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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein optisches Phasenarray.
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Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Phasenarrays.
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Stand der Technik
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Ein Phasenarray ist im Wesentlichen eine phasengesteuerte Gruppenantenne mit starker Richtwirkung, die eine Bündelung von elektromagnetischer Strahlungsenergie durch die Anordnung und Verschaltung von Einzelstrahlern/-emittern erreicht. Wenn sich die Einzelstrahler unterschiedlich ansteuern lassen, ist das Antennendiagramm der Gruppenantenne elektronisch schwenkbar, sodass auf mechanisch bewegliche Teile hierfür verzichtet werden kann.
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Eine Strahlformung im Fernfeld erfolgt bei Phasenarrays durch eine konstruktive und destruktive Überlagerung der von den einzelnen Emittern, meist periodisch im Array angeordneten Elementen (Antennen/Emitter) ausgestrahlten elektromagnetischen Wellen. Gegeben durch die Abstände der Einzelemitter im Array und die verwendete Wellenlänge ergeben sich im Fernfeld eine oder mehrere Positionen, an welchen die Teilwellen der Einzelemitter konstruktiv interferieren und einen Spot beziehungsweise Punkt erzeugen. Diese Punkte/Richtungen werden auch als Hauptkeule und gegebenenfalls Nebenkeulen bezeichnet. Über das Einstellen der Phase der einzelnen Teilwellen lässt sich die Position und/oder Richtung, an welcher die konstruktive Überlagerung stattfindet, beeinflussen. Die Keule kann so zum Beispiel über einen Winkelbereich bewegt werden. Weiterhin ist es möglich, über die Festlegung der Einzelphasen ein nahezu beliebiges Intensitätsprofil im Fernfeld zu erzeugen.
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Ein Phasenarray kann sowohl zum Senden als auch zum Empfangen von Licht verwendet werden, da der Lichtweg physikalisch umkehrbar ist. Die empfangene Lichtleistung und somit das Signal-Rausch-Verhältnis kann umso höher sein, je größer die Fläche des Phasenarrays ist. Allerdings kann nicht die gesamte auf die Phasenarrayfläche einfallende Lichtleistung empfangen werden. Das Verhältnis zwischen derjenigen Lichtleistung, die auf die Phasenarrayfläche einfällt, und derjenigen Lichtleistung, die tatsächlich vom Phasenarray empfangen wird, wird als Empfangseffizienz des Phasenarrays bezeichnet. Der nicht empfangene Anteil der Lichtleistung wird vom Phasenarray reflektiert, gestreut und/oder absorbiert. Bei einer großen Phasenarray-Fläche werden sehr viele Emitter/Antennen nebeneinander angeordnet und die Antennen/Emitter weisen eine große Länge auf. Eine hohe Empfangseffizienz lässt sich bei langen Antennen nur erreichen, wenn Herstellungstoleranzen reduziert werden. Ansonsten treten Phasenfehler sowohl entlang einer Antenne als auch zwischen den Antennen auf, die eine Einkopplung der empfangenen Lichtwelle teilweise verhindern. Mit anderen Worten kann die empfangene Lichtleistung also nicht beliebig erhöht werden, denn bei Vergrößerung der Phasenarrayfläche sinkt die Empfangseffizienz.
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Aus der
US 2014/0 192 394 A1 ist ein aus einer großen Anzahl nanophotonischer Antennenelemente gebildetes optisches Phasenarray bekannt, um komplexe Bilder in das Fernfeld zu projizieren. Diese nanophotonischen phasengesteuerten Anordnungen, einschließlich der nanophotonischen Antennenelemente und Wellenleiter, können auf einem einzelnen Siliziumchip unter Verwendung von CMOS-Prozessen (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) gebildet werden. Richtungskoppler koppeln Licht von den Wellenleitern evaneszent an die nanophotonischen Antennenelemente, die das Licht als Strahlen mit Phasen und Amplituden aussenden, die so gewählt sind, dass die ausgesandten Strahlen im Fernfeld interferieren, um das gewünschte Muster zu erzeugen.
