Integrierte Zeitlupen für die Messung von sehr kurzen Signalen

Zeitlich kurze Signale werden in vielen Bereichen von Wissenschaft und Technik angewendet. Die steigende Nutzung von Streaming Diensten, Online Spielen und Social Media führt zu immer höheren Datenraten und damit immer kürzeren Signalen in den weltweiten Kommunikationsnetzen. Für sehr kurze Pulse sind elektronische Systeme aber zu langsam, um diese noch detektieren oder messen zu können.

Mit Mikroskopen oder Lupen beispielsweise kann das Bild eines sehr kleinen Objekts soweit vergrößert werden, dass es mit bloßem Auge zu erkennen ist.

„Dieselbe Idee lässt sich auch für extrem kurze Signale verwenden“, erläutert Professor Thomas Schneider, Leiter der THz-Photonics group an der TU Braunschweig. „Eine Zeitlupe vergrößert das Signal so lange in der Zeit oder zieht die Signale so lange auseinander, bis ein relativ langsamer elektronischer Detektor in der Lage ist, diese zu messen.“

Bisher gezeigte Zeitlupen beruhen darauf, dass ein sehr kurzes Signal aus vielen einzelnen Frequenzen besteht. Umso kürzer, umso mehr Frequenzen treten auf. In einer Glasfaser beispielsweise breiten sich diese Frequenzen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus.

Nach einer gewissen Länge der Fasern kommen zunächst die hohen, dann die mittleren und dann die niedrigen Frequenzen an. Das Signal am Eingang wird also zeitlich auseinandergezogen und lässt sich mit einer langsamen Elektronik messen.

Schneider: „Für die meisten Anwendungen wäre es allerdings vorteilhaft, wenn man solche Zeitlupen auf einem Chip integrieren könnte.“ Genau das ist der THz-Photonics Group der TU Braunschweig in Zusammenarbeit mit Prof. Linjie Zhou von den state key laboratories of advanced optical communications systems and networks der Shanghai Jiao Tong University nun mit der Entwicklung einer neuen Methode zur zeitlichen Vergrößerung von optischen oder auch elektrischen Signalen gelungen.

Die neue Methode beruht auf zwei Schritten. Zunächst wird das Eingangssignal kopiert, so dass am Ausgang der ersten Stufe eine Menge von exakten Kopien mit einer genau definierten Wiederholrate auftaucht. Dies geschieht mit Hilfe eines integrierten Ringresonators (ein zu einem Ring gebogener Wellenleiter, mit Ein- und Auskopplung), der von Linjie Zhous Gruppe hergestellt wurde. Ist Umlaufzeit im Ring größer als die Dauer des Signals, wird bei jedem Umlauf eine Kopie des Signals aus dem Ring ausgekoppelt.

In einem zweiten Schritt wird nun jede dieser Signalkopien mit einem zeitlich sehr kurzen Puls multipliziert. Nur an der Stelle, an der das Signal und der sehr kurze Puls gleichzeitig existieren, erhält der Puls die Amplitude der Signalkopie. Dies wird Abtastung genannt und geschieht für die neue Methode in zwei gekoppelten Modulatoren, welche sowohl die Pulserzeugung als auch die Multiplikation ausführen.

Ist die Wiederholrate der Signalkopien etwas verschieden zu der Wiederholrate der Abtastpulse, wird jede einzelne Kopie des Signals an einer anderen Stelle gemessen. Die Verbindungslinie zwischen den einzelnen Abtastwerten der Kopien ist das abgetastete, zeitlich vergrößerte Eingangssignal, welches sich nun mit einer langsamen Elektronik messen lässt.

„Die Methode ermöglicht integrierte, kosteneffektive analog-zu-digital-Konverter und Messsysteme mit extrem kleinen Abmessungen für die Charakterisierung von einzelnen, irregulären Ereignissen mit einer schnellen Änderung und sehr großen Bandbreiten bis in den THz-Bereich“, sagt Schneider.

Prof. Dr. Thomas Schneider
Technische Universität Braunschweig
Institut für Hochfrequenztechnik
THz-Photonics group
Schleinitzstraße 22
38106 Braunschweig
Tel.: +49 531 391-2003
E-Mail: thomas.schneider@tu-braunschweig.de

www.tu-braunschweig.de/ihf

A.Misra, S. Preussler, L. Zhou and T. Schneider “Nonlinearity- and dispersion- less integrated optical time magnifier based on a high-Q SiN microring resonator” Scient. Rep. 10.1038/s41598-019-50691-2 (SREP-19-24563-T). In Scientific Reports (https://rdcu.be/bSSAG)