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Erste rückgeführte Bestimmung der opto-elektronischen Signallaufzeit von PIN-Photodioden

08.02.2011

Im Rahmen einer Zusammenarbeit der Arbeitsgruppen ”Darstellung Beschleunigung” und ”Terahertz-Optik” der PTB ist es erstmals gelungen, die kombinierte opto-elektrische Signalverzögerung von PIN-Photodioden mit integriertem Verstärker genau zu bestimmen. Die Ergebnisse dieser Messungen bestätigen die bisherigen Abschätzungen zur Messunsicherheit bei der Phasenkalibrierung von Beschleunigungsaufnehmern, insbesondere bei hohen Frequenzen.

Die Normalmesseinrichtungen für die Primärkalibrierung der Phasenverzögerung von Beschleunigungsaufnehmern bei der PTB sind auf eine präzise Bestimmung der Laufzeit des elektrischen Ausgangssignals des Aufnehmers in Bezug auf die mechanische Eingangsbeschleunigung angewiesen. Da die Eingangsbeschleunigung wiederum laserinterferometrisch erfasst wird, führt jede unbekannte Verzögerung innerhalb des interferometrischen Messsystems zu systematischen Abweichungen des Kalibrierergebnisses der Phasenverzögerung.
Um verlässliche Informationen über die interne Signallaufzeit der in den PTB-Einrichtungen typischerweise verwendeten Laser-Doppler-Vibrometer zu erhalten, hatte die Arbeitsgruppe ”Darstellung Beschleunigung” im Jahr 2009 einen Messplatz zur Primärkalibrierung der Phasenverzögerung solcher Geräte aufgebaut [1, 2]. Diese Einrichtung verwendet sehr schnelle PIN-Photodioden als Referenz in einem modifizierten Michelson-Interferometer. Eine der entscheidenen Messunsicherheitskomponenten dieser Einrichtung war bislang allerdings noch die unbekannte Verzögerung dieser Photodioden und ihrer integrierten Verstärker. Durch die Zusammenarbeit der Arbeitsgruppen "Darstellung Beschleunigung" und "Terahertz-Optik" der PTB wurde es nun möglich, erstmals die Verzögerung der opto-elektronischen Signalwandlung durch die PINPhotodioden mit einer Unsicherheit von weniger als 80 ps zu bestimmen [3].

Der experimentelle Aufbau (Bild 1) nutzt dazu einen modengekoppelten Femtosekundenlaser (FSL), der mit einer Wiederholrate von 76 MHz Laserpulse von 200 fs Dauer erzeugt. Die Laserstrahl werden durch einen Strahlteiler geteilt, um mit einem Strahl über eine Trigger-Photodiode den Trigger eines "Ultra Fast Sampling Oszilloscope" (UFSO) zu versorgen und mit dem zweiten Strahl einen Eingangspuls für einen photoleitenden Schalter (PCS) oder, im Wechsel, für die zu untersuchende PIN-Photodiode zur Verfügung zu stellen. Der elektrische Ausgang des PCS bzw. der PIN-Diode wird dann mit dem UFSO mit einer Rate von 50 GS/s aufgezeichnet.

Aufbau zur Messung der Phasenverzögerung mittels einer Substitutionsmethode. Der photoleitende Schalter (gestrichelter Kasten oben) wird als Zeitreferenz verwendet und nachfolgend mit der PIN-Photodiode (gestrichelter Kasten unten) ausgetauscht.

Bild 1: Aufbau zur Messung der Phasenverzögerung mittels einer Substitutionsmethode. Der photoleitende Schalter (gestrichelter Kasten oben) wird als Zeitreferenz verwendet und nachfolgend mit der PIN-Photodiode (gestrichelter Kasten unten) ausgetauscht.

Da die Wandlungs- und Signallaufzeit im PCS aus anderen umfassenden Untersuchungen im Bereich der Terahertz-Optik sehr gut bekannt ist [4], kann dieses Gerät als präzise Zeitreferenz im Aufbau genutzt werden. Durch den Vergleich der Signalverzögerungen des PCS bzw. der PIN-Diode in Bezug auf den Triggerzeitpunkt konnte letztlich eine Zeitverzögerung von 3,10(8) ns für die PIN-Photodioden bestimmt werden (vergl. Bild 2).

Überlagerte Messkurven des Laserpulses gemessen mit dem PCS (blau) oder mit einer der beiden zu prüfenden Photodioden (schwarz, rot) bei gleicher Zeitskala. Die angegebenen Zeiten beziehen sich auf den Triggerzeitpunkt des UFSO.

Bild 2: Überlagerte Messkurven des Laserpulses gemessen mit dem PCS (blau) oder mit einer der beiden zu prüfenden Photodioden (schwarz, rot) bei gleicher Zeitskala. Die angegebenen Zeiten beziehen sich auf den Triggerzeitpunkt des UFSO.

Verglichen mit der in der technischen Spezifikation angegebenen Signalanstiegszeit von (typisch) 1 ns erscheint dieser Wert groß und somit die Anstiegszeit allein ungeeignet zur Abschätzung der Phasenverzögerung. In Bezug auf die Messung mechanischer Schwingungen in der Anwendung ergibt sich mit diesem Wert eine zusätzliche Phasenverzögerung von 0,022° bei 20 kHz, was im Vergleich zu den dort üblichen Messunsicherheiten von einigen 0,1° allerdings vernachlässigbar gering ist.

[1] Forschungsnachrichten der Abteilung 1: Messplatz zur primären Phasenkalibrierung von Laser-Doppler-Vibrometern entwickelt

[2] Blume, F.; Täubner, A.; Göbel, U.; Bruns, Th.: Primary Phase Calibration of Laser-Vibrometers with a Single Laser Source, Metrologia, 46 (2009), 489–495

[3] Bruns, Th.; Blume, F.; Baaske, K.; Bieler, M.: "Optoelectronic Phase Delay Measurement for a Modified Michelson Interferometer", IMEKO 2010: TC3, TC5 and TC22 Conferences, Pattaya, 21-25, November, 2010, Download:
http://www.imeko.org/publications/tc22-2010/IMEKO-TC22-2010-NP-008.pdf

[4] Bieler, M.; Spitzer, M.; Pierz, K.; Siegner, U.: Improved Optoelectronic Technique for the Time-Domain Characterization of Sampling Oscilloscopes, IEEE Trans. Instrum. Meas., 58 (2009), 1065–1071

Ansprechpartner:

Thomas Bruns, FB 1.7, AG 1.71, E-Mail: thomas.bruns@ptb.de