DE3108742C2 - Selektiver Richtkoppler - Google Patents

Selektiver Richtkoppler

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DE3108742C2 DE19813108742 DE3108742A DE3108742C2 DE 3108742 C2 DE3108742 C2 DE 3108742C2 DE 19813108742 DE19813108742 DE 19813108742 DE 3108742 A DE3108742 A DE 3108742A DE 3108742 C2 DE3108742 C2 DE 3108742C2
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Abstract

Selektiver Richtkoppler, bestehend aus zwei miteinander zu verkoppelnden Wellenleitern. Zwischen diesen Wellenleitern ist ein weiterer Wellenleiter derart angeordnet, daß seine Koppelwelle bei der gewünschten Koppelfrequenz phasensynchron mit den Wellen in den beiden anderen Wellenleitern ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen selektiven Richtkoppler, bestehend aus zwei miteinander zu verkoppelnden Wellenleitern, zwischen denen ein weiterer Wellenleiter angeordnet ist.
Derartige Richtkoppler sind z. B. in der US-PS 37 98 575 und US-PS 29 51 218 beschrieben worden.
Richtkoppler, deren Kopplungsgrad von der Frequenz bzw. Wellenlänge der auszukoppelnden elektromagnetischen 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 Wellenlängenmultiplcx. fio Hier wird in einer Richtung mit einer anderen Lichtwellenlänge übertragen als in der Gegenrichtung. An den Endpunkten einer solchen Faserstrecke oder an Repeatern wird wie in Fig. 1 über den selektiven Richtkoppler bei einer Wellenlänge Λ, gesendet und bei einer anderen Wellenlänge X2 aus der Gegenrichtung empfangen.
Die Selektivität des Richtkopplers sorgt dafür, daß die ganze Sendeleistung bei ^ in dieser Faser eingespeist wird und die ganze ankommende Leistung bei Xe zum Empfänger gelangt. Die Selektivität des Richtkopplers vcrringert durch seine Richtwirkung 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 einwclligcn Fiiscr empfangene Grundwelle beliebige Polarisation haben, da sie ja ohne Kopplung den selektiven Richl-
koppler durchläuft.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Richtkoppler der eingangs genannten Art aufzuzeigen, dsr in einfacher Weise realisiert werden kann und trotzdem hohe Selektivität autweist.
Gelöst wird dies gemäß den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung können gemäß den Unteransprüchen realisiert werden, wobei die Anwendung vorzugsweise zu optischen Frequenzen erfolgt.
Der selektive Richtkoppler für diese und ähnliche Anwendungen wird entsprechend Fig. 2 aufgebaut. Zwei durchgehende Wellenleiter 1 und 3 werden über den dazwischenliegenden 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 Phasenkonstanteßx =ß3 =ß haben. Praktisch braucht diese Bedingung nur für diejenige Frequenz f0 bzw. Wellenlänge ;<, erfüllt zu sein, bei der durch selektive Kopplung die ganze Leistung von einem zum anderen Wellenleiter Dbergekoppelt werden soll.
Die Verkopplung der Wellen in 1 und 3 erfolgt über eine der Wellen, die der Zwischenwellenleiter 3 führt. Für die Berechnung 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^ bzw. Wellenlänge Λο erfüllt zu sein.
Unlcr den genannten Voraussetzungen, und wenn Verluste im Koppler vernachlässigt werden können, gilt für die Amplituden A1, A2 und A3 der genannten Wellen folgendes System von verkoppelten Differentialgleichungen
UA1
-JcA1
= -JcA1 -jß2A2 -
-JcA1 -JßAj
β + δ + V<52 + 2 c2
β + δ - τ/δ2 + 2 c2
Dabei istyfc die Phasenkonstante der Koppelwelle 2 im Zwischwellenleiter und c der Koppelkoeffizient für die Verkopplung der Wellen 1 und 3 mit dieser Koppelwelle.
Das System aus drei gekoppelten Wellen hat 3 Eigenwellen, die längs der Koppelstrecke unabhängig voneinander wandern. Ihre Phasenkonstanten sindjff,
40
wobei δ = (β -ßi)/2 die halbe Differenz zwischen den Phasenkonstanten der Wellen 1 und 3 und der Koppelwcllc 2 bezeichnet.
In der allgemeinen Lösung für die Amplituden der Wellen 1,2 und 3 überlagern sich die Eigen wellen folgendermaßen
Ax = -W1 c
c2); ι
+2c1' ~Ö
50
A} - η·, e ·"■- + W1
Wenn nur der Zugang des Wellenleiters 1 beiz = Oangeregtwird, lau ten die Anfangsbedingungen Λ, = 1 und A2 = At. = 0 bei ζ = 0. Bei dieser Anregung haben die Wellen 1 und 3 folgende Amplituden betrage längs des Kopplers:
Mil = 4-
M.
2 ι V
(D
y +2c2
/wci (ircn/liillc sind Tür die praktische Anwendung von besonderem Interesse:
60
65
1 -A =ß
Die Koppellwelle 2 hat die gleiche Phasenkonstante wie die beiden Wellen 1 und 3. In diesem l'iill ist ö 0, und die Ampütudenbetriige lauten
