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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine photonische integrierte Schaltung und ein Verfahren zu deren Herstellung bzw. Nutzung.
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HINTERGRUND
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Wellenleiterstrukturen und insbesondere funktionalisierte Wellenleiter sind hochrelevante Strukturen, die über viele Frequenzbereiche, von Mikrowellenstrahlung über Terahertz (100 GHz -10 THz) hinweg bis zur Optik im sichtbaren Bereich genutzt werden. Im Mikrowellenbereich und z.T. auch im Terahertz-Bereich werden metallische Hohlleiter eingesetzt. Die Wellenleiter bestehen aus einem Metallblock, in dem der Wellenleiter, häufig mit rechteckigem Querschnitt, ausgefräst und i.d.R. mit Luft gefüllt ist.
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Der Hohlleiter sollte eine Breite von wenigstens λ/2 aufweisen (λ ist die Wellenlänge der betreffenden Welle), um eine Mode führen zu können. Hierdurch wird bei gegebener Geometrie die untere Grenzfrequenz festgelegt. Unterhalb dieser Frequenz ist keine Mode ausbreitungsfähig bzw. die Welle wird exponentiell gedämpft. Die obere Grenzfrequenz ergibt sich durch das Anschwingen unerwünschter höherer ausbreitungsfähiger Moden. Zwar sind diese Moden ausbreitungsfähig, allerdings sind im Wellenleiter integrierte Komponenten, wie Frequenzvervielfacher oder Strahlteiler, für die Grundmode angepasst und bei höheren Moden ineffizient.
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Typische Funktionalisierungen sind Schalter, Strahlteiler, Mikrostrip-Überleitungen mit integrierten Frequenzvervielfachern oder IF Mischern (IF = intermediate frequency (engl.), Zwischenfrequenz), Horn-Antennen zur Abstrahlung und vieles mehr.
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Nachteile von Hohlleitern sind die steigenden Verluste bei THz-Frequenzen und die Fertigungskosten, da die Hohlleiter häufig mechanisch, z.B. durch Fräsen, hergestellt werden. Dieser Prozess ist nicht skalierbar und erfordert mit höherer Frequenz (kleinere Abmaße) zunehmend bessere Herstellungsgenauigkeiten, die bei einem Bruchteil der Betriebswellenlänge λ liegen sollte. Während bei 10 GHz die Wellenlänge 3 cm beträgt und somit Raum für Herstellungstoleranzen gegeben ist, liegt die Wellenlänge bei 1 THz nur noch bei 300 µm, sodass die Herstellung eine hohe Genauigkeit erfordert.
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Weitere Nachteile von Hohlleitern sind die Verluste, die mit der Betriebsfrequenz stark ansteigen. Neben reinen Leitungsverlusten spielen zunehmend auch Oberflächenrauhigkeiten und der Skin-Effekt tragende Rollen. Die Verluste können Größenordnungen höher sein als die rein metallischen Leitungsverluste bei einer idealen Struktur bei niedrigeren Frequenzen.
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Planare Wellenleiter, wie Mikrostreifenleitungen und Koplanarwellenleiter sind bei höheren THz Frequenzen ebenfalls stark verlustbehaftet.
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Daher besteht ein Bedarf nach weiteren funktionalisierten Wellenleiterstrukturen, die für den THz-Bereich (100 GHz -10 THz) nutzbar sind und zumindest einen Teil der oben genannten Probleme überwinden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Zumindest ein Teil der obengenannten Probleme wird durch eine photonisch integrierte Schaltung nach Anspruch 1 und ein Verfahren zu deren Herstellung oder Verwendung nach Anspruch 6 oder Anspruch 8 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine photonische integrierte Schaltung mit einem dielektrischen Substrat, einer dielektrischen Wellenleiteranordnung auf dem Substrat zum Leiten von Terahertz- (THz-) Wellen und einer lokalen Funktionalisierung, die eine Metallisierung in einem Oberflächenbereich der dielektrischen Wellenleiteranordnung aufweist. Die Metallisierung ist entlang einer Ausbreitungsrichtung der THz-Wellen lokalisiert, um eine metallisierungsfreie Ausbreitung der THz-Welle außerhalb der lokalen Funktionalisierung zu ermöglichen. Der Begriff „metallisierungsfrei“ bedeutet, dass weitere Strukturen, die eine Nullstelle der elektrischen Feldstärke erzwingen (wie z.B. Metall oder andere Materialien mit einer ausreichenden Anzahl freier Ladungsträger), so weit entfernt sind, dass sie die THz-Welle nicht beeinflussen.
