DE1497597B1 - Oberflaechenwellenleiter zur UEbertragung von Infrarotstrahlen - Google Patents

Description

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Die Erfindung geht aus von einem Oberflächen- Gemäß der Fig. 1 ist ein dünner Filml aus diwellenleiter zur Übertragung von Infrarotstrahlen, in elektrischem, für Infrarotstrählen.tränsiJäfentern Matedem die Energie in einer ebenen Fläche entlang eines rial mit den Kanten in einem Hohlkörper 2 angefür die Strahlung transparenten dielektrischen Filmes ordnet, dessen Hohlraum einen rechteckigen Quertransportiert wird. 5 schnitt aufweist, so daß ein freier Zwischenraum L

Eines der wesentlichen Hindernisse zur Auswertung unter- und oberhalb des Filmes 1 besteht,

des elektromagnetischen Spektrums im Infrarotbereich Die Dicke des Filmes ist sehr viel kleiner als eine

zur Nachrichtenübertragung besteht darin, daß keine halbe Wellenlänge der Energie, und die Breite ist etwa

geeigneten Mittel zur Verfügung stehen, diese Energie tausendmal größer als die Wellenlänge der transpor-

zu transportieren. io tierten Energie.

Die Frequenzen, die zu diesem Band gehören, liegen Unter der Annahme, daß die Dicke des Fihnes sehr

im Bereich von ΙΟ¹² Hz und höher. Es wäre deshalb viel kleiner als die Wellenlänge ist, können nur die

anzunehmen, daß es möglich wäre, die Lichtenergie niedrigsten Wellentypen von E_0x transportiert werden,

durch geeignete Antennen· sehr scharf zu bündeln. Dieser Wellentyp ist eine ebene Oberflächenwelle, die

Auch scheint es so, als.seien optische Frequenzen an 15 in bezug auf die Mittelebene des Fihnes (Fig. 2)

Stelle von Mikrowellen für einige Ubertragungs- symmetrisch verläuft. Der größte Anteil der Energie

Systeme besser geeignet, weil sich dann der Wirkungs- wird außerhalb des Filmes in einem gewissen Abstand

grad durch kleinere, scharf bündelnde Antennen, wie von ihm transportiert, und nur ein kleiner Anteil der

Linsen oder Spiegel, steigern läßt. Wellenenergie pflanzt sich innerhalb des Filmes selber

Unglücklicherweise findet jedoch eine solche Über- 2° fort. Aus diesem Grunde ist die Dämpfung einer tragung in der für Lichtwellen sehr unstetigen Tropo- derartigen Welle wesentlich kleiner als der Aussphäre statt. Die Sicherheit der Verbindung ist deshalb löschungskoeffizient des Filmmaterials. Ferner ist die so gering, daß ihr keine wirtschaftliche Bedeutung zu- Fortpflanzungsgeschwindigkeit fast gleich der Lichtkommt. Es ist daher auch möglich, die Energie durch geschwindigkeit im freien Raum, und die Laufzeiteine mit Gas gefüllte Röhre zu leiten. Zur Verbesserung 25 verzögerung, die sonst eine beträchtliche Signalder Eigenschaften dieser Leitung können in einem verzerrung verursacht, ist vernachlässigbar klein.
Abstand von etwa 30 m Linsen eingefügt werden, so Je dicker der Film ist, um so geringer ist die seitliche daß ein konfokales Linsensystem entsteht. Der Nach- "; Ausbreitung des Feldes, aber je dünner der Film ist, teil dieser Anordnung besteht jedoch darin, daß ,die desto geringer ist die Dämpfung eines derartigen Energieleitung nur geradlinig erfolgen kann. ' 3° Wellenleiters.

Es ist auch bekannt, Licht durch Fibrefäden großer Der Film kann ohne nennenswerten Energieverlust

Länge und einem Durchmesser von 10 bis 50 μ zu gedreht werden, und die Kombination von Befestigung

leiten. Da aber der Dämpfungskoeffizient bei einigen in einer Ebene und Verdrehung ermöglicht eine der-

db/m liegt, sind Fibrelettungen für die Nächrichten- artige Wellenleitung, bei der die Unterstützungspunkte

Übertragung über größere Entfernungen ungeeignet. 35 in jeder Ebene liegen können.

