In Forschung, Medizintechnik und Raumfahrt sind hochpräzise Lasersysteme unverzichtbar. Das Synchronisationssystem BOMPD von Cycle ermöglicht es, Femtosekundenlaser mit Mikrowellen bis in den Femtosekundenbereich exakt abzustimmen. Damit diese Präzision erreicht wird, spielen unsere rauschfreien Netzteile bei Cycle eine zentrale Rolle – für störungsfreie, kompakte und präzise Gesamtlösungen. Hier der Use Case!
Cycle, eine Ausgründung des Deutschen Elektronen-Synchrotrons (DESY), entwickelt seit 2015 hochpräzise Synchronisationssysteme. Die Technologie des Unternehmens stößt dort auf Interesse, wo in Wissenschaft und Industrie herkömmliche elektronische Systeme an ihre Grenzen stoßen. Das ist vor allem dann der Fall, wenn es um ultrakurze Zeitintervalle und präzise Signalabgleiche geht.
Synchronisationen im Nanosekundenbereich reichen für moderne Anwendungen oft nicht mehr aus, etwa in Teilchenbeschleunigern sowie Freie-Elektronen Lasern (FEL), bei Hochintensitätslasern oder Satellitenkommunikation. Hier setzt die Technologie von Cycle an: Mit der Fähigkeit, Kurzpulslaser im Femtosekundenbereich (1fs = 10-15 s) zu synchronisieren, ermöglicht sie völlig neue Möglichkeiten in solch hochsensiblen Anwendungen.
Photodetektion an der Leistungsgrenze: Warum konventionelle Systeme versagen
Seit seiner Gründung hat sich Cycle unter der Mitwirkung von Prof. Franz X. Kärtner von DESY und der Universität Hamburg zum Spezialisten für hochpräzise Synchronisationssysteme auf Basis von Ultrakurzpulslasern entwickelt. Diese Technologie spielt eine Schlüsselrolle in Anwendungen, bei denen höchste Genauigkeit unabdingbar ist – von der Grundlagenforschung über die Raumfahrt bis hin zur Industrie.
Die zunehmenden Präzisionsanforderungen stellen herkömmliche Systeme vor erhebliche Herausforderungen.
Typische Probleme wie Signalrauschen und instabile Umgebungsbedingungen limitieren die Leistungsfähigkeit konventioneller Ansätze. Cycle begegnet diesen Herausforderungen mit innovativen Lösungen, die frühere Nanosekunden-Systeme um mehrere Größenordnungen übertreffen.
„Unsere Femtosekunden-Technologie ermöglicht Experimente, die mit herkömmlichen Methoden schlichtweg nicht realisierbar wären“, erklärt Dr. Alice Autuori, Produktmanagerin bei Cycle. Diese Fortschritte finden beispielsweise Eingang in modernen Teilchenbeschleunigern und Hochintensitätslaser-Laboren.
Parallel zur Entwicklung synchroner Systeme hat sich auch die Verfügbarkeit von Hochintensitäts-Ultrakurzpulslasern drastisch 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 Dr. Autuori weiter. „Statt weniger als zehn Einheiten sind inzwischen Hunderte im Einsatz – das erweitert die Forschung und erschließt völlig neue Anwendungsfelder.“
Einen wichtigen Beitrag zur Leistungsfähigkeit der Cycle-Systeme leisten die rauscharmen Daitron-Schaltnetzteile von Burger Engineering.
Diese Komponenten minimieren elektrische Störungen und ermöglichen so eine kompakte sowie zuverlässige Bauweise der Synchronisationssysteme. Denn die Stromversorgungslösungen mit Ripple-Werten unter 1mVss stabilisieren präzisionskritische Systeme. Cycle entwickelt außerdem 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 besonders präzise und rauscharme Referenzsignale innerhalb der Station zur Verfügung zu stellen. Dies ist essentiell, um die Kommunikation der Funkstationen, z.B. des ESTRACK Network der europäischen Raumfahrtagentur (ESA), mit Satelliten bis tief in den Weltraum hinein zu ermöglichen.
Technologische Grenzen klassischer Synchronisationsverfahren
Mit diesen Innovationen setzt Cycle neue Maßstäbe in der Synchronisationstechnologie und fördert bahnbrechende Entwicklungen in Forschung und Industrie. Klassische Synchronisationsverfahren optischer und Mikrowellensignale basieren auf direkter Photodetektion, bei der Lichtimpulse in elektrische Signale umgewandelt wurden, um Phasenvergleiche durchzuführen.