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Der Begriff „photonisch“ soll bedeuten, dass die Signalausbreitung auf Photonen basiert, wobei insbesondere Frequenzen im THz Bereich (100 GHz -10 THz) genutzt werden. Er dient ferner als Abgrenzung zu elektrischer Leitung. Damit die dielektrischen Wellenleiteranordnung effizient diese THz-Wellen leiten kann, weist die dielektrische Wellenleiteranordnung insbesondere eine Ausdehnung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der THz-Welle auf, die beispielsweise in einem Bereich von 10 µm bis 300 µm oder in einem Bereich von 30 µm bis 100 µm liegt (oder bei ca. 50 µm liegt). Außerdem kann für die Wellenleiteranordnung ein Material gewählt werden, dessen Brechungsindex zumindest 1.5x so hoch ist, wie ein Brechungsindex des (angrenzenden) dielektrischen Substrats. Für das dielektrische Substrat kann beispielsweise PE (Polyethylen) mit einer Brechzahl n(PE)=1.4-1.6 oder auch Quarz (n=2.15) und als Material für die Wellenleiteranordnung kann z.B. Silizium mit einer Brechzahl von n(Si)=3.416 genommen werden.
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Gemäß Ausführungsbeispielen ist entlang des normalen Wellenleiters keine durchgängige Metallschicht auf oder in der Nähe des Wellenleiters angeordnet, da diese ansonsten die Ausbreitung der Welle negativ beeinflussen würde. Nur dort, wo eine bestimmte Funktionalisierung gewünscht ist, wird gemäß Ausführungsbeispielen eine Metallisierung ausgebildet. Insbesondere kann die Metallisierung nur auf einer Seite der Wellenleiterstruktur ausgebildet sein, um eine Verschiebung der THz-Welle zu bewirken. Weitere Funktionalisierungen betreffen insbesondere gekrümmte Oberflächenbereiche der Wellenleiter, da dort häufig Moden unterdrückt oder eine Modenumwandlung der THz-Wellen erfolgen soll. Solche Krümmungen können mit einer Änderung (z.B. Verringerung) der Querschnittsfläche senkrecht zur Ausbreitungsrichtung einhergehen.
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Gemäß Ausführungsbeispielen kann die lokale Funktionalisierung sich auf eine oder mehr der folgenden Bauelemente beziehen: Wellenleiter mit modifizierter Modenstruktur, Schalter, Strahlteiler, Polarisatoren, Überleitungen zu Hohlleitern, Mikrostreifenleitungen oder Koplanarwellenleitern mit integrierten Frequenzvervielfachern oder IF Mischern (IF = intermediate frequency (engl.), Zwischenfrequenz), Horn-Antennen zur Abstrahlung und vieles mehr. Bei der Implementation dieser Bauelemente bewirkt die lokale Funktionalisierung zum Beispiel: ein Unterdrücken von höheren Moden der THz-Wellen, ein Einkoppeln oder Auskoppeln oder Entkoppeln von Moden der THz-Wellen, ein Überführen einer Mode der THz-Welle in eine andere Mode etc.
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So kann die Wellenleiteranordnung optional eine Gabelung (z.B. eines Strahlteilers) mit einem Verzweigungspunkt aufweisen und der Oberflächenbereich der lokalen Funktionalisierung kann durch gegenüberliegende Oberflächen, die an dem Verzweigungspunkt angrenzen, gebildet sein.
