DE3108742A1 - Selektiver richtkoppler - Google Patents

Description

31087Λ2

Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH NE2-BK/Sch/wei

Theodor-Stern-Kai 1 . 3?K 81 /5 . ;

60Ö0-Prankfurt^: 70 ^{rv :}''

Selektiver Richtkoppler

Die Erfindung betrifft selektive Richtkoppler, insbesondere für optische Frequenzen und Anwendung in Lichtleitfaserstrecken, bestehend aus zwei miteinander zu verkoppelnden, vorzugsweise parallel verlaufenden Wellenleitern.

Richtkoppler, deren Kopplungsgrad von der Frequenz bzw. Wellenlänge der auszukoppelnden elektromagentischen Schwingung abhängt, werden beispielsweise bei der trägerfrequenten Nachrichtenübertragung von mehreren Kanälen im Frequenzmultiplex in ein und demselben Übertragungsmedium benötigt. Eine typische Anwendung ist der Gegensprechbetrieb mit optischen Signalen auf einer Glasfaser im Wellenlängenmultiplex. Hier wird in einer Richtung mit einer anderen. Lichtwellenlänge übertragen als in der Gegenrichtung. An den Endpunkten einer solchen Faserstroeke oder an Repeatern wird wie in Fig. 1 über den selektiven Richtkoppler bei einer Wellenlänge λ., gesendet und bei einer anderen Wellenlänge X₀ aus der Gegenrichtung empfangen.

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Die Selektivität des Richtkopplers sorgt dafür, daß die ganze Sendeleistung bei λ in die Faser eingespeist wird und die ganze ankommende Leistung bei λ zum Empfänger gelangt. Die Selektivität des Richtkopplers unterstützt durch seine Richtwirkung reduziert außerdem das Nahnebensprechen, so daß selbst von einer hohen Sendeleistung nur ein verschwindend kleiner Teil zum Empfänger gelangt.

Als weiterer Vorteil dieses Sende-Empfangsduplexers kann die aus der für diese Anwendung einwelligen Faser empfangene Grundwelle beliebige Polarisation haben, da sie ja ohne Kopplung den selektiven Richtkoppler durchläuft.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen selektiven Richtkoppler der eingangs genannten Art aufzuzeigen, der in einfacher Weise realisiert werden kann.

Gelöst wird dies gemäß den in den Ansprüchen angegebenen Merkmalen.

Der selektive Richtkoppler für diese und ähnliche Anwendungen wird entsprechend Fig. 2 aufgebaut. Zwei durchgehende Wellenleiter 1 und 3 werden über den dazwischen liegenden Wellenleiterabschnitt 2 auf der Strecke von ζ = 0 bis ζ = L miteinander verkoppelt.

Die durchgehenden Wellenleiter 1 und 3 können identischen

Querschnitt haben. Für die Berechnung wird hier nur vorausgesetzt, daß die Wellen in 1 und 3, die selektiv miteinander verkoppelt werden sollen, die gleiche Phasenkonstante OQ (3-1 = 13-3 = β haben. Praktisch braucht diese Bedingung nur für diejenige Frequenz f bzw. Wellenlänge \ erfüllt zu

ο ο

sein, bei der durch selektive Kopplung die ganze Leistung von einem zum anderen Wellenleiter übergekoppelt werden soll.

Die Verkopplung der Wellen in 1 und 3 erfolgt über eine der Wellen, die der Zwiscbenwellenleiter 3 führt. Für die Berech-

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nung wird hier vorausgesetzt, daß die Welle in 1 mit dieser Welle in 2 ebenso stark koppelt, wie die Welle in 3 mit dieser in 2. Praktisch braucht diese Bedingung aber auch nur wieder für die Frequenz f bzw. Wellenlänge λ erfüllt zu sein.

Unter den genannten Voraussetzungen, und wenn Verluste im Koppler vernachlässigt werden können, gilt für die Amplituden A₁, Ap und A^ der genannten Wellen folgendes System von verkoppelten Differentialgleichungen 10

dA

^dA2

dA_

Dabei ist ß„ die Phasenkonstante der Koppelwelle 2 im Zwischenwellenleiter und c der Koppelkoeffizient für die Verkopplung der Wellen 1 und 3 mit dieser Koppelwelle.

