DFG-Terahertz Gerätezentrum

6G Core Center

Herzlich Willkommen am DFG Gerätezentrum für 6G- und THz-Forschung (6Gcore) an der Bergischen Universität Wuppertal, einer wegweisenden Einrichtung zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung und interdisziplinären Zusammenarbeit in der Region. Unser Ziel ist es, die Grenzen des Wissens zu erweitern, indem wir modernste Einrichtungen und Ressourcen zur Verfügung stellen, um bahnbrechende Forschung in verschiedenen Disziplinen zu unterstützen. Als Zentrum für Innovation bringt das DFG-Gerätezentrum führende Experten aus verschiedenen Disziplinen zusammen und fördert eine lebendige Gemeinschaft von Wissenschaftlern, die sich gemeinsam den drängendsten Herausforderungen unserer Zeit stellen.

Das Gerätezentrum ist eine neue Plattform und bietet internen und externen Nutzern vielfältige Spezialsysteme, um den Nutzer optimal bei ihren Forschungsprojekten kostengünstig zu unterstützen. Dabei werden Unternehmen und wissenschaftliche Einrichtungen aus einer Hand hier im Haus betreut.

Für die Buchung von Laboren und Geräten erhalten sie nachfolgend Informationen über die technische Ausstattung und die Kompetenzen des Gerätezentrums.

Um sich einen schnellen Überblich zu verschaffen, können Sie die folgende Navigation nutzen:

Equipment

  • Soft-Reinräume der ISO Klasse 5

Reinräume werden je nach Partikeldichte in spezielle Reinraumklassen (Reinheitsklassen) eingeteilt. Sie unterliegen strengen, genormten Anforderungen an die maximal zulässige Partikelkonzentration (Partikel je m³ Luft) und Partikelgröße und werden nach dem Reinheitsgrad der Luft klassifiziert. ISO Klasse 5 bedeuten max. 100.000 Partikel ≥ 0,1 µm, 23.700 Partikel ≥ 0,2 µm, 1.020 Partikel ≥ 0,3 µm, 352 Partikel ≥ 0,5 µm, 83 Partikel ≥ 1,0 µm, keine Partikel ≥ 5,0 µm

  • Trockenofen mit Vakuum- und Inertgasanschluß

Die Proben können bis 200°C aufgeheizt werden. Gleichzeitig besteht die Möglichkeit ein ölfreies Vakuum bis ca. 50mbar Absolutdruck in der 23l großen Ofenkammer zu erzeugen. Die Kammer kann durch verstellbare Böden in mehrere Bereich aufgeteilt werden. Die räumliche Temperaturabweichung beträgt weniger als 3K, wobei die zeitliche Temperaturdrift kleiner 1K ist. Das Belüften erfolgt mit hochreinem Inertgas

  • Tiefstemperaturgefrierschrank

Zur Langzeitlagerung von Klebstoffen und biologischen Proben besitzen wir eine große Gefriertruhe mit -40°C Lagertemperatur

  • diverse Mikroskope mit angeschlossener Kamera

Die Oberflächeninspektion mittels Kamara ermöglicht auch die notwendige Dokumentation der Prozessschritte. Die Systeme verfügen auch über die Möglichkeit Bildausschnitte vertikal und horizontal zusammenzusetzen, falls die Objekte größer als der Bildbereich in der gewählten Auflösung ist bzw größere Höhenunterschiede aufweist, welche außerhalb der Schärfentiefe ist

  • Schwarzkörperstrahler

Neben Erzeugung von IR Strahlung im Bereich 50-1.000°C kann durch spezielle Terahertzfilter (0-1THz, 0-2THz und 0-3THz) auch gechoppte Strahlung erzeugt und untersucht werden. Dies ist z.B. für die passive Bildgebung in diesem Frequenzbereich von großem Interesse

  • Wafersäge

Die eigene Wafersäge ermöglicht das Vereinzeln von einzelnen Layouts aus Prototypenwafern. Vorangig werden Siliziumproben bearbeitet, aber durch den Einsatz geeignter Sägeblätter sind auch Schnitte in Keramiken mit einer Präzision <10µm möglich

  • diverse Bondtechnologien

Neben dem Thermokompressions-Drahtbonder für die Kontaktierung der Chips zum Gehäuse bzw. zur Platine kommt noch die Flip-Chip Technik zum Einsatz