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Die photonische integrierte Schaltung kann außerdem eine Diode zur Erzeugung einer THz-Schwingung aufweisen und die Wellenleiteranordnung kann beispielhaft eine Vivaldi-Antenne aufweisen, die an die Diode koppelt und, ausgehend von der Diode, einen sich verbreiternden Öffnungsabschnitt zur Abstrahlung einer eingekoppelten THz-Welle aufweisen. In dieser Ausführungsform kann die Metallisierung beidseitig des sich verbreiterten Öffnungsabschnittes ausgebildet sein, um eine Einkoppelung der THz-Schwingung von der Diode in die Vivaldi-Antenne und schließlich in den dielektrischen Wellenleiter zu unterstützen.
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Die photonische integrierte Schaltung kann außerdem zumindest einen THz-Resonator aufweisen, der ein dielektrisches Material aufweist und entlang des Substrates seitlich von der Wellenleiteranordnung versetzt angeordnet ist. Insbesondere kann ein Spalt dazwischen ausgebildet sein. Optional ist außerdem eine Unterlage oder eine Abschirmschicht (z.B. aus einem Metall) auf einer dem THz-Resonator gegenüberliegenden Seite des Substrates angeordnet. Das Material des Resonators weist ebenfalls eine höhere Brechzahl als das Substrat auf und ist optional aus einem gleichen Material gebildet wie die Wellenleiteranordnung. Die Metallisierung kann in dieser Ausführungsform lokal im Bereich einer geringsten Entfernung zwischen der Wellenleiteranordnung dem THz-Resonator ausgebildet sein, und zwar auf einer Oberfläche der Wellenleiteranordnung, die dem Substrat oder dem THz-Resonator gegenüberliegt. Damit wird das Einkoppeln der THz-Welle in Resonator erleichtert.
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Optional ist ein weiteres dielektrisches Substrat in der Schaltung ausgebildet, wobei die dielektrische Wellenleiteranordnung zwischen dem dielektrischen Substrat und dem weiteren dielektrisches Substrat angeordnet ist. Ein Brechungsindex des weiteren dielektrischen Substrats kann zumindest einen Faktor 1.5 geringer sein, als ein Brechungsindex der dielektrischen Wellenleiteranordnung.
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Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung einer photonischen integrierten Schaltung. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- - Bereitstellen eines dielektrischen Substrats;
- - Ausbilden einer dielektrischen Wellenleiteranordnung auf dem Substrat zum Leiten von THz-Wellen; und
- - Funktionalisieren eines lokal begrenzten Oberflächenbereiches der dielektrischen Wellenleiteranordnung durch ein Ausbilden einer Metallisierung auf dem lokalen Oberflächenbereich.
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Die Herstellung kann insbesondere unter Nutzung einer Lithographie zum Strukturieren und/oder eines Ätzprozess bzw. eines Laserschneideprozesses und/oder eines Aufklebens von dielektrischen Schichten bzw. Aufdampfen von Metallen oder aufbringen leitfähiger Schichten mittels additiver Fertigung erfolgen. Hiermit lassen sich die geringen Abmaße (30...70 µm) der Wellenleiter erreichen.
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Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf ein Verfahren zum Leiten von THz-Wellen unter Verwendung einer photonischen integrierten Schaltung wie sie zuvor beschrieben wurden, wobei durch das lokale Funktionalisieren mittels der Metallisierung zumindest eines aus dem Folgenden bewirkt wird:
- - Unterdrücken von höheren Moden der THz-Wellen;
- - Einkoppeln oder Auskoppeln oder Entkoppeln von Moden der THz-Wellen;
- - Überführen einer Mode der THz-Welle in eine andere Mode.
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Ausführungsbeispiele lösen die eingangs erwähnten Probleme konventioneller Hohlleiter durch die Verwendung dielektrische Wellenleiter, die nur lokale Metallisierungen aufweisen. Wie auch bei konventionellen Wellenleitern aus Glasfasern, hat das Wellenleitermaterial eine (möglichst) hohe Brechzahl, nK, und geringe dielektrische Verluste, während das umgebene Material (z.B. das als Ummantelung wirkende Substrat) eine (möglichst) niedrigerer Brechzahl, nM, aufweist, sodass die Welle mittels Totalreflexion geführt wird. Der Unterschied der Brechzahlen ist idealerweise möglichst groß, die hohe Brechzahl ist zumindest aber um mehr 50% oder mehr als 100% oder mehr als 150% größer als die geringe Brechzahl.