Das System aus drei gekopppelten Wellen hat 3 Eigenwellen, die längs der Koppelstrecke unabhängig voneinander wandern.

Ihre Phasenkonstanten sind β, β + b + V h + 2c^ und ρ _+δ _ γ_δ ² ₊ 2c², wobei δ = (ß - β )/2 die halbe Differenz zwischen den Phasenkonstanten der Wellen 1 und 3 und der Koppelwelle 2 bezeichnet.

In der allgemeinen Lösung für die Amplituden der Wellen 1, 2 und 3 überlagern sich die Eigenwellen folgendermaßen

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Wenn nur der Zugang des Wellenleiters 1 bei ζ = ο angeregt wird, lauten die Anfangsbedingungen A- = 1 und Ap = A_ = 0 bei z=0. Bei dieser Anregung haben die Wellen 1 und 3 folgende Amplitudenbeträge längs des Kopplers:

IM 4

i+e

""^J6z

(cos

i δ

sin

> ? ■+2c ζ)

A₃I^h-S

~^j5z(cos f>²+2c²z +

¥6²+2g²

sin V?+2c _z)

Zwei Grenzfälle sind für die praktische Anwendung von besonderem Interesse:

1. ß₂ = ß:

Die Kopellwelle 2 hat die gleiche Phasenkonstante wie die beiden Wellen 1 und 3· In diesem Fall ist δ = 0, und die Amplitudenbeträge lauten

A.

1+cos (Ϋ2οζ)'

1-cos

Bei phasensynchroner Koppelwelle 2 pendelt also die Leistung längs der Koppelstrecke zwischen den Wellen 1 und 3 hin und her.

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Bei

ζ = (2m+1) n/(Y2c) mit m = 0, 1, 2

wird sie ganz von der Welle 3 geführt und bei ζ = 2m*/(Vl>c) mit m = O, 1, 2

ganz von der Welle 1. Für volle Leistungsumwandlung von Welle 1 auf Welle 3 wird der Koppler am besten

L = κ/(VIc) (2)

lang gemacht.

2. I δ J » c:

Volle Leistungsumwandlung von Welle 1 auf 3 ist nur für 6= 0 also bei phasensynchroner Koppelwelle möglich. Für δ£ 0 wird jeweils nur ein Teil der Eingangsleistung der Welle 1 in die Welle 3 umgewandelt. Im zweiten Grenzfall I δ] »c sogar nur sehr wenig. Unter dieser Bedingung folgt nämlich aus den Gleichungen (1) für die Amplitudenbeträge näherungsweise

A.

2δ²

~^{J Z}

2δ

sin hζ

Nach dieser Näherung wird höchstens nur noch der Teil

4 4
c /(4δ ) der Eingangsleistung in die Welle 3 umgewandelt; der Rest bleibt hauptsächlich in Welle 1-, zu einem kleinen Teil aber auch in der Koppelwelle 3. Der Welle 1 geht

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unter dieser Bedingung aber auch nur höchstens der Teil

2 2
c /6 ihrer Eingangsleistung verloren.

Um nun die gewünschte Selektivität zu erzielen, d.h. volle Leistungsumwandlung bei einer Frequenz f bzw. Wellenlänge λ und möglichst wenig Leistungsumwandlung bei bestimmten - Frequenzen abseits davon, ist ein Zwischenwellenleiter zu wählen, dessen Koppelwelle 2 bei f = f phasensynchron mit den Wellen 1 und 3 ist, bei den Sperrfrequenzen aber genügend Phasendifferenz hat, um dort die Bedingung |δ| » c zu erfüllen.

Für optische Frequenzen lassen sich diese Forderungen mit dielektrischen Filmen oder Streifen als Wellenleiter erfüllen. Diese optischen Film- oder Streifenwellenleiter werden beispielsweise gemäß Fig. 3 in einen transparenten Stoff der Brechzahl η eingebettet. Die Wellenleiter 1 und 3 haben im Beispiel der Fig. 3 den gleichen Querschnitt und die gleiche Brechzahl n- > η . Der Zwischenwellenleiter hat eine größere Brechzahl n„ > n., und auch sein Querschnitt muß je nach Selektivitätsforderung größer als der Querschnitt der Wellenleiter 1 und 3 sein.

