Kurze Signale in Zeitlupe

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 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 Thomas Schneider, Leiter der THz-Photonik Gruppe 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. „Für die meisten Anwendungen wäre es allerdings vorteilhaft, wenn man solche Zeitlupen auf einem Chip integrieren könnte“, sagt Schneider. Genau das ist der THz-Photonik Gruppe in Zusammen­arbeit mit Linjie Zhou von 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, 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. Dieses Abtasten 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.

TU Braunschweig / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  A. Misra et al.: Nonlinearity- and dispersion- less integrated optical time magnifier based on a high-Q SiN microring resonator, Sci. Rep. 9, 14277 (2019); DOI: 10.1038/s41598-019-50691-2
• Terahertztechnik, Institut für Hochfrequenztechnik, Technische Universität Braunschweig