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Sowohl monomodige (es wird vor allem eine Mode geleitet) als auch multimodige (mehr als eine Mode soll geleitet werden) Wellenleiter können gemäß Ausführungsbeispielen eingesetzt werden. Die funktionalisierten Bereiche können in einer Planargeometrie hergestellt und anschließend an den Wellenleiter gekoppelt werden. Bei der Herstellung kann die Strukturierung des Wellenleiters und/oder der Metallisierung gemäß Ausführungsbeispielen lithographisch erfolgen, um die gewünschte Funktion herzustellen.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen wird anstatt des Materials höherer Brechzahl (Wellenleitermaterial) die Brechzahl des Substratmaterials mittels Oberflächenmodifikation lokal erhöht. Dies kann ebenfalls mit lithographischen Methoden erfolgen.
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Ausführungsbeispiele können vielfältig einsgesetzt werden. So können mit der lokalen Funktionalisierung in einer gegebenen Schaltung Folgendes integriert werden: passive Elemente wie Strahlteiler, Verzögerungsstrecken, Interferometer, Filter oder Resonatoren, sowie aktive Komponenten wie Phasenschieber Laser oder Verstärker und anderes mehr.
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Figurenliste
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Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränken, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.
- 1 zeigt eine Ausführungsform der photonischen integrierten Schaltung.
- 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der photonischen integrierte Schaltung mit einer Ankopplung einer beispielhaften Diode.
- 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der photonischen integrierte Schaltung mit der Ankopplung eines beispielhaften THz-Resonators.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Gemäß Ausführungsbeispielen werden verschiedene Wellenleiterstrukturen, z.B. mittels Lithographie, strukturiert und mittels einer Metallisierung lokal funktionalisiert. Beispielsweise kann auf einer Grundstruktur (Substrat) aus einem verlustarmen Substratdielektrikum (z.B. Polyethylen oder Quarz) ein strukturierter Wellenleiter (Wellenleiteranordnung) aus einem verlustarmen Dielektrikum höherer Brechzahl ausgebildet werden. Für den Wellenleiter kann z.B. HRFZ Si, Siliziumcarbid, Galliumarsenid, Aluminiumoxid etc. als Material genutzt werden. Das Substrat braucht auch nur streckenweise eingesetzt werden und kann mit anderen Strukturen kombiniert werden. Es ist ebenso möglich, dass gedeckelte Basisstrukturen erzeugt werden, bei der die Wellenleiteranordnung zwischen zwei Substraten (z.B. aus gleichem Material) angeordnet ist, wobei die Funktionalisierung lokal zwischen einer der Substrate und dem Wellenleiter ausgebildet werden kann.
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1 zeigt eine photonische integrierte Schaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Schaltung umfasst: ein dielektrisches Substrat 110, eine dielektrische Wellenleiteranordnung 120 auf dem Substrat 110 zum Leiten von Terahertz- (THz-) Wellen und eine lokale Funktionalisierung 130, die eine Metallisierung in einem Oberflächenbereich der dielektrischen Wellenleiteranordnung 120 aufweist. Die Metallisierung 130 ist entlang einer Ausbreitungsrichtung der THz-Wellen lokalisiert, um eine metallisierungsfreie Ausbreitung der THz-Welle außerhalb der lokalen Funktionalisierung zu ermöglichen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 umfasst die Wellenleiteranordnung 120 eine Gabelung mit einem Verzweigungspunkt 123 und der Oberflächenbereich der lokalen Funktionalisierung 130 ist durch gegenüberliegende Oberflächen, die an dem Verzweigungspunkt 123 angrenzen, gebildet ist. Diese Struktur kann beispielsweise als Strahlteiler genutzt werden, wobei die metallischer Struktur 130 die Strahlteilereigenschaft verbessert und den Strahlteiler breitbandiger macht bei möglichst konstantem Teilungsfaktor.