Fig. 4 zeigt im Dispersionsdiagramm als Funktion der Frequenz die Phasenkonstanten der Grundwelle β in den Wellenleitern 1 und 2 und von Wellen im Zwischenwellenleiter, die als Koppelwellen dienen können. Alle Phasenkurven haben bei der jeweiligen Grenzfrequenz ihren Ursprung auf der Linie η 2Vc für die Wellenzahl im umgebenden Medium mit der Brechzahl η . Dabei ist c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Für hohe Frequenzen nähern sie sich asymptotisch der Wellenzahl des jeweiligen Wellenleiterstoffes. Abgesehen von der Phasenkurve der Grundwelle des Zwischenwellenleiters schneiden die Phasenkurven aller höheren Wellen dieses Wellenleiters die Phasenkurve der Grundwelle in den Wellenleitern 1 ■ und 3. Sie alle können darum als Koppelwellen zwischen den

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Grundwellen in Wellenleitern 1 und 3 dienen. Bei den Schnittfrequenzen mit der Grundwellen-Phasenkurve von Wellenleitern

1 und 3 ermöglichen sie volle Leistungsumwandlung zwischen den Grundwellen in 1 und 3.

Welche Welle man als Koppelwelle wählt und wie man dementsprechend die Wellenleiter 1 und 3 und den Zwischenwellenleiter

2 gestaltet, hängt von der Lage der Frequenzen ab, die gekoppelt werden bzw. entkoppelt bleiben sollen. Bei größerem Abstand zwischen diesen Frequenzen wählt man eine Koppelwelle niedriger Ordnung, bei kleinerem Frequenzabstand und entsprechend höherer Trennschärfe eine Koppelwelle höherer Ordnung. Steigern läßt sich die Trennschärfe auch durch Erhöhung der Brechzahl im Zwischenwellenleiter und durch Vergrösserung seines Querschnittes. Dann schneiden nämlich die Phasenkurven der Koppelwellen im Zwischenwellenleiter die Phasenkurve der Grundwellen in den Wellenleitern 1 und 3 unter einem immer größeren Winkel. Die Phasendifferenz zwischen diesen Wellen wächst dann ausgehend von 6=0 beim Schnittpunkt der Kurven umso schneller mit wachsender Abweichung der Frequenz von der Synchronfrequenz.

An Hand des Beispieles eines selektiven Richtkopplers aus dielektrischen Streifen, die wie in Fig. 5 auf einem dielektrisehen Substrat S aufliegen, soll gezeigt werden, welche Abmessungen im Verhältnis zur Wellenlänge λ der Licht- bzw. Mikrowellen zu wählen sind. Ein einfacher Richtkoppler aus zwei parallelen Streifen St1 und St2 der Breite b = 3.5 λ und Höhe h = 1.75 λ mit der Brechzahl n. = 1.5 im gegensei-

oQ tigen Abstand a = b auf einem Substrat S der Brechzahl η = η .11.1 verkoppelt die Grundwelien der Streifen mit dem Koppelkoeffizienten c = 0.002 λ. Wenn die gleichen Streifen auf dem gleichen Substrat für den selektiven Richtkoppler gewählt werden und für den Zwischenwellenleiter ZWL ein doppelt bis vierfach so breiter Streifen mit etwas größerer Brechzahl als n. läßt sich der gleiche Koppelkoeffizient für

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die Verkopplung der Grundwelle in den äußeren Streifen mit einer phasensynchronen Koppelwelle im Zwischenwellenleiter ZWL einstellen, indem man den Abstand zwischen den Streifen etwas kleiner als a = b wählt. Die Bedingung (2) wird dann erfüllt, wenn L = 1110 λ ist. Für Lichtwellenlängen ist das die Größenordnung eines Millimeters. Um in integrierter Optik mit noch kürzeren Kopplern auszukommen, müssen die Streifen noch etwas dichter zusammengerückt werden. Weil der Koppelkoeffizient exponentiell vom Abstand der Streifen abhängt, genügt schon wenig Abstandsverkleinerung, um den Koppler drastisch zu verkürzen.

