieler, Arbeitsgruppe 2.54 Femtosekunden-Messtechnik, Tel. (0531) 592-2540, E-Mail: mark.bieler@ptb.de


Die wissenschaftliche Veröffentlichung

M. Bieler, H. Füser, K. Pierz: Time-Domain Optoelectronic Vector Network Analysis on Coplanar Waveguides. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 63, No. 11, 3775–3784, Nov. 2015