  • 3D Messtechnik

Zwei Sechsachsroboter unterstützen die räumliche Erfassung von Signalen in nahezu beliebigen Distanzen auf optischen Tischen im Labormaßstab

  • Absolut-Leistungsmeßgeräte für Hochfrequenzsignale

Das Freiraum Absolutmessgerät ist für den Frequenzbereich 30-30.000 GHz geeignet. Hier kann gechoppt bis 100mW gemessen werden. Das an einen Wellenleiter adaptierte System misst calorimetrisch im Frequenzbereich 75-3.000GHz bei bis zu 200mW eingestrahlter Leistung

  • Signalgeneratoren

Programmierbare digitale Wellenformgeneratoren können einmalig und/oder kontinuierlich widerkehrende beliebig geformte Signale bis 20GHz erzeugen. Das Signal kann mit 10bit vertikal aufgelöst werden. Die Auslesegeschwindigkeit beträgt max. 50GS/s, wobei das Signal aus bis zu 2^35 Einzelwerte (32GS) bestehen kann

  • Hochleistungs-Digital-Oszilloskope

Es stehen mehrere Systeme mit einer Einzelkanalauflösung von 200GS/s bis 70GHz zur Verfügung. Darüberhinaus sind weitere Oszilloskope geringerer Bandbreite und Auflösung verfügbar

  • Halbleiter-Lagerschränke

Zur Langzeitaufbewahrung von Proben haben wir zwei Trockenlagerschränke mit aktiver Reduktion der Luftfeuchtigkeit auf < 1% relative Luftfeuchte

Messverfahren

  • On Chip Messungen

Mit Hilfe von verschiedenen Messspitzen können Hochfrequenz-Halbleiterstrukturen direkt kontaktiert und untersucht werden, bevor sie in ein Gehäuse eingesetzt werden. Die Signalauswertung erfolgt über verschiedene Netzwerk- oder Spektrumanalysatoren im Bereich 10MHz – 67GHz. Mittels Zusatzextender auch im D- und J-Band und darüberhinaus bis 1.100GHz (limitiert durch die vorhandenen Messpitzen)

  • Untersuchungen verschiedener Modulations- und Übertragungsarten für die Kommunikationstechnik

Die gute Infrastruktur erlaubt die detaillierte Untersuchung komplexer Modulationsverfahren, selbst bei hohen Trägerfrequenzen. Hier sind einige gängige Messverfahren, die zur Charakterisierung von Modulationstechniken verwendet werden:

Spektralanalyse: Die Spektralanalyse wird verwendet, um das Frequenzspektrum eines modulierten Signals zu untersuchen. Hierbei wird das Signal in seine verschiedenen Frequenzkomponenten aufgeschlüsselt. Mit Hilfe von Spektrumanalysatoren kann die Verteilung der Signalenergie über verschiedene Frequenzbereiche hinweg analysiert werden. Dies ermöglicht die Identifizierung von Trägerfrequenz, Seitenbändern, Bandbreite und anderen spektralen Merkmalen der Modulation.

Augendiagramm: Das Augendiagramm ist ein grafisches Werkzeug zur Beurteilung der Signalqualität in digitalen Modulationssystemen. Es stellt die Überlagerung von mehreren Signalbits im Zeitbereich dar. Das Augendiagramm ermöglicht die Analyse von Übertragungsproblemen wie Rauschen, Jitter und Verzerrungen. Anhand des Augendiagramms können Parameter wie Anstiegs- und Abfallzeiten, Augenöffnungsbreite und Intersymbolinterferenz bewertet werden.

Fehlervektor-Messungen: Fehlervektor-Messungen werden bei digitalen Modulationstechniken wie QPSK (Quadraturphasenverschiebung), 16-QAM (16-fache Amplitudenmodulation) und anderen verwendet. Dabei wird das empfangene Signal mit einem idealen Referenzsignal verglichen, und die Unterschiede zwischen ihnen werden gemessen. Zu den wichtigen Parametern gehören der Fehlervektorbetrag (EVM) und der Fehlervektorwinkel (EVA), die Aufschluss über die Genauigkeit der Modulation geben.

