Der kan købes oscilloskoper på markedet, der kan måle signaler med en opløsning i omegnen af 30 picosekunder (single shot), og repetitive signaler med en opløsning på nogle få picosekunder. Det er imponerende, men faktisk ikke altid godt nok.

Om et par år bliver verdens største laser, National Ignition Facility (NIF) i Californien, taget i brug for bl.a. at skulle undersøge laserfusion. Forskerne vil til den tid have et ønske om at måle optiske signaler med en opløsning på under et picosekund. Målingerne bliver ikke lettere af, at signalerne er så svage, at man har behov for et dynamisk område på omkring 100 dB.

Nye såkaldte frie-elektronlasere som Linac Coherent Light Source ved Stanford Linear Accelerator Center i Californien, der tages i brug i 2009, og den fremtidige facilitet X-FEL i Hamborg stiller ligeledes krav om måling af optiske signaler med en opløsning langt under et picosekund - eksempelvis til studier af kemiske reaktioner. Også ved målinger af optiske signaler inden for telekommunikation øges kravene konstant.

En lang række forskningsgrupper og firmaer verden over har derfor gennem mange år arbejdet med forbedringen af metoder til måling af ultrakorte optiske signaler.

To forskergrupper ved Cornell University i USA har nu sammen sat trumf på udviklingen med et optisk oscilloskop med en opløsning på 0,22 picosekunder for single shot-signaler over et interval på 100 picosekunder.

»Forholdet på 450 mellem recordlængde og opløsning er fem gange bedre end noget instrument,« hævder professor Alexander Gaeta fra Cornell.

Han og kollegaen Michael Lipson har stået i spidsen for hver sin forskergruppe, der har samarbejdet om udviklingen af den nye teknik.

Der findes ingen direkte metode, der kan måle signaler med en opløsning under et picosekund. Der må altså benyttes en eller anden form for trick.

To forskellige metoder står til rådighed. Man kan forlænge det optiske signal, inden man omsætter det til elektrisk signal, som så kan måles med et sædvanligt oscilloskop eller streak camera - eller man kan transformere målingen fra tidsdomænet til frekvensdomænet og foretage en måling med et spektrometer.

Nøglekomponenten der i begge tilfælde er en tidslinse - en komponent, hvis egenskaber minder om de tilsvarende for de sædvanlige linser af glasmaterialer, der kan forstørre rumlige dimensioner og afstande.

For at forstå tidslinsens princip er det vigtigt at erindre de helt simple love for sædvanlige optiske linser.

Placerer man en genstand i afstanden S1 fra en linse, dannes der et billede i afstanden S2 på den anden side af linsen. Sammenhængen mellem S1 og S2 er givet ved 1/S1 + 1/S2 = 1/f, hvor f er linsens brændvidde (også kaldet fokallængden).

Billedet kan enten være større eller mindre end genstanden. Forholdet mellem billede og genstand er givet ved M = -S2/S1 (minustegnet betyder, at billedet står på hovedet).

En tidslinse har også en fokallængde og en forstørrelsesfaktor, men hvor afstandene ved den almindelige linse måles i meter, er 'afstandene' og fokallængden for en tidslinse dispersion, som har dimension af sekund pr. meter - eller i praksis i picosekund pr. nanometer.

Tidslinsen består af to dele: Et lasersignal, hvis frekvens ændrer sig med tiden - det har et chirp - og et optisk element, hvor dette chirp kan påtrykkes det inputsignal, man ønsker at måle.

Chirpet opnås ganske enkelt ved at sende en bredbåndet optisk laserpuls gennem en optisk fiber med høj dispersion, som netop karakteriserer, at forskellige optiske frekvenser (farver) bevæger sig med forskellig hastighed.

Det lineære chirp kan overføres til det optiske signal i et ikke-linenært optisk element. Der findes flere måder, dette kan gøres på.

Cornell-forskerne anvender en silicium-bølgeleder på 1,5 cm med et tværsnit på 300 nm 3 750 nm. Inde i bølgelederen optræder et fænomen, der kendes som four-wave-mixing (FWM), hvor to fotoner fra en pumpelaser (vp) og en foton fra inputsignalet (vi) danner en ny foton, som karakteriser et signal med frekvensen vo = 2vp - vi (denne relation sikrer, at der er energibevarelse).

Cornell-forskerne offentliggjorde i maj i tidsskriftet Optics Express et eksperiment, hvor de forlængede et signal bestående af to optiske pulser på 3,3 ps og et mellemrum på 14,5 ps med en faktor på 20.

Ved at sende de to pulser med en båndbrede på 1 nm gennem en fiber blev de forlænget til 18 ps - det svarer til en dispersion på 17,7 ps/nm i fiberen. Dette er 'afstanden' D1.

I tidslinsen bliver dette signal blandet med et chirpet signal i form af en 200 ps lang puls med en båndbredde på 6 nm svarende til en dispersion på 33,2 ps/nm - man kan vise, at fokallængden er det halve af dette, altså f = 16,6 ps/nm. Ved at bruge linseloven 1/D1 + 1/D2 = 1/f finder man, at D2 skal være 342 ps/nm, derfor sendes signalet efter linsen gennem et dispersionskompensationsmodul eller en optisk fiber med netop denne værdi.

Resultatet er nu, at det optiske signal er forlænget med en numerisk faktor på D2/D1 = 342/17,5 = 20. Og så kan det måles med en 20 GHz detektor.

I en helt ny artikel i Nature 6. november bruger de samme forskere dog tidslinsen på en helt anden måde. I stedet for at bruge den til at forlænge signalet, udfører tidlinsen en Fouriertransformation.

Samme princip kendes fra optiske linser. Placerer man genstanden i fokalplanet fra linsen (S1 = f), vil der ikke dannes et billede på den anden side af linsen. Derimod vil der i fokalplanet på den anden side være en Fouriertransformation af billedet.

Som alle elektroingeniører vil vide, så er en Fouriertransformation af et tidsligt signal et frekvensspektrum - og omvendt.

Brugt på denne måde kan output føres til en optisk spektrumanalysator.

Tidslinsen virker som en blænde, der er åben så længe, det optiske pumpesignal er til stede.

I dette tilfælde stammer pumpesignalet fra en laser, der udsender en kort puls af varighed tpump = 0,28 ps. Pulsen forlænges og tilføres sit chirp ved passage gennem en optisk fiber. Pulsens nye længde på 150 ps angiver den tid, blænden er åben. I oscilloskoptermer vil man tale om en recordlængde, som i dette tilfælde altså er på 150 ps.

Jo korteres puls, pumpelaseren kan udsende, jo mere 'rent chirp' vil man opnå, og jo bedre opløsning vil man få ved den endelige måling af inputsignalet. Man kan vise, at oscilloskopets opløsning er tres = tpump/ sqrt (2), i dette tilfælde altså 0,20 ps.

Der er dog en række forhold, som i praksis ikke er ideelt opfyldt, så hele opstillingen er testet ved at sende pulser af en varighed på 342 ps ind i systemet. Målingen viste en gennemsnitlig pulsbredde på 0,407 ps - det giver en opløsning på sqrt(0,4072-0,3422) = 0,22 ps.

Foreløbig findes oscilloskopet kun i en laboratorieopstilling med fiberlængder på henholdsvis 50 meter og 100 meter til at generere den nødvendige dispersion, men Lipsons forskningsgruppe er ved at udvikle en version, hvor fibrene erstattes af dispersive bølgeledere og med et miniaturespektrometer. Målet er at få det hele ned på en enkelt chip. For det skal ikke alene være hurtigt, det skal også være småt og billigt.