Photonen einzeln zählen
Insbesondere Analyseanwendungen der Biowissenschaften, z.B. Fluoreszenz- und Lumineszenz-Messungen, benötigen optische Detektoren zum Nachweis geringster Lichtintensitäten. Eine neue rauscharme Channel-Photomultiplier-Technologie (CPM) ist so empfindlich, dass sie sogar einzelne Photonen nachweisen kann.
Die Umsätze mit drahtloser Infrastruktur zeigen weiterhin außergewöhnliche Zuwachsraten von etwa 27 Mrd. Dollar im Jahre 2003 auf geschätzte 35 Mrd. Dollar in 2004. Allerdings erwarten Industrieanalytiker, dass der Umsatz 2004 seinen Spitzenwert erreicht hat, da die Voraussagen für 2005 einen Rückgang auf 27 Mrd. Dollar erwarten lassen, der sich zum Ende des Jahrzehnts zwischen 10 und 15 Mrd. Dollar einpendeln dürfte.
Jobangebote+ passend zum Thema
Insbesondere Analyseanwendungen der Biowissenschaften, z.B. Fluoreszenz- und Lumineszenz-Messungen, benötigen optische Detektoren zum Nachweis geringster Lichtintensitäten. Eine neue rauscharme Channel-Photomultiplier-Technologie (CPM) ist so empfindlich, dass sie sogar einzelne Photonen nachweisen kann.
Standardisierung der Schnittstellen in der drahtlosen Basisstation
Die Hersteller der Infrastruktur drahtloser Netze haben sich also einen entscheidenden Schritt von der proprietären ASIC-Technologie entfernt, wobei sich zwei Initiativen eine Standardisierung der schnellen seriellen Rückwandverdrahtung in Basisstationen auf die Fahnen geschrieben haben: Die OBSAI-RP3 (Open Base Station Architecture Initiative, Reference Point 3) und die CPRI (Common Packet Radio Interface) definieren standardmäßige Verbindungen zwischen den Platinen zur Basisbandverarbeitung und dem digitalen Sende/Empfangsmodul. Damit wird eine Modularisierung der Basisstation beabsichtigt, die über steigenden Wettbewerb die Kosten senken soll.
Viele der führenden Hersteller von Basisstationen sind Mitglied von OBSAI oder CPRI und integrieren zügig den Standard ihrer Wahl in die nächste Generation der Basisstationen.
Das klassische Verfahren zur Detektion von Einzelphotonen ist das „Photon Counting“, meist in Verbindung mit Photomultiplier-Röhren (PMT). Diese Technik nutzt die durch ein Photon ausgelösten, verstärkten elektronischen Pulse des Photomultipliers und erfasst sämtliche Pulse, die höher sind als ein bestimmter Schwellwert. Allerdings liegen bei hohen Zählraten die Ausgangspulse derart dicht beieinander oder überlappen sich bereits, so dass diese nicht mehr als Einzelpulse aufgelöst werden können. Das Photon Counting findet daher seine Grenzen bei Zählraten im unteren zweistelligen Megacount-Bereich (Mio. erfolgreiche Zählungen je s), was einem linearen Bereich von ca. 6 Dekaden entspricht.
Die Ergänzung bestehender ASIC-Lösungen um externe Bauteile zur Hochrüstung auf neue Funktionen kann nur eine Notlösung sein. Künftige Entwicklungen für Basisstationen müssen flexibler gestaltet werden, wenn sie schnell an veränderte Kundenanforderungen angepasst werden und darüber hinaus die zu erwartende Konvergenz von Mobilfunk und breitbandigen drahtlosen lokalen Netzen beherrschen sollen. Wie in Bild 2 zu sehen ist, bietet die Roadmap der mobilen Technologien eine Vielfalt an Lösungen, sodass Basisstationen aus einer gemeinsamen programmierbaren Plattform viele Vorteile ziehen könnten. Darüber hinaus werden aktuelle Techniken wie Multi-User-Erkennung und Antennenauswahl durch neue technische Herausforderungen wie Kanalbereitstellung und Abstimmung der Basisstation ergänzt, mit denen die Kapazität vergrößert, gleichzeitig aber der Einfluss auf die Dienstequalität (QoS) verringert wird.
Wenn es um Flexibilität geht, sind FPGAs die logische Konsequenz. Außerdem bieten sie durch die Herstellung mit modernen Fertigungstechnologien wie 90-nm-Geometrie auf 300-mm-Siliziumwafern attraktive Preisvorteile, die den aktuellen Erwartungen eines reifen Marktes der drahtlosen Netzkommunikationstechnik entgegenkommen.
Photonen zählen – Photostrom messen
Bei größeren Lichtintensitäten wird die Photostrommessung sowohl bei traditionellen PMTs als auch bei CPMs verwendet. Allerdings ist diese Messmethode nicht geeignet für den Nachweis von Einzelphotonen. Durch Kombination beider Verfahren, Photon Counting und DC-Messung, kann prinzipiell der dynamische Messbereich erweitert werden. Sehr häufig erfordert das jedoch separate Detektoren. Auch besteht die Herausforderung der Angleichung (Fit) beider Messkurven. Auf Basis der Channel-Photomultiplier- Technologie wurde bei Perkin Elmer ein optisches Detektormodul mit einem dynamischen Messbereich von mehr als 9 Dekaden entwickelt, welches erstmalig sowohl Einzelphotonen als auch hohe Lichtintensitäten mittels eines Gleichstrom-Messverfahrens detektieren kann (Bilder 1 und 2). Damit werden die Leistungsbeschränkungen des traditionellen Photonen- Zählverfahrens bei hohen Lichtintensitäten deutlich erweitert. Als sehr vorteilhaft wirkt sich die rauscharme Charakteristik der CPM-Technologie mit sehr geringem Dunkelstrom aus.
Ein- und Ausgabeports des Moduls eröffnen Synchronisierungsmöglichkeiten mit Blitz-Lampen, LEDs oder Laserpulsen. Eine integrierte elektronische Verschluss-Funktion (Gate) schützt den Detektor vor potentieller Überbelichtung durch Anregungslicht.
In der Tabelle ist eine Auswahl an IP-Angeboten für Funktionen im Basisband und der Sende/Empfangseinheit zusammengestellt. Dabei sind die genannten Angebote lediglich als Beispiel dafür anzusehen, was möglich ist; sie berücksichtigen ferner, dass Hersteller drahtloser Systeme und Komponenten die Kontrolle über ihre eigenen Verarbeitungsalgorithmen behalten wollen. Auch wenn reife Märkte nach einer Standardisierung verlangen, werden proprietäre Algorithmen als wichtige Differenzierungsmerkmale angesehen, die einen Wettbewerbsvorteil im Basisband und einigen Bereichen des digitalen HF-Moduls bieten.
- Photonen einzeln zählen
- Photonen einzeln zählen