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Außerdem kann die dielektrische Wellenleiteranordnung 120 hier und bei anderen Ausführungsbeispielen eine Ausdehnung d senkrecht zur Ausbreitungsrichtung einer THz-Welle aufweisen, die in einem Bereich von 10 µm bis 300 µm oder in einem Bereich von 30 µm bis 100 µm liegt. Das Material des Wellenleiters 120 hat beispielsweise einen Brechungsindex (Brechzahl), der zumindest 1.5 so hoch ist wie ein Brechungsindex des dielektrischen Substrats 110, um so die THz-Welle effizient im Wellenleiter 120 zu halten.
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Gemäß Ausführungsbeispielen soll der Wellenleiter 120 und dessen Umgebung weitgehend rein dielektrisch sein. Die Schaltung könnte natürlich weiter entfernte metallische Strukturen aufweisen. Die gewünschte metallisierungsfreie Ausbreitung soll aber bedeuten, dass die THz-Welle nicht durch freie Ladungsträger, wie sie in Metallen aber auch in anderen Leitern vorkommen, beeinflusst wird. Da freie, leicht bewegliche Ladungsträger, wie sie in Metallen in großer Anzahl vorhanden sind, eine Nullstelle der elektrischen Feldstärke erzwingen (sie sind feldfrei im Innern) werden höhere Moden durch die Metallisierung unterdrückt oder zumindest verschoben (weg von der Metallisierung). Außerdem werden durch die Metallisierung gerade Moden auf null gesetzt, während ungerade Moden mit zunehmender Höhe unterdrückt werden, da deren Maxima zunehmend in die Nähe der Metallisierung gelangen. Alle diese Effekte führen zu Verlusten, die Ausführungsbeispiele vermeiden bzw. die gezielt zur Funktionalisierung genutzt werden.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform der photonischen integrierte Schaltung, die eine beispielhafte Diode 140 zur Erzeugung einer THz-Schwingung aufweist. Die Wellenleiteranordnung 120 ist in diesem Ausführungsbeispiel als eine Vivaldi-Antenne gebildet, die an die Diode 140 koppelt und, ausgehend von der Diode 140, einen sich verbreiternden Öffnungsabschnitt 125 zur Abstrahlung einer eingekoppelten THz-Welle aufweist. Die Metallisierung 130 ist hier beidseitig des sich verbreiterten Öffnungsabschnittes 125 ausgebildet, um eine Einkopplung der THz-Schwingung von der Diode 140 in die Vivaldi-Antenne zu unterstützen.
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Diese Ausführungsform zeigt nur beispielhaft eine THz Emitter-Diode als ein mögliches aktives Bauelement, welches mit einer Vivaldi-Antenne Leistung in einen darunterliegenden dielektrischen Wellenleiter einkoppelt. Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele können auch noch andere aktive Bauelemente mittels lokaler Funktionalisierung 130 effizient an die Wellenleiteranordnung 110 angekoppelt werden.
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So zeigt die 3 eine weitere Ausführungsform der photonischen integrierte Schaltung, die zumindest einen THz-Resonator 150 aufweist. Der Resonator 150 weist auch ein dielektrisches Material mit höherer Brechzahl als das Substrat 110 auf und ist entlang des Substrates 110 seitlich von der Wellenleiteranordnung 120 versetzt angeordnet. Zwischen dem Resonator 150 und der Wellenleiteranordnung 120 kann beispielsweise ein Spalt 135 ausgebildet sein, sodass kein direkter Kontakt zwischen beiden Komponenten besteht. Außerdem, kann der Resonator 150 beispielweise aus einem gleichen Material wie der Wellenleiter 120 gebildet sein.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist außerdem eine optionale Unterlage 160 auf einer Rückseite des Substrats 110 (auf einer Seite des Substrates 110, die dem THz-Resonator 150 gegenüber liegt) ausgebildet. Eine solche Unterlage 160 bietet einerseits eine mechanische Stütze oder Halt, kann aber auch einer Abschirmung vor äußeren Einflüssen, die die photonischen Signale stören könnten, bieten. Eine solche Unterlage/Abschirmschicht kann ebenfalls in den Ausführungsbeispielen aus der 1 oder 2 ausgebildet sein. Diese Abschirmschicht/Unterlage kann beispielsweise ein Metall aufweisen, wobei der Abstand zum Wellenleiter so groß gewählt seine sollte (zumindest mehre THz-Wellenlängen Abstand), dass der Einfluss auf die THz-Welle wegen der exponentiellen Dämpfung vernachlässigbar ist.
