Ново поколение векторни мрежови анализатори на базата на фемтосекундни лазери

Изследователски екип от немския национален институт по стандартизация PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) в Брауншвайг е разработил решение за оптимизиране на векторните мрежови анализатори (VNA) – едни от най-прецизните инструменти за измерване сила на сигнала и фаза при електронните компоненти. Базираният на лазерна технология тетрахерцов векторен мрежов анализатор обещава да осигури по-широк честотен обхват и по-висока резолюция на по-ниска цена в сравнение със съвременните инструменти в областта.

Приложения на VNA технологията
Посредством векторните мрежови анализатори амплитудите на сигнала и фазата във времето могат да бъдат точно определени на база данни за това как се предават и отразяват сигнали от компонентите и конекторите. Това позволява характеризиране на разсейването на сигнала и измененията във времето, които могат да повлияят на ефективността на дизайна на електронните изделия. В допълнение, националните органи по стандартизация използват векторни анализатори, за да дефинират стандартите за импулсни напрежения при калибрирането на осцилоскопи, фотодиоди, генератори на електрически импулси и др. Съвременните измервателни прибори в този сегмент са изключително прецизни и стават все по-сложни с навлизането на работните им честоти в тетрахерцовия обхват.

Прототипът, конструиран от екипа от PTB, е базиран на фемтосекунден лазер
Той представлява опростен векторен мрежов анализатор, като ролята на лазера е да генерира тестови сигнали – кратки и прецизни импулси на напрежение. Импулсът преминава надолу по къса златна лента (с дължина 4 мм и дебелина 0,5 микрометра), нанесена върху чип галиев арсенид (GaAs). Електрическото поле на импулса променя индекса на рефракция на галиевия арсенид, а друг лазерен лъч проследява и измерва фазата и амплитудата, докато сигналът се движи по лентата. Методът е подходящ за измерване параметрите на сигнали, протичащи нагоре и надолу по продължение на проводника, така че с него могат да бъдат измервани и сигналите, отразявани при досег на импулса с друг материал във веригата. Посредством генериране на импулси в даден диапазон от честоти, изследователите от PTB могат детайлно да измерят характеристиките на сигнала на електронните компоненти, подложени на изпитване.

Предимства и недостатъци на изобретението
Благодарение на относително простия си дизайн и все по-ниските цени на фемтосекундните лазери, както и на все по-малките им размери, прототипът може да бъде произведен и пуснат на пазара на сравнително достъпна цена, по думите на инженерите от Института по стандартизация. Те добавят, че системата е съставена само от едно устройство в един-единствен корпус и се отличава и с непостиган досега честотен обхват.
Изобретението има и своите минуси, споделят от PTB. Неговият динамичен обхват от 40 децибела е значително по-малък от най-добрите конвенционални векторни мрежови анализатори, които имат работен диапазон от 120 dB или повече.

Принцип на работа на анализатора
Устройството използва светкавица с дължина на вълната на светлината 800 нанометра (излъчвана от твърдотелен лампово напомпван лазер, при който излъчващият химичен елемент е ербий), за да активира "фотопроводима междина" – отворен ключ, който се затваря с лазерен лъч. Това позволява протичане на импулс през междината, а ключът се отваря отново почти веднага след това. Полученият импулс с продължителност 90 фемтосекунди затваря веригата. Тестов лъч, с дължина на вълната на светлината 1600 nm, излъчен от същия легиран с ербий лазер, се насочва върху субстрата от галиев арсенид. Ако преминаващият импулс промени индекса на рефракция на GaAs, поляризацията на тестовия лъч съответно се променя. Това явление може да бъде измерено и посредством анализ на данните от измерването да се определят формата, амплитудата, фазата и посоката на импулса и на всеки сигнал, получен от вътрешните отразявания.