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Aus der US 2010 / 0 246 617 A1 ist ein Gitter mit schmaler Oberfläche für integrierte optische Komponenten bekannt. Eine Ausführungsform umfasst ein Gitter mit einer Breite, die schmaler als eine Breite des Wellenleiters ist, auf dem das Gitter ausgebildet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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In einer Ausführungsform stellt die Erfindung ein optisches Phasenarray bereit, umfassend eine Trägerfläche auf der zumindest ein Unterphasenarray angeordnet ist, wobei das zumindest eine Unterphasenarray einen Lichteingang, eine Lichtverteilungseinrichtung, eine Phasenschiebereinrichtung, und eine Empfangseinrichtung in Form einer Mehrzahl von Antennen aufweist, und wobei der Lichteingang des zumindest einen Unterphasenarrays mit einem zentralen Lichteingang verbunden ist und wobei das zumindest eine Unterphasenarray auf der vorgegebenen Trägerfläche ausgebildet ist, zumindest eine vorgegebene Empfangsfläche und eine Empfangseffizienz bereitzustellen, und wobei lediglich ein Unterphasenarray auf der Trägerfläche angeordnet ist, dieses mit einem Phasenkorrekturelement versehen ist, das ausgebildet ist, Phasenfehler des Unterphasenarrays zu kompensieren.
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In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Phasenarrays bereit, umfassend
- - Bereitstellen einer Trägerfläche,
- - Bereitstellen eines oder mehrerer Unterphasenarrays, wobei jedes Unterphasenarray mit einem Lichteingang, einer Lichtverteilungseinrichtung, einer Phasenschiebereinrichtung, und einer Empfangseinrichtung in Form einer Mehrzahl von Antennen versehen wird,
- - Bereitstellen des einen oder der mehreren Unterphasenarrays auf der Trägerfläche, derart, dass der oder die Lichteingänge der Unterphasenarrays mit einem zentralen Lichteingang verbunden werden und derart, dass das eine oder die mehreren Unterphasenarrays gemeinsam auf der vorgegebenen Trägerfläche zumindest eine vorgegebene Empfangsfläche und eine Empfangseffizienz bereitstellen, und wobei lediglich ein Unterphasenarray auf der Trägerfläche angeordnet wird, dieses mit einem Phasenkorrekturelement versehen wird, welches Phasenfehler des Unterphasenarrays kompensiert.
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Das optische Phasenarray kann zum Empfangen von Licht und/oder zum Absenden von Licht verwendet werden, da der Lichtweg physikalisch umkehrbar ist.
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Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass damit auf einfache und kostengünstige Weise eine Korrektur von Herstellungstoleranzen, insbesondere im Bereich der Empfangseinrichtung, vorzugsweise der Ausbildung der Antennen, ermöglicht wird. Im Wesentlichen wird also im Fall a) eine Gesamtfläche des optischen Phasenarrays senkrecht zu den Antennen in mehrere Teilflächen unterteilt, sodass jede lange Antenne in mehrere kurze Antennen überführt wird, oder es werden im Fall b) Phasenfehler durch eine entsprechende Korrektureinrichtung kompensiert. Derartige Phasenfehler sind beispielsweise mittels eines Interferometers messbar.
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Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar.
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Gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Weiterbildung ist, wenn eine Mehrzahl von Unterphasenarrays auf der Trägerfläche angeordnet ist und die Phasenschiebereinheiten der Unterphasenarrays ausgebildet sind, derart zusammenzuwirken, dass Licht von den jeweiligen Unterphasen¬arrays am zentralen Lichteingang kohärent interferiert, zumindest eines der Mehrzahl der Unterphasenarrays mit einem Phasenkorrekturelement versehen, das ausgebildet ist, Phasenfehler des Unterphasenarrays zu kompensieren. Damit kann auch bei größeren Herstellungstoleranzen eines Unterphasenarrays Phasenfehler desselben auf einfache Weise kompensiert werden.