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Die Metallisierung 130 ist wiederum nur lokal in einem Bereich 135 ausgebildet, und zwar dort, wo der Abstand zwischen der Wellenleiteranordnung 120 und dem THz-Resonator 150 am geringsten ist. Die Metallisierung 130 kann wieder auf einer Oberfläche der Wellenleiteranordnung 120 ausgebildet werden, die dem Substrat 110 und/oder dem THz-Resonator 150 gegenüberliegt. Mit dieser Metallisierung 130 werden wiederum gezielt bestimmte Moden der THz-Wellen unterdrückt bzw. die Welle wird so geformt, dass sie hin zum Resonator 150 wandert, was die Einkopplung erleichtert.
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Der rein dielektrische Resonator 150, der mittels der Metallisierung 130 lokal funktionalisiert wurde, koppelt somit effizient an den dielektrischen Wellenleiter 120, die Metallisierungsschicht 130 auf dem Wellenleiter 120 drückt die Mode in Richtung zu dem Resonator 150, um die Einkopplung zu verbessern.
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Ausführungsbeispiele haben eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber konventionellen Schaltungen. Diese liegen insbesondere in der Kombination von dielektrischen Wellenleiterstrukturen 120, die ähnlich sind zu optischen photonischen integrierten Schaltungen, und den metallischen Strukturen 130, welche mittels Kontaktlithographie oder ähnlichen Lithographiemethoden hergestellt werden können. Somit ist schon mal eine beträchtliche Skalierbarkeit gegeben.
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Außerdem erfolgt vorteilhafterweise die Wellenleitung vornehmlich im verlustarmen Dielektrikum (dem Wellenleiter 120), während die metallischen Zusätze (Metallisierungen 130 als Funktionalisierungen) die Verluste, z.B. bei gekrümmten Strukturen (wie in 1), reduzieren, unerwünschte Moden unterdrücken oder schlichtweg Schnittstellen zu anderen Komponenten ermöglichen (wie in 2 oder 3). Hierzu zählen z.B. GSG-Probes (ground-signal-ground) oder andere metallische Leiterstrukturen.
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Auch zur verbesserten Abstrahlung kann eine Mischung aus metallischen und dielektrischen Strukturen Vorteile bringen. Die Erfindung erfordert nicht, dass metallische Strukturen 130 überall auf dem Wellenleiter 120 präsent sind. Sie dienen vor allem zur Verbesserung von gewünschten Eigenschaften wie beispielsweise der in der Wellenleiterstruktur 120 integrierten Komponenten.
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Im Vergleich zu konventionellen Wellenleiteranordnungen können die Vorteile von Ausführungsbeispiele wie folgt zusammengefasst werden:
- - Die dielektrische Strukturen 110, 120 sind bei geeigneter Materialwahl bei hohen Frequenzen, vor allem oberhalb von 1 THz deutlich verlustarmer als metallische Strukturen und erlauben somit die Erschließung des höheren THz Bereichs mittels photonischer Schaltungen.
- - Die Wellenleitung findet vornehmlich im verlustarmen Dielektrikum 120 statt, metallische Strukturen werden i.d.R. nur lokal aufgebracht oder an Bereichen des Wellenleiters 120, wo die Grundmode wenig Feld aufweist. Letzteres kann z.B. von Vorteil sein um höhere Moden zu unterdrücken.
- - Die Herstellung der Wellenleiterstrukturen 120 sowie der metallischen Strukturen 130 kann mittels Lithographie, ggf. auch mittels Laserbearbeitung erfolgen. Vor allem die lithographische Herstellung erlaubt eine Skalierung von Ausführungsbeispielen mit kaum Mehraufwand und ist somit -im großen Maßstab - deutlich kostengünstiger als Hohlleiter.
- - Die planare Struktur und die Herstellung mit lithographischen Methoden erlaubt eine Vielzahl von Komponenten, wie sie z.B. auch in optischen photonischen integrierten Schaltungen verwendet werden.
