Optimierung elektro-optischer Abtastverfahren für ultraschnelle elektrische Signale und Anwendungen in der Höchstfrequenzmesstechnik

Eine etablierte Methode, um ultraschnelle elektronische Einheiten im Zeitbereich zu charakterisieren, ist ein optoelektronischer Messplatz. Ein solcher Messplatz verwendet einen in koplanare Leiterbahnstrukturen integrierten photoleitenden
Schalter, um mit optischen Femtosekundenpulsen ultrakurze Spannungsimpulse zu erzeugen. Die Übertragungsfunktion einer Testeinheit kann aus den Zeitspuren der
Spannungsimpulse vor und nach deren Interaktion mit der Einheit bestimmt werden. Dazu werden die Spannungsimpulse mittels elektro-optischem Abtastens
zeitaufgelöst gemessen. Eine Anwendung des Messplatzes wird durch die erste Bestimmung der Anstiegszeit eines 70 GHz Sampling-Oszilloskops demonstriert. Es wird gezeigt, dass der Messplatz ausreichend Bandbreite zur Verfügung stellt, um solch schnelle Geräte charakterisieren zu können. Hierbei wurde eine Anstiegszeit der Sprungantwort des Oszilloskops von 4.8 ps mit einer Unsicherheit von 1.2 ps ermittelt. Die Zuverlässigkeit des Verfahrens wird durch einen ersten internationalen Vergleich belegt, in dem die Physikalisch-Technische Bundesanstalt und das National Physical Laboratory (UK) die Anstiegszeit eines 50 GHz Sampling-Oszilloskops bestimmt haben. Die mittlere Anstiegszeit betrug dabei 6.3 ps bei einer Unsicherheit (des Vergleichs) von 0.7 ps.

Es wird fernerhin der Einfluss demonstriert, den Unsicherheiten in den
experimentellen Rahmenbedingungen auf die Stabilität und die Reproduzierbarkeit der elektro-optischen Signale von ultrakurzen Spannungsimpulsen haben. Eine
solche Untersuchung bildet eine wichtige Voraussetzung, um die Zuverlässigkeit der Charakterisierung ultraschneller elektronischer Einheiten bewerten zu können. Es wird gezeigt, dass die gemessenen Signalamplituden und Halbwertsbreiten um bis zu 5 % schwanken.

Das elektro-optische Abtasten ultraschneller elektrischer Signale erfolgt über
eine externe Tastspitze (externes EOS) oder über das Substrat der Leiterbahnen, wenn dieses elektro-optisch sensitiv ist (internes EOS). Die externe Tastspitze bedingt eine dielektrische Diskontinuität auf der Leitung und verzerrt daher die Spannungsimpulse, wohingegen diese mit internem EOS störungsfrei detektiert
werden können. Trotzdem hat sich vor allem externes EOS als Methode der Wahl
durchgesetzt, da es nicht vom Substrat abhängt und experimentell flexibler und
stabiler ist. Verfahren zur Charakterisierung des Einflusses der Tastspitze sind daher eminent wichtig, um die Zuverlässigkeit des externen EOS bei der
Charakterisierung von Höchstfrequenzkomponenten zu optimieren.

In dieser Arbeit wird gezeigt, wie der Einfluss der Tastspitze quantitativ
ermittelt werden kann. Dazu werden von der Tastspitze gestörte elektro-optische Signale von ultrakurzen Spannungsimpulsen zu ungestörten Referenzsignalen der
Impulse in Beziehung gesetzt, die mit internem EOS gemessen werden. Es wird
einerseits ein Verfahren demonstriert, mit dem sich aus EOS Messungen mit
unterschiedlichen Abständen der Tastspitze zur koplanaren Leitung ein optimaler Messabstand ermitteln lässt, bei dem deren Einfluss minimiert ist.
Bei der untersuchten koplanaren Streifenleitung im Zusammenspiel mit einer
Lithiumtantalat-Tastspitze ergab sich ein optimaler Abstand von 0.5 micrometer, bei dem
der Einfluss um ca. 60 % reduziert war. Des Weiteren wird ein Verfahren
vorgestellt, mit dem die Ausbreitungskonstante des gestörten Bereichs und der
Reflektionskoeffizient des Grenzübergangs Luft/Tastspitze für Frequenzen bis zu 400 GHz ermittelt werden können. Das Verfahren leitet diese Parameter aus
Ausbreitungsgleichungen ab, welche die Spektren der elektro-optischen Signale
der gestörten Pulse mit dem des Referenzsignals in Beziehung setzen. Diese
Leitungscharakteristika werden anschließend verwendet, um eine Korrekturfunktion für elektro-optische Signale aufzustellen, die mit der Tastspitze gemessen
werden. Korrigierte Signale von ultrakurzen Spannungsimpulsen, die mit einer
Lithiumtantalat-Tastspitze auf einer koplanaren Streifenleitung und einem
koplanaren Wellenleiter gemessen wurden, zeigten dabei eine sehr gute
Übereinstimmung mit dem ungestörten Referenzsignal der Spannungsimpulse.