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Erfindungsgemäß umfasst das Phasenkorrekturelement eine Platte, welche unterschiedliche optische Dicken im Bereich der zumindest einen Empfangseinrichtung aufweist. Vorteil hiervon ist, dass individuell für jede Empfangseinrichtung die Phasenkorrektur erfolgen kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind die unterschiedlichen optischen Dicken individuell für jede Antenne einer Empfangseinrichtung bereitgestellt. Auf diese Weise wird eine besonders genaue Phasenkorrektur einer Empfangseinrichtung und insgesamt des optischen Phasenarrays ermöglicht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung beträgt die Länge zumindest einer Antenne mehr als 1 mm, vorzugsweise mehr als 2 mm, insbesondere mehr als 3 mm. Auf diese Weise wird ein besonders großes Phasenarray mit gutem Signal-zu-Rausch-Verhältnis bereitgestellt.
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Gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Weiterbildung sind, wenn eine Mehrzahl von Unterphasenarrays auf der Trägerfläche angeordnet ist und die Phasenschiebereinheiten der Unterphasenarrays ausgebildet sind, derart zusammenzuwirken, dass Licht von den jeweiligen Unterphasen¬arrays am zentralen Lichteingang kohärent interferiert, die Unterphasenarrays regelmäßig zueinander auf der Trägerfläche verteilt angeordnet. Dies ermöglicht eine einfache Herstellung der Unterphasenarrays auf der Trägerfläche.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Trägerfläche und/oder die Fläche, mit der zumindest ein Unterphasenarray auf der Trägerfläche angeordnet ist, quadratisch. Dies ermöglicht eine noch einfachere Herstellung der Unterphasenarrays und deren Anordnung auf der Trägerfläche.
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Gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Weiterbildung sind, wenn eine Mehrzahl von Unterphasenarrays auf der Trägerfläche angeordnet ist und die Phasenschiebereinheiten der Unterphasenarrays ausgebildet sind, derart zusammenzuwirken, dass Licht von den jeweiligen Unterphasen¬arrays am zentralen Lichteingang kohärent interferiert, mehrere Lichteingänge von unterschiedlichen Unterphasenarrays miteinander verbunden. Dies ermöglicht eine effiziente und einfache Lichtverteilung von bzw. zu den Unterphasenarrays.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist zumindest eine Antenne zumindest eines Unterphasenarrays als Rippen-Wellenleiter oder als Streifen-Wellenleiter ausgebildet. Dies ermöglicht eine einfache und kostengünstige Herstellung von Antennen.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen, und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.
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Figurenliste
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Dabei zeigt
- 1 ein bekanntes Phasenarray;
- 2a, b verschiedene Formen von Antennen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
- 3ein Unterphasenarray gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 4ein Unterphasenarray gemäß 3 im Querschnitt;
- 5 ein Phasenarray gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
- 6 Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein bekanntes Phasenarray nach dem Stand der Technik.
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In 1 ist im Detail ein Phasenarray 1a gezeigt. Das Phasenarray 1a ist auf einer Trägerplatte 6a angeordnet und weist einen Lichteingang 2a auf, der über eine Lichtverteilungseinrichtung 3a mit einer Phasenschiebereinrichtung 4a verbunden ist. Die Phasenschiebereinrichtung 4a ist weiter mit einer Abstrahleinrichtung 5a verbunden. Die Abstrahleinrichtung 5a weist eine Mehrzahl von Antennen auf, die jeweils getrennt mit einem Phasenschieber der Phasenschieberanordnung 4a zu deren individuellen Ansteuerung verbunden sind. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Antennen kann beispielsweise 1 Mikrometer betragen. Die Phasenschieberanordnung 4a ist dabei elektrisch ansteuerbar ausgebildet. Beim Senden von Licht wird das Licht in den Lichteingang 2a eingekoppelt und über die Abstrahleinrichtung 5a in die Umgebung abgestrahlt. Beim Empfang von Licht wird das Licht aus der Umgebung in die Abstrahleinrichtung 5a eingekoppelt und aus dem Lichteingang 2a ausgekoppelt. Die empfangene Lichtleistung steht am Lichteingang 2a zur Verfügung.