Diese Methode ist jedoch anfällig für Lichtintensitätsschwankungen und Temperaturschwankungen, die beides Phasenrauschen verursachen, und die Timing-Auflösung im Bereich von Pikosekunden begrenzt – eine Präzision, die für Anwendungen wie FELs oder moderne Teilchenbeschleuniger nicht ausreicht.
Basierend auf den Prinzipien des elektrooptischen Phasendetektionsschemas, das von Prof. Kärtner und seiner Forschungsgruppe früher am MIT, USA und heute 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.
Die BOMPD-Technologie zeichnet sich durch eine außergewöhnlich hohe Empfindlichkeit aus, die minimalste 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, Produktmanagerin bei Cycle. Wissenschaftler profitieren von den präziseren Experimenten, etwa in der zeitaufgelösten Röntgen-Beugung. "Unsere Technologie läuft weltweit rund um die Uhr – mit einer beispiellosen Zuverlässigkeit", erläutert Dr. Autuori.
Ultra-Low-Noise-Netzteile: Grundlage für störungsfreie Präzisionssysteme
Neben höchster Präzision spielt auch die Langzeitstabilität eine zentrale Rolle in Cycles Systemen. Dank der Kooperation mit Burger Engineering setzt Cycle spezielle Ultra-Low-Noise-Netzteile des Herstellers Daitron ein, die durch minimale 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 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 längst etabliert sind, wächst ihr Einsatz in Europa erst jetzt – insbesondere in Bereichen mit höchsten Präzisionsanforderungen wie Analytik, Medizintechnik oder der Forschung.
Vielseitige Anwendungen durch rauscharme Stromversorgung
Ultra-Low-Noise-Netzteile kommen dabei verstärkt in Hightech-Bereichen wie Medizintechnik, Spektroskopie oder präziser Längenmesstechnik zum Einsatz. Durch die Reduktion elektrischer Störungen und die Verbesserung der Signalqualität bilden sie die Grundlage für zuverlässige Messergebnisse – eine Voraussetzung, die auch die Cycle Systeme erfüllen müssen.
Im Vergleich zu klassischen Linearnetzteilen, die früher für sensible Anwendungen genutzt wurden, kombinieren Ultra-Low-Noise-Netzteile geringe Störemissionen mit höherer Energieeffizienz und kompakter Bauweise. Dies spart nicht nur Platz, sondern optimiert auch die Gesamtleistung der Systeme.
Ihre technischen Eigenschaften – minimales Rauschen (<1 mVss), Robustheit und globale Kompatibilität – machen sie zu einer Schlüsselkomponente in modernen Präzisionsgeräten. Für Cycle bedeutet dies: kompakte Designs und störungsfreier Betrieb selbst unter extremen Bedingungen.
Zukunftsperspektiven: Femtosekunden-Synchronisation für Quantencomputing und Satellitenkommunikation
Die Partnerschaft zwischen Cycle und Burger Engineering zeigt, wie die Kombination von Spitzentechnologie und spezialisierten Komponenten wie den Ultra-Low-Noise-Netzteilen Präzision und Stabilität in neuen Dimensionen ermöglicht. Geplante Weiterentwicklungen zielen darauf ab, die Femtosekunden-Synchronisation weiter zu optimieren und in Bereiche wie Quantencomputing oder ultraschnelle Datennetzwerke zu übertragen. Gleichzeitig erschließen beide Unternehmen neue Märkte, etwa in der europäischen Halbleiterindustrie oder der satellitengestützten Kommunikation und Erdbeobachtung.
Durch ihre Expertise in Synchronisationstechnologien und Stromversorgungslösungen tragen Cycle, Burger Engineering und Daitron dazu bei, nicht nur aktuelle Herausforderungen zu meistern, sondern auch künftige Innovationen voranzutreiben. Ob in der Erforschung neuartiger Materialien, der Entwicklung präziser Medizingeräte oder der Steuerung von Satellitenkonstellationen – die Technologien bilden eine Grundlage für Fortschritte, die Wissenschaft und Industrie nachhaltig prägen werden.
Autoren: Dr. Alice Autuori, Produktmanagerin, Cycle GmbH; Roman Reimer, Experte Schaltnetzteile, Burger Engineering GmbH
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