Cycle, eine Ausgründung des Deutschen Elektronen-Synchrotrons (Desy), entwickelt hochpräzise Synchronisationssysteme. Eingesetzt werden sie in Wissenschaft, Raumfahrt und Industrie, immer dann wenn herkömmliche Lösungen an ihre Grenzen stoßen. Um die Präzision bei Signalabgleichen und kurzen Zeitintervallen zu erreichen, setzt das Start-Up auf rauschfreie Netzteile.

Seit seiner Gründung hat sich Cycle zum Spezialisten für hochpräzise Synchronisationssysteme auf Basis von Ultrakurzpulslasern entwickelt. Die zunehmenden Präzisionsanforderungen stellen herkömmliche Systeme vor erhebliche Herausforderungen. Typische Probleme wie Signalrauschen und instabile Umgebungsbedingungen limitieren die Leistungsfähigkeit konventioneller Ansätze.

„Unsere Femtosekunden-Technologie ermöglicht Experimente, die mit herkömmlichen Methoden schlichtweg nicht realisierbar wären“, erklärt Dr. Alice Autuori, Produktmanagerin bei Cycle. Diese Fortschritte finden Eingang in modernen Teilchenbeschleunigern, Hochintensitätslaser-Laboren sowie in der Satellitenkommunikation.

Parallel zur Entwicklung synchroner Systeme hat sich auch die Verfügbarkeit von Hochintensitäts-Ultrakurzpulslasern verbessert. „Während diese Systeme früher auf wenige Speziallabore beschränkt waren, profitieren sie heute von Fortschritten in der Miniaturisierung, Kosteneffizienz und Energieoptimierung. Dadurch sind sie kompakter, erschwinglicher und leistungsfähiger“, so Autuori weiter.

Netzteile mit Ripple-Werten unter 1 mVss

Für die Leistungsfähigkeit der Cycle-Systeme sorgen die rauscharmen Daitron-Schaltnetzteile von Burger Engineering. Diese Komponenten minimieren elektrische Störungen und ermöglichen so eine kompakte Bauweise der Synchronisationssysteme. Denn die Stromversorgungslösungen mit Ripple-Werten unter 1 mVss stabilisieren präzisionskritische Systeme.

Cycle entwickelt zudem Systeme zur Erzeugung und Verteilung von Frequenz- und Zeitsignalen in Funkstationen. Dazu wird die Stabilität von Atomuhren mit den Zeitstempeln von GNSS-Satelliten kombiniert, um rauscharme Referenzsignale innerhalb der Station zur Verfügung zu stellen. Dies ist essentiell, um die Kommunikation der Funkstationen mit Satelliten bis tief in den Weltraum hinein zu ermöglichen.

Synchronisationsverfahren und ihre Grenzen

Klassische Synchronisationsverfahren optischer und Mikrowellensignale basieren auf direkter Photodetektion, bei der Lichtimpulse in elektrische Signale umgewandelt werden, um Phasenvergleiche durchzuführen. Diese Methode ist jedoch anfällig für Lichtintensitäts- und Temperaturschwankungen, die beides Phasenrauschen verursachen. Zudem begrenzt sie die Timing-Auflösung im Bereich von Pikosekunden – eine Präzision, die für Anwendungen wie Freie-Elektronen-Laser (FEL) oder moderne Teilchenbeschleuniger nicht ausreicht.

Optischer Mikrowellen-Phasendetektor im Femtosekundenbereich

Basierend auf den Prinzipien des elektrooptischen Phasendetektionsschemas, das von Prof. Kärtner und seiner Forschungsgruppe am Desy und an der Universität Hamburg demonstriert wurde, hat das F&E-Team von Cycle den ersten industriellen optischen Mikrowellen-Phasendetektor mit Sub-Femtosekunden-Auflösung entwickelt: Bompd (Balanced Optical Microwave Phase Detector). Bompd ermöglicht einen optoelektronischen Phasenregelkreis zwischen einem Laseroszillator und einem Mikrowellenoszillator.

Die Lichtimpulse aus dem Ultrakurzpulslaser werden in zwei Arme aufgeteilt und in Amplitudenmodulatoren geleitet, die von der Mikrowellenquelle angetrieben werden. Der Phasenfehler wird in ein Intensitätsungleichgewicht der geteilten Strahlen umgewandelt und von einem Gegentakt-Photodetektor erfasst – das Fehlersignal zur Stabilisierung des VCO oder Lasers.

Da der Phasenfehler beziehungsweise zeitliche Versatz zwischen Laserpulszug und Mikrowellensignal via der Amplitudenmodulatoren in einen Intensitätsunterschied vor der Detektion umgewandelt wird, kann man neue Genauigkeiten im Timing erreichen. Das Ausgangssignal, das proportional zum Phasenfehler ist, kann durch einen rauscharmen Controller, Esync von Cycle, berücksichtigt werden, um die Abweichung vom Nullpunkt der Amplitudenmodulation aktiv zu kompensieren.

Exakte Synchronisation

Die Bompd-Technologie zeichnet sich durch eine außergewöhnlich hohe Empfindlichkeit aus, die minimale Zeitunterschiede präzise misst. Mit einer Auflösung unter 0,5 Femtosekunden und einer Drift von unter 20 Femtosekunden in 10 Stunden bietet sie neben ihrer Präzision langfristige Stabilität.

„Ohne Bompd wäre die exakte Synchronisation zwischen Mikrowellensystemen und Lasern kaum realisierbar“, so Dr. Alice Autuori.

Ultra-Low-Noise Schaltnetzteile für Langzeitstabilität

Neben hoher Präzision spielt auch die Langzeitstabilität eine Rolle. Aufgrund der Kooperation mit Burger Engineering setzt Cycle spezielle Ultra-Low-Noise-Netzteile des Herstellers Daitron ein, die durch geringe Störungen und eine konstant hohe Leistung überzeugen. Sie laufen bereits seit drei Jahren in den 24/7-Betriebssystemen von Cyle – ohne messbaren Leistungsabfall.

Daitron-Netzteile setzen auf die Resonanz-Mode-Technologie mit Soft Switching, wodurch Störsignale auf unter 1 mVss gesenkt werden. Damit bieten sie eine ähnlich geringe Störspannung wie lineargeregelte Netzteile, jedoch bei höherer Effizienz und kompakterem Design.

Während diese Ultra-Low-Noise-Netzteile in Asien und den USA bereits etabliert sind, wächst ihr Einsatz in Europa erst jetzt – insbesondere in Bereichen mit hohen Präzisionsanforderungen wie Analytik, Medizintechnik oder der Forschung.

Zukunftsperspektiven

Geplante Weiterentwicklungen bei Cycle zielen darauf ab, die Femtosekunden-Synchronisation weiter zu optimieren und in Bereiche wie Quantencomputing oder ultraschnelle Datennetzwerke zu übertragen. Gleichzeitig erschließen Cycle, Burger Engineeringund Daitron neue Märkte, etwa in der europäischen Halbleiterindustrie oder der satellitengestützten Kommunikation und Erdbeobachtung.

Autoren

Dr. Alice Autuori, Produktmanagerin, Cycle

Roman Reimer, Experte für Schaltnetzteile, Burger Engineering