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Die 2a, 2b zeigen verschiedene Formen von Antennen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Querschnitt.
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Im Detail ist in 2a eine Antenne in Form eines Rippenwellenleiters 5a' gezeigt. Der Rippenwellenleiter 5a' weist dabei folgenden Aufbau auf: Auf einem Substrat 50 mit einem ersten Brechungsindex ist ein Wellenleitermaterial 51 mit einem zweiten Brechungsindex aufgebracht, der sich von dem ersten Brechungsindex unterscheidet. Zur Ausbildung des Rippenwellenleiters ist aus dem Wellenleitermaterial 51 eine im Querschnitt rechteckförmige Erhöhung 52 mit einer Breite 103 und einer Höhe 102 ausgebildet. Die Höhe 102 der Erhöhung 52 kann dabei, wie in 2a dargestellt, kleiner als die Dicke 101 der Schicht des Wellenleitermaterials 51 ausgebildet sein. Der erste Brechungsindex für das Substratmaterial 50 kann 1,46, der zweite Brechungsindex des Wellenleitermaterials kann 2,0 betragen. Das Wellenleitermaterial 51 kann dabei Silizium und/oder Siliziumnitrid aufweisen.
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Im Detail ist in 2b ein Streifen-Wellenleiter 5a'' gezeigt. Dieser umfasst ein Substratmaterial 50, auf dem ein Umgebungsmaterial 53 aufgebracht ist. In das Umgebungsmaterial 53 ist ein im Querschnitt rechteckförmiger Wellenleiter aus Wellenleitermaterial 51 angeordnet mit einer Höhe 102 und einer Breite 103. Innerhalb des Umgebungsmaterials 52 kann dieser, wie in 2b dargestellt, mittig bezüglich der Dicke 101 angeordnet sein. Insgesamt kann beispielsweise die Schichtdicke des Wellenleitermaterials 51 in 2a 1000 nm betragen, die Höhe 102 der Erhöhung 52 190 nm und die Breite 103 der Erhöhung 52 650 nm. In 2b kann die Schichtdicke 101 des Umgebungsmaterials 53 1000 nm betragen, die Höhe 102 des Wellenleiters gebildet durch das Wellenleitermaterial 51 190 nm betragen und die Breite 103 des Wellenleiters in den Umgebungsmaterial 52 kann 650 nm betragen. Das Umgebungsmaterial 52 kann Siliziumdioxid aufweisen.
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Bei Verwendung der genannten Materialien und Abmessungen kann sich insbesondere eine einzige Lichtmode in den Wellenleitern insbesondere in den 2a, 2b ausbreiten, deren Phase an jeder Position entlang der jeweiligen Antenne eindeutig definiert ist. Die Lichtwellenlänge kann dabei insbesondere im sichtbaren und nahinfraroten Spektralbereich liegen.
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3 zeigt ein Unterphasenarray gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und 4 zeigt ein Unterphasenarray gemäß 3 im Querschnitt.
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In 3 ist im Wesentlichen ein Unterphasenarray in Form eines Phasenarrays gemäß 1 gezeigt. Im Unterschied zur 1 ist beim hier als Unterphasenarray 1a gemäß 3 bezeichneten Phasenarray nun oberhalb, das heißt in Empfangsrichtung über der Empfangseinrichtung 5a ein Phasenkompensationselement 7 in Form einer Korrekturplatte angeordnet. In 4 ist gezeigt, dass die Empfangseinrichtung 5a in Form von mehreren parallel angeordneten Streifenwellenleitern 5a'' ausgebildet ist. Diese können gleiche oder unterschiedliche Breite 103 aufweisen. Auf der Oberseite des Umgebungsmaterials 53 der Empfangseinrichtung 5a ist die Korrekturplatte 7 angeordnet, die, korrespondierend zu der lateralen Lage des jeweils rechteckförmig ausgebildeten Wellenleitermaterials 51, unterschiedliche Dicken 104 in vertikaler Richtung aufweist entsprechend Phasenfehlern der durch das rechteckförmig ausgebildete Wellenleitermaterial 51 gebildeten Wellenleitern beziehungsweise Antennen. Die unterschiedlichen Dicken 104 ermöglichen unterschiedliche Laufwegunterschiede für empfangenes und/oder gesendetes Licht, was eine individuelle Korrektur von Phasenfehlern für jede Antenne ermöglicht. Diese Ausführungsform ist sowohl für das Senden als auch den Empfang von Licht vorteilhaft.