Schließlich sind durch Veröffentlichungen in den Die Welle wird ebenso wie andere, durch Leiter Zeitschriften »IRE Transactions on microwave Theory gehende Wellen exponentiell gedämpft, aber im and Techniques«, Juli 1959, S. 366 bis 369, und »Nach- Gegensatz zu Wellen, die durch Hohlleiter transrichtentechnik«, 1963, H. 2, S. 46 bis 49, Oberflächen- portiert werden, ist sie wegen der endlichen Dimension wellenleiter mit dünnen dielektrischen Folien für sehr 40 des Strahles in der Ebene des Fihnes auch Beugungshohe Frequenzen als bekannt nachgewiesen. Diese Verlusten unterworfen. Die gesamte Dämpfung setzt ^Wellenleiter haben jedoch eine geringe Flexibilität und . sich demnach aus zwei Arten zusammen:
weisen erhöhte Strahlungsverluste an den Leitungs- _{χ Die exponentielle} Dämpfung, die durch die

^kr™^mu ₇ ⁿ|^e^^auf· . ., „ . . . . Absorption der Energie in dem Film entsteht.

Der Erfindung liegt ^rsomit· die Aufgabe zugrunde; 45 .: ^/ „ ■ , 1 ■ ^ ■ ,. ■, 1 _

einen Oberflächenwellenleiter zur Übertragung von * ²· ^Die Verminderung^der Energie, die umgekehrt

Infrarotstrahlen zu schaffen, der flexibel ist und einen proportional zum Abstand ist.

geringen Dämpfungskoeffizient aufweist. Das Verhalten von unendlich ebenen Oberflächen-

Bei einem Oberflächenwellenleiter der einleitend , Wellenlängen in geschichteten. Medien ist bereits angeführten Ausbildung ist erfindungsgemäß die 5° öfters untersucht worden, und die analytischen Aus-Dicke des dielektrischen Filmes sehr viel kleiner als drücke nehmen eine einfache Form an, wenn die Dicke die halbe Wellenlänge und die Breite etwa tausendmal der dielektrischen Schicht, also des Fihnes 1, im Vergrößer als eine Wellenlänge des zu übertragenden hältnis zur Wellenlänge klein ist. Die entsprechenden Lichtes bemessen. Formeln können für unsere Anwendung wie folgt

Die Erfindung soll an Hand der Figuren näher er- 55 geschrieben werden:
läutert werden. - . ■ ~ - -

F i g. 1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungs- ω = 2 π · frequenz,

gemäßen Oberflächenwellenleiters; . μ, ^o sind die Permeabilität bzw. die Dielektrizitäts-

F i g. 2 zeigt das Feldlinienbild des in der F i g. 1 konstante des freien Raumes,

dargestellten Oberflächenwellenleiters; in 60 _δχ j_st die Dielektrizitätskonstante der dielek-

F i g. 3 und 4 sind die Oberflächenwellenleiter- irischen Schicht und

Charakteristiken dargestellt; _nz ^ Brechungsindex.

Fig. 5 veranschaulicht eine abgeänderte Ausführungsform des in der Fig. 1 gezeigten Oberflächen- Infolge der Absorption der Energie im dielektrischen Wellenleiters; 65 Material kann im allgemeinen die komplexe Di-

Fig. 6a und 6b zeigen eine Seitenansicht bzw. elektrizitätskonstante
Frontansicht einer weiteren Ausführungsform des

erfindungsgemäßen Oberflächenwellenleiters. S₁' = S₁ (1 —j tg <5) — η² —j κ² tg δ, (1)

wobei tg<5 den effektiven Verlust des Dielektrikums darstellt, der zu dem Auslöschungskoeffizienten α, in folgender Beziehung steht

(2)

wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist.

Die Feldkomponenten der Oberflächenwelle weisen folgende Form auf

ζ ist dabei der Abstand längs des Filmes in Ausbreitungsrichtung und χ der Abstand senkrecht zum Film.

ρ ist der Phasenausbreitungskoeffizient der Welle, α der transversale Abklingfaktor und κ der Dämpfungsfaktor.

Die Energiedichte nimmt exponentiell im Verhältnis

2 α ab und wird im Abstand längs des Filmes im Ver- 20 stehen könnte.

und je kleiner sein Auslöschungskoeffizient, desto geringer ist seine Dämpfung.

Das Anwachsen der Verluste infolge von Verdrehungen des Filmes ist für Verdrehungen von einer Umdrehung pro 100 Wellenlängen vernachlässigbar klein.

Der Verlust infolge eines scharfen Bogens bei der Verdrehung des Filmes liegt unter 2 db pro Radiant und ist unabhängig vom Radius der Biegung bis hinab zu wenigen hundertstel Wellenlängen.

