Logo PTB

Optimierung optischer Abtastverfahren zur Messung ultrakurzer Spannungsimpulse

07.12.2006

Um die Form von Pikosekunden-Spannungsimpulsen zu messen, die sich auf koplanaren Leiterbahnstrukturen ausbreiten, nutzt man gewöhnlich den Pockels-Effekt, den bestimmte, so genannte elektro-optische Materialien zeigen. Hierbei hat man die Möglichkeit, einen externen elektro-optischen Kristall (´Prober´) auf die Leiterbahn zu setzen. Alternativ kann man das Substrat der Leiterbahn selbst verwenden, falls dieses einen elektro-optischen Effekt aufweist. Das elektrische Feld des Spannungsimpulses ändert nun über den Pockels-Effekt den Brechungsindex des elektro-optischen Materials. Diese Brechungsindexänderung kann mit einem optischen Strahl ausgelesen werden und ist proportional zum elektrischen Feld des Spannungsimpulses. Der externe Prober verändert allerdings die Ausbreitungskonstante der Wellenleitung. Zusätzlich treten Reflektionen des Spannungsimpulses an den Grenzflächen auf. Als Konsequenz wird der Spannungsimpuls verzerrt. Bei Verwendung des elektro-optischen Effekts des Substrats hat man diesen Nachteil nicht. Jedoch benötigt diese Methode einen wesentlich komplexeren experimentellen Aufbau und lässt sich nicht anwenden, wenn das Substrat keinen elektro-optischen Effekt aufweist, wie das für elektronische Schaltungen wichtige Silizium. Im alltäglichen Gebrauch bleibt daher ein externer Prober das Mittel der Wahl.
In der PTB ist es nun gelungen den Einfluss eines externen Lithiumtantalat-Probers auf ultrakurze Spannungsimpulse, die sich auf einer koplanaren Streifenleitung mit GaAs Substrat ausbreiten, experimentell zu bestimmen. In den Experimenten diente der externe Prober lediglich als Störobjekt. Die durch ihn verzerrten Spannungsimpulse wurden über den elektro-optischen Effekt des Substrats gemessen. Aus dem Vergleich mit Messungen von ungestörten Impulsen ließen sich die Ausbreitungskonstante und der Reflexionskoeffizient der gestörten Leitung bestimmen. Deren genaue Kenntnis ermöglichte es, einen Spannungsimpuls rechnerisch zu korrigieren, der mit dem externen Prober gemessen wurde. Der Vergleich einer korrigierten mit einer störungsfreien Messung zeigte dabei eine hervorragende Übereinstimmung. In Zukunft soll mittels einer solchen Korrektur die Messunsicherheit bei der Anstiegszeitbestimmung von ultraschnellen Sampling-Oszilloskopen verringert werden.