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Messung ultrakurzer Oszilloskop-Anstiegszeiten

Für eine korrekte Interpretation von Messungen mit Oszilloskopen muss deren Eigenanstiegszeit bekannt sein. Deshalb hat die PTB ein optoelektronisches Verfahren zur Bestimmung der Anstiegszeit von 50-GHz-Oszilloskopen entwi-ckelt. Das Verfahren nutzt optische Femtosekunden-Pulse und erlaubt die rückführbare Messung von Oszilloskop-Anstiegszeiten von nur wenigen Pikosekunden.

Halbleiterschaltung und Laserstrahlen (rot eingefärbt) zur Erzeugung und Vermessung ultrakurzer Spannungsimpulse.

Breitbandige 50-GHz-Oszilloskope sind unentbehrliche Werkzeuge für die Entwicklung ultraschneller elektronischer Schaltungen in der Datenverarbeitungs- und Kommunikationstechik. Diese Oszilloskope besitzen sehr kleine Eigenanstiegszeiten und erlauben daher die zeitliche Darstellung ultraschneller elektrischer Signale. Die Anstiegszeit ist jedoch nicht Null, sodass die Messkurven verzerrt sein können. Um die Verzerrung zu korrigieren, muss der Anwender die Anstiegszeit des Oszilloskops kennen. Zu deren Bestimmung bedarf es eines Messverfahrens mit noch höherer Zeitauflösung. Deshalb werden Methoden der Femtosekunden-Optik verwendet. Zur Bestimmung der Anstiegszeit von 50-GHz-Oszilloskopen werden etwa 1 ps kurze Spannungspulse auf einem koplanaren Wellenleiter erzeugt, indem ein fotoleitender Halbleiterschalter mit 100 fs kurzen Laserimpulsen kurzgeschlossen wird. Die Spannungspulse werden über eine Mikrowellen-Abtastspitze in das Oszilloskop eingekoppelt. Ein elektro-optisches Abtastverfahren erlaubt die Messung der Spannungspulse auf dem Wellenleiter mit einer Zeitauflösung von 300 fs. Aus solchen Messungen lässt sich die Verformung der Pulse auf dem Weg zum Oszilloskop bestimmen und ihre Form am Oszilloskopeingang berechnen. Die Entfaltung der Oszilloskopkurve mit den bekannten Eingangs- impulsen liefert die Übertragungseigenschaften des Oszilloskops, insbesondere dessen Anstiegszeit.

Erste Messungen an 50-GHz-Oszilloskopen ergaben Anstiegszeiten im Bereich von 7 ps; die erweiterte Messunsicherheit beträgt typisch 1,5 ps. Derart kalibrierte Oszilloskope erlauben verlässliche Messungen in der Höchstfrequenzelektronik.

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