Das Substrat und die Filme oder Streifen eines selektiven Richtkopplers für optische Frequenzen können aus Quarzglas oder anderen Silikatgläsern hergestellt werden. Um die Brechzahl der Filme oder Streifen gegenüber der Brechzahl des Substrates zu erhöhen, und um insbesondere im Zwischenwellenleiter eine höhere Brechzahl als in den beiden äußeren Wellenleitern zu erzielen, kann man das Quarzglas mit Germanium- oder Phosphoroxid dotieren.

Noch größere Brechzahlunterschiede erreicht man, wenn man beispielsweise ein niedrig brechendes Substratglas verwendet, die äußeren Wellenleiter aus einem transparenten Po- -" 25 lymer, wie z.B. Polyurethan, und den Zwischenwellenleiter aus Zinksulfid herstellt. Für solche selektiven Richtkoppler, die bei optischen Frequenzen arbeiten sollen, kommen viele verschiedenartige Stoffe in Frage. Man muß aber immer darauf achten, daß sie für die zu übertragenden Lichtwellenlängen genügend transparent sind, um die Kopplerverluste gering zu halten.

Auch die Form der Wellenleiter, zwischen denen elektromagnetische Wellenenergie selektiv umgewandelt werden soll 3<5 ebenso wie die Form deo Zwischenwellenleiters ist längst nicht auf einfache Filme oder Streifen in oder auf Substraten beschränkt, es kommen dafür auch Rippen- und Wulstleiter

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wie auch streifenbelastete Filmwellenleiter in Frage. Fig. zeigt als nur repräsentatives Beispiel den Querschnitt durch einen selektiven Richtkoppler, insbesondere für optische Frequenzen, bei dem die beiden äußeren Wellenleiter Rippenleiter RL1 bzw. RL2 sind uns als Zwischenwellenleiter ein streifenbelasteter Filmwellenleiter FWL dient, dessen Basis durch den gleichen dielektrischen Film gebildet wird, der auch zu den äußeren Rippenleitern gehört. Die Brechzahl n* von Film und Rippen muß etwas größer als die Brechzahl η des Substrates S sein, und der Streifen soll eine Brechzahl n„ haben, die noch größer als n- ist.

Selektive Richtkoppler für Mikrowellen können auch mit dielektrischen Streifenwellenleitern aufgebaut werden, insbesondere wenn es sich um Millimeterwellen handelt, weil dafür die dielektrischen Streifen noch einen verhältnismäßig kleinen Querschnitt haben. Es kommen aber auch dielektrische Bildleiter und Hohlleiter dafür in Frage. Fig. 7 zeigt einen selektiven Richtkoppler aus Bildleitungen im Querschnitt.

Seine drei Bildleitungen BL1, BL2 und BL3 laufen parallel zueinander auf einer gemeinsamen metallischen Platte P. Die beiden äußeren Bildleitungen haben gleiche Querschnittsabmessungen und die gleiche Brechzahl, während die innere Bildleitung als Zwischenwellenleiter einen größeren Querschnitt und auch eine Brechzahl n~ hat, die größer als η .. ist.

Fig. 8 zeigt einen selektiven Richtkoppler aus Rechteckhohlleitern H1, H2, H3 im Querschnitt. Der Zwischenhohlleiter

oQ wird mit den äußeren Hohlleitern beispielsweise durch Lochreihen L1 und L2 in den gemeinsamen Trennwänden verkoppelt. Der Zwischenhohlleiter H2 hat einen breiteren Querschnitt als die äußeren Hohlleiter oder ist mit einem Dielektrikum teilweise oder ganz gefüllt. Im Beispiel der Fig. 7 sind beide Maßnahmen sowohl breiterer Querschnitt als die äußeren Hohlleiter als auch die Füllung mit einem Dielektrikum für den Zwischenhohlleiter H2 getroffen. Beide Maßnahmen unterstützen sich in ihrer Wirkung zur Steigerung der Selektivität.

