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Frequenzlineal für Phasenrauschmessungen

Ein Femtosekundenlaser ermöglicht Messungen bei Trägerfrequenzen bis 100 GHz

PTB-News 1.2023
12.01.2023
Besonders interessant für

Hochfrequenz-Messtechnik

Quantentechnologie

Um das Phasenrauschen hochfrequenter Signale zu messen, wird das zu untersuchende Signal in der Regel mit einem rauscharmen Referenzsignal gleicher Frequenz verglichen. An der PTB wurde ein System entwickelt, das Messungen von Mikrowellensignalen mit Frequenzen von bis zu 100 GHz auf einem mit herkömmlichen Methoden nicht erreichbar niedrigen Rauschniveau ermöglicht. Dafür sorgt ein „Frequenzlineal“ im Mikrowellenbereich, das mithilfe eines Femtosekundenlasers erzeugt wird und aus einer Vielzahl äquidistanter, extrem rauscharmer Referenzsignale besteht.

Mikrowellenfrequenzkamm am Ausgang einer Fotodiode mit 16 GHz Bandbreite. Der Abstand zwischen den „Zinken“ ist exakt gleich und beträgt rund 250 MHz.

Bei kommerziellen Phasenrauschmessplätzen wird das benötigte Referenzsignal intern durch einen Oszillator erzeugt, der über einen weiten Frequenzbereich abstimmbar ist. So wird die Messung durch den Frequenzbereich des Referenzoszillators (typischerweise nur einige Gigahertz) und durch sein Rauschen beschränkt. Bei dem neuen System werden die Messsignale extern aus dem hohen GHz-Bereich vor der Phasenrauschmessung in den MHz-Bereich konvertiert. Dafür wird eine phasenrauscharme Komponente des Frequenzlineals genutzt. Das Ergebnis erlaubt eine Phasenrauschmessung mit einem viel geringeren Eigenrauschen des Messystems.

Ausgenutzt wird, dass sich mit modengekoppelten Femtosekunden-Pulslasern das extrem niedrige Phasenrauschen optischer Dauerstrichlaser auf die Repetitionsrate des Pulslasers von wenigen hundert Megahertz übertragen lässt. Wird diese Repetitionsrate mit einer Fotodiode detektiert, entsteht aufgrund der kurzen optischen Pulse ein Kamm von Oberwellen der Repetitionsrate. Jede Frequenzkomponente dieses Kamms weist nahezu die Stabilität des Referenzsignals auf. Die Breite des so erzeugten elektrischen Frequenzkamms ist durch die Bandbreite der Fotodiode begrenzt. Kommerziell verfügbar sind Fotodioden mit Bandbreiten von bis zu 100 GHz. Für die Phasenrauschmessung wird nun diejenige Frequenzkomponente aus dem elektrischen Kamm herausgefiltert, die der Frequenz des zu vermessenden Signals am nächsten ist. Durch Mischen beider Frequenzen wird ein Signal im MHz-Bereich erzeugt und mit einem rauscharmen, niederfrequenten Phasenrauschmessplatz spezifiziert.

In einem ersten Demonstrationsexperiment wurde statt der Anbindung des Frequenzkamms im optischen Frequenzbereich eine Anbindung an in der PTB verfügbare besonders rauscharme Referenzsignale bei 100 MHz und bei 9,6 GHz gewählt. Es wurde gezeigt, dass das geringe Rauschen dieser Referenzsignale auf alle Komponenten des Mikrowellenkamms übertragen wurde.

Ein solches System kann zukünftig zur Durchführung von Kalibrierungsdienstleistungen für Hochfrequenz-Oszillatoren bis in den Millimeter-Wellenbereich verwendet werden.

Ansprechpartner

Burghard Lipphardt
Fachbereich 4.4
Zeit und Frequenz
Telefon: (0531) 592-4428
Opens local program for sending emailburghard.lipphardt(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

P. Walkemeyer, B. Lipphardt, M. Kazda: Referenced frequency ruler for the phase noise analysis of oscillators in the high GHz range. 2021 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS) 404–407 (2021)