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Femtosekunden-Messtechnik

Arbeitsgruppe 2.54

Profil

Femtosekunden-Messtechnik

Die Arbeitsgruppe Femtosekunden-Messtechnik beschäftigt sich mit der Entwicklung zeitaufgelöster optoelektronischer Messverfahren für elektrische Felder im GHz- und THz-Frequenzbereich. Basierend auf solchen optoelektronischen Abtastverfahren bietet die Arbeitsgruppe einen Kalibrierservice für die Zeitantwort von Sampling-Oszilloskopen mit einer Bandbreite bis zu 100 GHz an. Des Weiteren werden in dieser Arbeitsgruppe Grundlagenuntersuchungen zu Ladungsträger- und Stromdynamik in Halbleitern durchgeführt. Solche Untersuchungen könnten für die zukünftige Charakterisierung von Höchstfrequenzkomponenten wichtig werden.

 

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Forschung/Entwicklung

Entwicklung zeitaufgelöster optoelektronischer Messverfahren

In den letzten Jahren sind die Taktfrequenzen elektronischer Bauteile der Informationsverarbeitungs- und Kommunikationstechnik stetig angestiegen. Dies stellt metrologische Staatsinstitute wie die PTB vor die Aufgabe, neue Verfahren zur rückführbaren Messung der Übertragungseigenschaften und Eigenanstiegszeiten von Höchstfrequenzelektronik zu entwickeln. Dazu bieten sich optoelektronische Messverfahren an, die auf Femtosekunden-Optik basieren. In der Arbeitsgruppe Femtosekunden-Messtechnik werden unter anderem solche neuartigen Messverfahren entwickelt. 

Siehe Publikationen für einen Überblick über ausgewählte Arbeiten zu diesem Thema.

Grundlagenuntersuchungen zu Ladungsträger- und Stromdynamik

Für die Charakterisierung von Höchstfrequenzkomponenten ist es wünschenswert, ultrakurze Strompulse zu erzeugen, deren zeitliche Form man beliebig variieren kann. Bisherige Methoden zur Generation von wenigen 100 fs langen Strompulsen basieren auf einer Mischung von elektronischen und optischen Verfahren und lassen diese Möglichkeit nicht zu. In der Arbeitsgruppe Femtosekunden-Messtechnik werden unter anderem Verfahren untersucht, mit denen es möglich ist, ultrakurze Strompulse mit rein optischen Methoden zu erzeugen. Mit diesem Verfahren ist eine Variation der Form dieser Strompulse prinzipiell möglich.

Zur Erzeugung der rein optisch generierten Ströme werden spezielle Halbleiternanostrukturen in der PTB hergestellt und unter Beachtung bestimmter Symmetriebedingungen mit kurzen optischen Pulsen angeregt. Durch Ausnutzung nichtlinearer optischer Prozesse entsteht dabei ein Stromfluss im Halbleiter. Hierbei werden die Ladungsträger - anders als bei einem normalen Stromfluss - nicht in einem vorhandenen elektrischen Feld beschleunigt.

Nachgewiesen werden die Ströme über die gleichzeitig auftretende elektromagnetische Strahlung: Die Ströme erzeugen eine Polarisationsänderung, die als Quelle für in den freien Raum abgestrahlte elektromagnetische Wellen wirkt. Durch den kurzen optischen Anregungspuls sind die Strompulse und damit auch die abgestrahlten elektromagnetischen Pulse nur wenigen 100 fs lang. Solche kurzen Pulse beinhalten Frequenzkomponenten von mehreren Terahertz, weshalb standardmäßig von THz-Pulsen gesprochen wird. Mittels elektro-optischer Methoden werden die in den freien Raum abgestrahlten THz-Pulse messtechnisch charakterisiert.

Neben interessanten Perspektiven für Anwendungen kann diese THz-Technik auch für Grundlagenuntersuchungen zur Licht-Materie-Wechselwirkung verwendet werden. Insbesondere interessante Effekte von Ladungsträger und Stromdynamik in Halbleitern lassen sich damit untersuchen.

Siehe Publikationen für einen Überblick über ausgewählte Arbeiten zu diesem Thema.

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Dienstleistungen

Kalibrierservice für die Zeitantwort von Sampling-Oszilloskopen

Breitbandige Sampling-Oszilloskope sind ein unentbehrliches Werkzeug für die Entwicklung ultraschneller elektronischer Schaltungen in der Datenverarbeitungs- und Kommunikationstechnik. Diese Oszilloskope besitzen sehr kleine Eigenanstiegszeiten und erlauben daher die zeitliche Darstellung ultraschneller elektrischer Signale. Die Anstiegszeit ist jedoch nicht Null, so dass die Messkurven verzerrt sein können. Um die Verzerrung zu korrigieren, muss der Anwender die Zeitantwort des Oszilloskops kennen. Zur deren Bestimmung bedarf es eines Messverfahrens mit noch höherer Zeitauflösung. Deshalb hat die PTB ein optoelektronisches Verfahren zur rückgeführten Bestimmung der Zeitantwort von ultraschnellen Sampling-Oszilloskopen entwickelt.

Dazu werden ca. 1 ps kurze Spannungsimpulse auf einem koplanaren Wellenleiter erzeugt, indem ein photoleitender Halbleiterschalter mit 100 fs kurzen Laserimpulsen kurzgeschlossen wird. Die Spannungsimpulse werden über eine Mikrowellen-Abtastspitzen in das Oszilloskop eingekoppelt. Ein elektro-optisches Abtastverfahren erlaubt die Vermessung der Spannungsimpulse auf dem Wellenleiter mit 300 fs Zeitauflösung. Aus solchen Messungen lässt sich die Verformung der Impulse auf dem Weg zum Oszilloskop bestimmen und die Form der Impulse am Oszilloskopeingang berechnen. Die Entfaltung der Oszilloskopkurve mit den bekannten Eingangsimpulsen liefert die Impulsantwort bzw. Übertragungsfunktion des Oszilloskops.

Gegenwärtig kann ein Kalibrierservice für alle 70 GHz und 100 GHz Sampling-Oszilloskope angeboten werden.

Siehe Publikationen für einen Überblick über ausgewählte Arbeiten zu diesem Thema.

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Informationen

Presseinformationen

Opens external link in new windowAnomale Geschwindigkeit zeitaufgelöst gemessen 12/2015

Bewegung von Ladungsträgern in Festkörpern senkrecht zu einem antreibenden elektrischen Feld erstmals mit Subpikosekunden-Zeitauflösung detektiert

Opens external link in new windowVektor-Netzwerkanalyse mit Lasern 11/2015

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

Opens external link in new windowOptisch lenkbare Terahertz-Quelle 06/2013

Gezielte optische Anregung von Elektronenflüssen in Halbleitern erlaubt kontrollierte räumliche Ausrichtung der elektromagnetischen Strahlung

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