Bitfehlerrate (BER): Die Bitfehlerrate ist eine häufig verwendete Metrik zur Bewertung der Qualität digitaler Modulationssysteme. Sie gibt an, wie viele fehlerhafte Bits im Verhältnis zur Gesamtzahl der übertragenen Bits auftreten. Durch die Messung der BER können Rückschlüsse auf die Leistungsfähigkeit und Störanfälligkeit des Modulationssystems gezogen werden.

Leistungsmessungen: Bei Modulationstechniken ist es wichtig, die Übertragungsleistung zu messen. Dies umfasst die Messung der Sendeleistung, um sicherzustellen, dass sie den Spezifikationen entspricht, sowie die Messung der empfangenen Leistung, um Signal-Rausch-Verhältnisse (SNR) und andere Übertragungsverluste zu bewerten.

  • Messbereichserweiterungen

Durch Verwendung der Zusatzextender kann der Messbereich der Auswerteelektronik deutlich erweitert werden. Dabei wird zwischen Generator- und Analysator- Systemen unterschieden. Neben den etablierten 110-170 GHz (D-Band) und 220-325 GHz (J-Band) Systemen kommen auch neuere Systeme für den Frequenzbereich 330-500GHz, 500-750 GHz und 1.100-1.500 GHz zum Einsatz welche im oberen Frequenzbereich zwischen -20/-10 dBm eingesetzt werden können

  • Nutzung des Terahertzbereichs zur Datenübertragung und Bildgebung durch Sender und Empfänger

Die Bildgebung im Terahertzbereich bietet verschiedene Vorteile, da Terahertzstrahlung durch viele nicht-metallische Materialien wie Kunststoffe, Papier, Kleidung und Keramik hindurchdringen kann. Gleichzeitig wird sie von vielen anderen Materialien wie Metallen, Wasser und bestimmten chemischen Verbindungen absorbiert, was es ermöglicht, verschiedene Substanzen zu identifizieren und zu unterscheiden.

Bei der Terahertz-Bildgebung werden verschiedene Techniken eingesetzt, um Informationen über die untersuchten Objekte zu erhalten:

Zeitbereichsbildgebung: Bei dieser Methode wird eine kurze Terahertzimpulssequenz erzeugt und auf das zu untersuchende Objekt gerichtet. Der reflektierte oder transmittierte Terahertzimpuls wird mit einem Detektor erfasst und analysiert. Durch die Erfassung der Laufzeit des Terahertzimpulses können Informationen über die Dicke, Struktur und Reflexionseigenschaften des Objekts gewonnen werden.

Frequenzbereichsbildgebung: Hier wird ein breitbandiges Terahertzsignal erzeugt und in verschiedene Frequenzkomponenten aufgespalten. Durch Messung der Absorption, Reflexion oder Streuung der Terahertzstrahlung in Abhängigkeit von der Frequenz kann eine detaillierte Spektralinformation über das Objekt gewonnen werden. Dies ermöglicht die Identifizierung spezifischer chemischer oder materieller Eigenschaften.

Tomographie: Die Terahertz-Tomographie kombiniert verschiedene Winkel- oder Positionsprojektionen, um ein dreidimensionales Bild des untersuchten Objekts zu erzeugen. Durch die Kombination mehrerer Einzelbilder aus verschiedenen Blickwinkeln kann die innere Struktur des Objekts rekonstruiert werden.

Wir bieten die Nutzung diverser kommerziellen und eigenen Terahertzsysteme unterschiedlicher Leistungsklassen als Einzelfrequenz- und durchstimmbare Systeme (-25dBm bis 4dBm) und Baugrößen (Mignonzellengröße und kleiner) bis hin zu tischgroßen Lasersystemen auf der Sendeseite, aber auch vielfältige z.T. breitbandiger Single-Pxel und Multipixelkamerasysteme zur Auswertung von Millimeterwellenstrahlung

  • THz-Nahfeldmikroskopie

Die Terahertz-Wellen stoßen aufgrund ihrer großen Wellenlänge an Grenzen, wenn es um die Erkennung kleinster Strukturen geht. Die Kopplung von Terahertz-Wellen mit einem Nahfeld-Mikroskop ermöglicht es, die laterale Auflösung bis in den Nanometerbereich zu erhöhen. Dies ist eine analoge Arbeitsweise zum Rasterkraftmikroskop

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