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5 zeigt ein optisches Phasenarray gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 5 ist ein optisches Phasenarray 1 gezeigt. Das optische Phasenarray 1 umfasst dabei insgesamt sechs Unterphasenarrays 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, die jeweils gemäß 1 ausgebildet sind. Die in 5 gezeigten sechs Unterphasenarrays 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f sind dabei in zwei Reihen und drei Spalten angeordnet. Jedes Unterphasenarray 1a, 1b, 1c, 1d, 1b, 1f weist dabei eine quadratische Grundfläche 10 auf. Weiterhin sind die Lichteingänge in jeder Reihe, also die Lichteingänge 2a, 2b, 2c einerseits und die Lichteingänge 2d, 2e, 2f andererseits über jeweils eine gemeinsame Verbindung 9a, 9b mit dem gemeinsamen Lichteingang 8 verbunden. Die Unterphasenarrays 1a, 1b, 1c, 1b, 1f werden durch eine passende Einstellung der jeweiligen Phasenschiebereinrichtungen 4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f so zusammengeschaltet, dass die von den Unterphasenarrays 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f empfangenen Lichtwellen kohärent am gemeinsamen Lichteingang 8 interferieren. Diese Ausführungsform ist für den Empfang von Licht vorteilhaft.
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6 zeigt Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In Detail sind in 6 Schritte eines Verfahrens zum Herstellen eines optischen Phasenarrays gezeigt. Das Verfahren umfasst dabei die folgenden Schritte.
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In einem ersten Schritt S1 erfolgt ein Bereitstellen einer Trägerfläche.
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In einem zweiten Schritt S2 erfolgt ein Bereitstellen eines oder mehrerer Unterphasenarrays, wobei jedes Unterphasenarray mit einem Lichteingang, einer Lichtverteilungseinrichtung, einer Phasenschiebereinrichtung, und einer Empfangseinrichtung in Form einer Mehrzahl von Antennen versehen wird,
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In einem dritten Schritt S3 erfolgt ein Bereitstellen des einen oder der mehreren Unterphasenarrays auf der Trägerfläche, derart, dass der oder die Lichteingänge der Unterphasenarrays mit einem zentralen Lichteingang verbunden werden und derart, dass das eine 1a oder die mehreren Unterphasenarrays gemeinsam auf der vorgegebenen Trägerfläche zumindest eine vorgegebene Empfangsfläche und eine Empfangseffizienz bereitstellen, und wobei
- a) wenn eine Mehrzahl von Unterphasenarrays, auf der Trägerfläche angeordnet wird, die Phasenschiebereinheiten der Unterphasenarrays derart zusammenzuwirken, dass Licht von den jeweiligen Unterphasenarrays am zentralen Lichteingang kohärent interferiert oder wenn
- b) lediglich ein Unterphasenarray auf der Trägerfläche angeordnet wird, dieses mit einem Phasenkorrekturelement versehen wird, welches Phasenfehler des Unterphasenarrays kompensiert.
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Zusammenfassend weist zumindest eine der Ausführungsformen der Erfindung zumindest einen der folgenden Vorteile auf:
- • Hohe Phasengenauigkeit.
- • Hohe Empfangseffizienz und/oder Sendeeffizienz.
- • Einfache Herstellung.
- • Einfache Implementierung.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
