Vektor-Netzwerkanalyse mit Lasern
Femtosekundenlaser ermöglichen präzise, kostengünstige Hochfrequenzmessungen.
Vektor-Netzwerkanalysatoren – kurz VNAs – stellen heutzutage die präzisesten kommerziell erhältlichen Hochfrequenz-Messinstrumente dar. Durch kontinuierliche Weiterentwicklungen in den letzten Jahrzenten sind VNAs bis zu Frequenzen von einem Terahertz einsetzbar und es existieren komplexe Verfahren für Fehlerkorrekturen. Allerdings sind VNAs sehr teuer und benötigen mehrere Frequenzerweiterungen, wenn sie in einem großen Frequenzbereich eingesetzt werden sollen. An der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt wurde jetzt ein VNA entwickelt, der auf rein optoelektronischer Messtechnik mit Femtosekundenlasern basiert. Derartige Geräte sind eine kostengünstige Alternative zu rein elektrischen VNAs und könnten zukünftig für komplexe Hochfrequenzmessungen eingesetzt werden.
Abb.: Teil des experimentellen Aufbaus zur laserbasierten Vektor-Netzwerkanalyse. Ein Cluster von planaren Wellenleitungen ist auf einem Halbleiter aufgedampft. Die Wellenleiter werden mit zwei Mikrowellenprobern an beiden Enden kontaktiert. Ein Laserstrahl wird von vorne auf die Wellenleitung fokussiert und erzeugt in einem photoleitenden Schalter ultrakurze Spannungsimpulse. Die Spannungsimpulse werden mit einem zweiten Laserstrahl, der von hinten durch den Halbleiter auf die Wellenleitung fokussiert wird, detektiert. (Bild: PTB)
Das Messprinzip von VNAs beruht darauf, die Leistung von Signalen einer bestimmten Frequenz zu detektieren. Durch Frequenzvariation dieser Signale lassen sich frequenzaufgelöste Messungen realisieren. Die Messergebnisse werden mittels Streuparametern angegeben. Um ein Hochfrequenzgerät mit den Streuparametermessungen genau zu charakterisieren, ist es erforderlich, hin- und rücklaufende Signale voneinander zu trennen. Diese Trennung wird typischerweise mit Richtkopplern realisiert.
Die Forscher der PTB konnten nun zeigen, dass frequenzaufgelöste Streuparametermessungen auch mit laserbasierter Messtechnik möglich sind. Dabei kommt ein Femtosekundenlaser zum Einsatz, der Pulse im Nahinfrarotbereich mit einer Länge von etwa hundert Femtosekunden erzeugt. Der Laserstrahl wird in zwei Teilstrahlen aufgespalten, einen Anregestrahl und einen Abfragestrahl. Der Anregestrahl erzeugt in einem photoleitenden Schalter Spannungspulse mit einer Länge von etwa zwei Pikosekunden, die auf einer planaren Wellenleitung entlang propagieren. Der Abfragestrahl wird dazu verwendet, um das elektrische Feld der Spannungsimpulse zu messen. Dafür wird der Pockels-Effekt des Substrates ausgenutzt, auf dem die planaren Wellenleitung gefertigt wurde. Durch zeitliche Verzögerung des Abfragestrahls mit einer Verzögerungsstrecke kann die Form des Spannungsimpulses genau vermessen werden.
Die Hauptinnovation der PTB-Forscher liegt in der Trennung von hin- und rücklaufenden Spannungssignalen auf der planaren Wellenleitung durch laserbasierte Messtechnik, die damit den Richtkoppler in VNAs ersetzt. Diese Trennung, für die die Spannungsimpulse an verschiedenen Positionen auf der Wellenleitung detektiert werden müssen, funktioniert auch bei zeitlich überlappenden Signalen. Mit dieser optoelektronischen Zeitbereichsmesstechnik konnten die Forscher Streuparametermessungen auf planaren Wellenleitern bis 500 GHz mit einer 500-MHz-Schrittweite demonstrieren. Die Technik kann aber auch zur Charakterisierung von koaxialen Elementen eingesetzt werden und ermöglicht die Realisierung eines sehr präzisen Spannungsimpulsstandards.
PTB / RK