F i g. 1 zeigt eine praktische Ausführungsform, jedoch kann eine runde Röhre ebenfalls verwendet werden. Die Röhre dient dabei im wesentlichen als Schutz und als Unterstützung für den Film und erfüllt keine physikalisch wesentliche Funktion. Es kann jedoch zweckmäßig sein, die Innenseite der Röhre schwarz zu färben, um den Lichtverlust durch Strahlung an den Stützpunkten zu absorbieren, da bei einer Reflexion des Lichtes eine gewisse Verzerrung ent-

hältnis 2« gedämpft.
Der Faktor α ist gegeben durch

wobei (2d) die gesamte Dicke des Filmes ist. Der Dämpfungsfaktor «ist gegeben durch

(4)

(5)

Diese Formeln gelten unter der Voraussetzung, daß die Dicke des Filmes zehnmal kleiner ist als die Wellenlänge und geben für gute transparente Medien Dämpfungsfaktoren von wenigen db/km und Querausdehnungen von wenigen Mikron an.

Für dickere Filme gelten genauere Formeln. Dabei muß beachtet werden, daß der Abklingkoeffizient at mit Anwachsen der Dicke des Filmes linear abnehmen kann, aber daß die Dämpfung mit der Dicke des Filmes quadratisch zunimmt. Die Dämpfung ist demnach proportional tg δ und umgekehrt zur dritten Potenz der Wellenlänge.

Ein praktischerer Parameter an Stelle von α ist I₀. I₀ ist der charakteristische Querabstand, der als der Abstand definiert ist, innerhalb dessen Bereich 99,9 °/o der Energie transportiert wird. Der Wellenleiter muß dabei so beschaffen sein, daß ein gewisser Abstand von wenigstens I₀ besteht, so daß L > I₀.

In den F i g. 3 und 4 sind I₀ und <x für verschiedene Filmdicken aufgetragen.

Aus der F i g. 3 geht hervor, daß bei Filmen von 2 μ Dicke, bei einer Wellenlänge von 60 μ, das Feld auf 1000 μ und bei Filmen von 10 μ Dicke das Feld auf 100 μ beschränkt ist. In gleicher Weise beträgt dabei die Dämpfung (F i g. 4) weniger als 1 db/km für einen Film von einer Dicke von 10 μ bei einer Wellenlänge λ = 100 μ, und für einen Film der Dicke von 2 μ ist die Dämpfung ein kleiner Bruchteil von 1 db/km.

Die Möglichkeit, kürzere Wellen gemäß der Erfin- So dung fortzuleiten, ist nur von der Herstellmöglichkeit genügend dünner Filme abhängig. Immerhin erscheint es bereits durchführbar, Filme mit einer Dicke von 1 μ aus Polymethylmethacrylate fertigen zu können.

Im Prinzip ist jedes transparente Material als Dünnfilm-Wellenleiter geeignet, aber je dünner der Film ist Der Nachteil der in der F i g. 1 dargestellten Konstruktion liegt darin, daß der Oberflächenwellenleiter nur in einer Ebene befestigt werden kann. Dieser Nachteil wird durch, die in der F i g. 5 dargestellte Anordnung vermieden. Dabei ist der Film 1 innerhalb einer schützenden Röhre 3 als Wendel angeordnet. Ein Wellenleiter dieser Art kann Stützen in jeder beliebigen Ebene aufweisen, unter der Voraussetzung, daß der Radius der Biegung im Vergleich zur Steigung der Wendel groß bleibt. Derartige Oberflächenwellenleiter eignen sich für Biegungen mit mittlerem Krümmungsradius. Für Biegungen mit kleinerem Krümmungsradius ist die in der F i g. 1 gezeigte Konstruktion besser.

Eine weitere Möglichkeit eines Dünnfilm-Oberflächenwellenleiters wird in der F i g. 6 gezeigt. Hier wird der Film 1 durch ein konfokales System mit zylindrischen Miniaturlinsen 4 gestützt, die zwischen den oberen und unteren Trägerplatten 5 angeordnet

40 sind.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Oberflächenwellenleiter zur Übertragung von Infrarotstrahlen, in dem die Energie in einer ebenen Fläche entlang eines für die Strahlung transparenten dielektrischen Filmes transportiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des dielektrischen Filmes sehr viel kleiner als die halbe Wellenlänge und die Breite etwa tausendmal größer als eine Wellenlänge des zu übertragenden Lichtes bemessen ist.

2. Oberflächenwellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Streifen innerhalb eines Schutzrohres verläuft und an seinen beiden Kanten gestützt wird.

3. Oberflächenwellenleiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Leitung durch halblinsenförmige Körper gestützt wird.

4. Oberflächenwellenleiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützkörper insgesamt ein konfokales Linsensystem darstellen.

5. Oberflächenwellenleiter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß seine Leitungsebene sich um deren Längsachse dreht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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