- - Bedingt durch einen sehr hohen Brechzahlunterschied von Trägersubstrat 110 (z.B. n(PE)=1.4-1.6) und des Wellenleitermaterials 120 (z.B. n(Si)=3.416) können sehr große Bandbreiten erreicht werden. Versuche haben gezeigt, dass eine Bandbreite von wenigstens einem Faktor 2 oder gar einen Faktor 4 zwischen unterer und oberer Grenzfrequenz in Schaltungen gemäß Ausführungsbeispielen möglich sind. Noch größere Singlemode-Bandbreiten können mit geeigneten metallischen Strukturen 130 auf dem dielektrischen Wellenleiter erzielt werden, welche die Einkopplung in höhere Moden unterbinden.
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Die Herstellung der Strukturen kann mit einer Vielzahl von Methoden erfolgen, z.B. UV Kontaktlithographie, UV Projektionslithographie, UV-Laserlithographie, Laserablation, Elektronenstrahllithographie, ggf. sogar additive Manufacturing, insofern verlustarme Dielektrika druckbar werden, u.v.m.
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Im Folgenden sei nur exemplarisch die Herstellung mittels UV-Kontaktlithographie beispielhaft dargestellt:
- - Das Material mit höherer Brechzahl (Wellenleiter 120) wird auf das Material niedrigerer Brechzahl (Substrat 110) aufgeklebt. Gegebenenfalls wird unter dem Material eine starre Unterlage 160, z.B. Metall geklebt, um die mechanische Stabilität zu gewährleisten. Die Dicke der dielektrischen Materialien kann so gewählt werden, dass die exponentiell ausklingende Welle im Material niedrigerer Brechzahl hinreichend gut abgeklungen ist. Alternativ kann aus Herstellungsgründen das Material mit niedriger Brechzahl dünner gewählt werden und nach Abschluss der Lithographie auf ein dickeres Substrat gleichen oder optisch ähnlichen Materials aufgeklebt werden.
- - Auf dem Schichtstapel kann ein UV-sensitiver Lack mittels Lackschleuder aufgebracht werden. In Frage kommen gängige UV-Lacke, wie SU8, AZ 6632 oder dicker u.v.m.
- - Die metallische Struktur 130 kann belichtet bzw. aufgedampft werden.
- - Der Lack und das überschüssige Metall kann mittels Lift-off entfernt werden.
- - Die Probe kann dann neu lackiert werden.
- - Die zu ätzenden Strukturen können lithographisch definiert werden.
- - Das Hoch-Index-Material (Wellenleiter 120) kann beispielsweise geätzt werden, z.B. mit einem RIE/ICP Prozess (RIE = Reaktives Ionenätzen; ICP = inductive couples plasma; Si z.B. mit einem Bosch-Prozess).
- - Lackreste können schließlich entfernt werden, z.B. mittels Lösungsmittel oder Sauerstoffplasma.
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Optional kann außerdem ein weiteres Material ähnlich dem Material mit niedrigerer Brechzahl (Substrat 110) auf die strukturierte Probe aufgebracht werden. Die Wellenleiteranordnung 120 kann somit zwischen zwei dielektrischen Substraten mit niedriger Brechzahl (z.B. weniger als die Hälfte der Brechzahl des Wellenleitermaterials 120).
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Ebenso können optional weitere Metallische Strukturen auf dem Substrat 120 (Material niedrigerer Brechzahl) aufgebracht werden.
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Die obere Schicht und die untere Schicht können aus Materialien gleicher, oder sehr ähnlicher Brechzahl bestehen, während das mittlere Material eine deutlich höhere Brechzahl aufweisen soll. Dies erlaubt eine deutliche Steigerung der Bandbreite, da Substratmoden unterbunden werden.
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Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 110
- dielektrisches Substrat
- 120
- dielektrischen Wellenleiteranordnung
- 123
- Verzweigungspunkt eines Strahlteilers
- 125
- Öffnungsabschnitt einer Vivaldi Antenne
- 130
- lokale Funktionalisierung (Metallisierung)
- 135
- Spalt
- 140
- aktives Bauelement (z.B. Diode)
- 150
- Resonator
- 160
- Unterlage; Abschirmschicht
- d
- Breite, Höhe des Wellenleiters