Leerseite

Claims (16)

1. Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH NE2-BK/Sch/wei

   Theodor-Stern-Kai 1 BK 81/5

   Frankfurt 70

   Patentansprüche

   Selektiver Richtkoppler, insbesondere für optische Frequenzen und Anwendung in Lichtleitfaserstrecken, bestehend aus zwei miteinander zu verkoppelnden, vorzugsweise parallel verlaufenden Wellenleitern, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen diesen Wellenleitern (1, 3) ein weiterer Wellenleiter (2) derart angeordnet ist, daß seine Koppelwelle bei der gewünschten Koppelfrequenz phasensynchron mit den Wellen in den beiden anderen Wellenleitern (1, 3) ist.
2. 2. Richtkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zu verkoppelnden Wellenleiter (1, 3) nur mit dem Zwischenwellenleiter (2) verkoppelt sind.
3. 3. Richtkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zu verkoppelnden Wellenleiter (1, 3) dielektrische Filme sind und zwischen ihnen ein dielektrischer Film als Zwischenwellenleiter (2) liegt.

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4. 4. Richtkoppler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zu verkoppelnden Wellenleiter (1, 3) dielektrische Streifenleiter sind und zwischen ihnen ein dielektrischer Film als Zwischenwellenleiter (2) liegt.
5. 5. Richtkoppler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zu verkoppelnden Wellenleiter (1, 3) und der Zwischenwellenleiter (2) dielektrische Streifen sind.
6. 6. Richtkoppler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zu verkoppelnden Wellenleiter (1, 3) und der Zwischenwellenleiter (2) als dielektrische Streifen (St 1, St2) auf einem dielektrischen Substrat (S) niedrigerer Brechzahl aufliegen (Fig. 5).
7. 7. Richtkoppler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zu verkoppelnden Wellenleiter (1_r 3) und der Zwischenwellenleiter (2) als dielektrische Streifen in einem dielektrischen Substrat niedrigerer Brechzahl versenkt sind.
8. 8. Richtkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zu verkoppelnden Wellenleiter (1, 3) aus Rippen auf einem dielektrischen Film bestehen und daß auch der Zwischenwellenleiter (2) durch eine Rippe auf dem dielektrischen Film gebildet wird.
9. 9· Richtkoppler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verkoppelnden Wellenleiter (1, 3) und der Zwischenwellenleiter (2) als Rippenleiter mit ihrem dielektrischen Film auf einem dielektrischen Substrat niedrigerer Brechzahl aufliegen.
10. 10. Richtkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zu verkoppelnden Wellenleiter (RLI, RL2)

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    aus Rippen auf einem dielektrischen Film bestehen und daß der Zwischenwellenleiter als streifenbelasteter Filmwellenleiter (FWL) aus einem Streifen auf dem Film gebildet wird (Fig. 6),
    05
11. 11. Riehtkoppler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verkoppelnden Wellenleiter (RL1, RL2) als Rippenleiter und der Zwischenwellenleiter als streifenbelasteter Filmwellenleiter (FWL) mit ihrem gemeinsamen Film auf einem dielektrischen Substrat (S) niedrigerer Brechzahl aufliegen (Fig. 6).
12. 12. Richtkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verkoppelnden Wellenleiter (BL1, BL3) und der Zwischenwellenleiter (BL2) Bildleitungen auf einer gemeinsamen Metallplatte (P) sind (Fig. 7).
13. 13- Richtkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelabstand variabel ist.
14. 14. Richtkoppler nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Brechzahl des Dielektrikums variabel ist.
15. 15. Richtkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

    daß die zu verkoppelnden Wellenleiter Hohlleiter (H1, H3) sind und auch der Zwischenwelienleiter ein Hohlleiter (H2) ist, der durch Lochreihen (L1, L2) in den g.emeinsamen Trennwänden mit den Wellenleitern (H1, H3) verkoppelt ist (Fig. 8).
16. 16. Richtkoppler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verkoppelnden Wellenleiter und der Zwischenwellenleiter Reohteckhohlleiter sind.

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    17· Richtkoppler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenwellenleiter (H2) längs des ganzen Riehtkopplers mit einem dielektrischen Einsatz versehen ist, der den Querschnitt des Zwischenwellenleiters mindestens teilweise ausfüllt.