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

Steffen Seitz

出版	Logos-Verlag, 2007
主題	Technology & Engineering / General
ISBN	38325161669783832516161
URL	http://books.google.com.hk/books?id=Y3kQMwAACAAJ&hl=&source=gbs_api

註釋

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 Ubertragungsfunktion 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 zeitaufgelost 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 Verfugung stellt, um solch schnelle Gerate charakterisieren zu konnen. Hierbei wurde eine Anstiegszeit der Sprungantwort des Oszilloskops von 4.8 ps mit einer Unsicherheit von 1.2 ps ermittelt. Die Zuverlassigkeit 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 Stabilitat und die Reproduzierbarkeit der elektro-optischen Signale von ultrakurzen Spannungsimpulsen haben. Eine solche Untersuchung bildet eine wichtige Voraussetzung, um die Zuverlassigkeit der Charakterisierung ultraschneller elektronischer Einheiten bewerten zu konnen. Es wird gezeigt, dass die gemessenen Signalamplituden und Halbwertsbreiten um bis zu 5 % schwanken. Das elektro-optische Abtasten ultraschneller elektrischer Signale erfolgt uber eine externe Tastspitze (externes EOS) oder uber das Substrat der Leiterbahnen, wenn dieses elektro-optisch sensitiv ist (internes EOS). Die externe Tastspitze bedingt eine dielektrische Diskontinuitat auf der Leitung und verzerrt daher die Spannungsimpulse, wohingegen diese mit internem EOS storungsfrei detektiert werden konnen. Trotzdem hat sich vor allem externes EOS als Methode der Wahl durchgesetzt, da es nicht vom Substrat abhangt und experimentell flexibler und stabiler ist. Verfahren zur Charakterisierung des Einflusses der Tastspitze sind daher eminent wichtig, um die Zuverlassigkeit des externen EOS bei der Charakterisierung von Hochstfrequenzkomponenten zu optimieren. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie der Einfluss der Tastspitze quantitativ ermittelt werden kann. Dazu werden von der Tastspitze gestorte elektro-optische Signale von ultrakurzen Spannungsimpulsen zu ungestorten 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 Abstanden der Tastspitze zur koplanaren Leitung ein optimaler Messabstand ermitteln lasst, 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 m, bei dem der Einfluss um ca. 60 % reduziert war. Des Weiteren wird ein Verfahren vorgestellt, mit dem die Ausbreitungskonstante des gestorten Bereichs und der Reflektionskoeffizient des Grenzubergangs Luft/Tastspitze fur Frequenzen bis zu 400 GHz ermittelt werden konnen. Das Verfahren leitet diese Parameter aus Ausbreitungsgleichungen ab, welche die Spektren der elektro-optischen Signale der gestorten Pulse mit dem des Referenzsignals in Beziehung setzen. Diese Leitungscharakteristika werden anschliessend verwendet, um eine Korrekturfunktion fur 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 Ubereinstimmung mit dem ungestorten Referenzsignal der Spannungsimpulse.