Ultrafast Optoelectronic Switches

Die Femtosekunden-Optik ermöglicht heutzutage die Charakterisierung von Hochfrequenzschaltungen im Zeitbereich mit einer Bandbreite, die sich bis in den Terahertz-Bereich erstreckt. Diese Messtechnik bildet die Grundlage für künftige Charakterisierungsmethoden von elektronischen Terahertz-Schaltungen. Im Allgemeinen basiert die Charakterisierung von elektrischen Schaltungen im Zeitbereich auf der Erzeugung und dem Nachweis von ultrakurzen Spannungsimpulsen. In dieser Arbeit wird die Erzeugung von ultrakurzen Spannungsimpulsen mit photoleitenden Schaltern und deren Nachweis mittels des elektro-optischen Effekts in GaAs und LiTaO3 Probern ausführlich untersucht. Die bestehenden Techniken werden mit dem Ziel weiterentwickelt, ihr bisheriges Einsatzgebiet zu vergrößern. Die Erzeugung und der Nachweis von (Sub-) Pikosekunden-Spannungsimpulsen ist auf planare Strukturen beschränkt. Sollen elektrische Schaltungen mit koaxialem Eingang charakterisiert werden, müssen die Spannungsimpulse von planaren Wellenleitern auf koaxiale Strukturen transferiert werden. Für diese Aufgabe werden vorwiegend Mikrowellenprober verwendet. In dieser Arbeit wird die Propagation von ultrakurzen Spannungsimpulsen über einen Mikrowellenprober, der auf eine koplanare Wellenleitung aufgesetzt ist, untersucht. Eine Messung der Propagationseigenschaften der koplanaren Wellenleitung und ein Vergleich der Messergebnisse mit analytischen und numerischen Rechnungen liefert eine hervorragende Übereinstimmung. Die experimentelle Technik dieser Arbeit wird somit validiert. Die Dämpfung und Dispersion des Mikrowellenprobers, sowie die komplexen Reflexions- und Transmissionskoeffizienten der Stoßstelle zwischen Mikrowellenprober und Wellenleitung, werden experimentell bis zu einer Frequenz von 400GHz bestimmt. Es wird gezeigt, dass einfache analytische Ausdrücke die gemessenen Übertragungsfunktionen des Mikrowellenprobers und der Stoßstelle sehr gut beschreiben. Mit diesen Ergebnissen wird die Verformung eines ultrakurzen Spannungsimpulses nach Propagation über den Mikrowellenprober berechnet. Ein solches Vorgehen wird in Zukunft zeitbasierte Messungen mit Mikrowellenprobern sehr vereinfachen. Die am koaxialen Ende des Mikrowellenprobers vorliegenden Spannungsimpulse, mit einer typischen Breite von 4,5ps, werden für eine vollständige Charakterisierung von 50GHz Sampling-Oszilloskopen verwendet. Die Oszilloskope haben Eigenanstiegszeiten von 6ps bis 8ps. Die erweiterte Messunsicherheit der Anstiegszeitmessung beträgt nur 1,2ps. Zur Erzeugung von ultrakurzen Spannungsimpulsen werden derzeit vorwiegend photoleitende Schalter eingesetzt. Eine genaue Kenntnis der Ladungsträger- und Felddynamik in solchen photoleitenden Schaltern ist von entscheidender Bedeutung für künftige Optimierungsprozesse. In dieser Arbeit werden inhomogene elektrische Felder generiert, um den Photostrom in photoleitenden Schaltern zu modifizieren. Die Experimente dieser Arbeit beweisen, dass die räumliche Inhomogenität der Ladungsträgerverteilung die Generation von elektrischen Signalen beeinflusst. Des Weiteren wird eine neue Methode zur Messung von elektrischen Feldern in Halbleitern präsentiert. Für diese Messung werden breitbandige Laserimpulse benötigt, um über Franz-Keldysh-Oszillationen im Absorbtionsspektrum zu integrieren. Die Photonenenergie der Laserimpulse ist dabei größer als der Bandabstand des Halbleitermaterials. Mit dieser Technik wird der Abschirmungsprozess und die damit verbundene Umverteilung des elektrischen Feldes in photoleitenden Schaltern untersucht. In einem weiteren Teil dieser Arbeit wird eine experimentelle Methode aufgezeigt, die es ermöglicht, die zeitabhängige Driftgeschwindigkeit eines Ladungsträgerensembles in sich zeitlich verändernden elektrischen Feldern zu messen. Die Technik basiert auf der räumlich aufgelösten Analyse von Photolumineszenzbildern zu verschiedenen Zeiten nach der optischen Anregung. Mit dieser Methode kann die Verweilzeit von Ladungsträgern in photoleitenden Schaltern gemessen werden. Die Verweilzeit bestimmt die Repetitionsrate von solchen Bauteilen und ist daher ein essentieller Parameter. Die Messtechnik, die in dieser Arbeit vorgestellt wird, ist wichtig für künftige Optimierungsprozesse von photoleitenden Schaltern in Bezug auf Repetitionsrate und Amplitude des generierten Spannungsimpulses.