5
μ, I = y |1 +cos(/2fz) I
M-J = y M - cos (VJei) I.
Bei phasensynchroner Koppelwelle 2 pendelt also die Leistung längs der Koppelstrecke zwischen den Wellen 1 und 3 hin und her.
Bei
: =(2m + l) rJ(VTc) mit m =0, 1,2 ...
wird sie ganz von der WeIlR 3 geführt und bei
ζ = 2m rJ(VTc) mit m = 0, 1,2 ...
ganz von der Welle 1. Für volle Leistungsumwandlung von Welle 1 auf Welle 3 wird der Koppler am besten L = π/(VTc) (2)
lang gemacht.
2. |(5| >c
Volle Leistungsumwandlung von Welle 1 auf 3 ist nur für δ = 0 also bei phasensynchroncr Koppclwcllc möglich. Für (5*0 wird jeweils nur ein Teil der Eingangsleistung der Welle 1 in die Welle 2> umgewandelt. Im zweiten Grenzfall \ö | >c sogar nur sehr wenig. Unter dieser Bedingung folgt nämlich aus den Gleichungen (1) für die Amplitudenbeträge näherungsweise
M1I= 1-7 ^fr-sin tfre-"--
2 *
Nach dieser Näherung wird höchstens nur noch der Teil cV(4 δ4) 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 unter dieser Bedingung aber auch nur höchstens der Teil c2/ö7 ihrer Eingangsleistung verloren. Um nun die gewünschte Selektivität zu erzielen, d. h. volle Leistungsumwandlung bei einer Frequenz/, bzw. Wellenlänge ;<, und möglichst wenig Leistungsumwandlung bei bestimmten Frequenzen abseits davon, ist ein Zwischenwellenleiter zu wählen, dessen Koppelwelle 2 bei f=f0 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 «ö eingebettet. Die Wellenleiter 1 und 3 haben im Beispiel der Fig. 3 dun gleichen Querschnitt und die gleiche Brechzahl n, > /I0. Der Zwischenwellenleiter hat eine größere Brechzahl n2>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 Grundwelley3 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 PgInZc0 für die Wellenzahl im umgebenden Medium mit der Brechzahl H0. Dabei ist C0 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 die-
M) ses Wellenleiters die Phasenkurve der Gnindwelle in den Wellenleitern 1 und 3. Sie alle können darum als Koppelwellen zwischen den 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 Grundweilen in 1 und 3.
Welche Welle man als Koppelwelle wählt und wie man dementsprechend die Wellenleiter 1 und 3 und den Zwischenweiienleiter 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 Koppel welle niedriger Ordnung, bei kleinerem Frequenzabstand und entsprechend höherer Trennschärfe einer Koppelwelle höherer Ordnung. Steigern läßt sich die Trennschärfe auch durch Erhöhung der Brechzahl im Zwischenwcllcnleilcr
und durch Vergrößerung seines Querschnittes. Dann schneiden nämlich die Phasenkurven der Koppelwcllcn im /wischcnwcllenleiter die Phasenkurve der Grundwellcn in den Wellenleitern 1 und 3 unter einem immer größeren Winkel. Die Phasendifferenz zwischen diesen Wellen wächst dann ausgehend von ö = 0 beim Schnittpunkt der Kurven um so schneller mit wachsender Abweichung der Frequenz von der Synchronfrcqucn/.
An Hand des Beispieles eines selektiven Richtkopplers aus dielektrischen Streifen, die wie in Fig. 5 auf 5 einem dielektrischen Substrat S au fliegen, soll gezeigt werden, welche Abmessungen im Verhältnis zur Wellenlänge/der Licht-bzw. Mikrowellen zu wählen sind. Bin ein fächer Rieht koppler aus zwei parallelen Streifen .SV >. und Si 2 der Breite b = 3,5 λ und Höhe Ii = 1,75/I mit der Brechzahl n, = 1,5 im gegenseitigen Abs land η = b au feinem Su bstratSder Brechzahl n0 = //,/1,1 verkoppelt die Grund wellen der Streifen mit dem Koppelkoeffi-/icnlen <■ = 0,002 λ. Wenn die gleichen Streifen auf dem gleichen Substrat für den selektiven Richtkoppler io gewühlt werden und für den Zwischen wellenleiter ZWL ein doppelt bis vierfach so breiter Streifen mit etwas größerer Brechzahl als /I1 läßt sich der gleiche Koppelkoeffizient für die Verkopplung der Grund welle 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 /. 1110/ ist. Für Lichtwellenlängen ist das die Größenordnung eines Millimeters. Um in integrierter 15 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 Ahslandsverkleinerung, um den Koppler drastisch zu verkürzen. jj
Das SüuMiai uiiu die riime oder Streifen eines selektiven Richtkopplers tür optische Frequenzen können aus J]
Quarzglas oder anderen Silikatgläsern hergestellt werden. Um die Brechzahl der Filme oder Streifen gegenüber 20 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 Phosphoro- ί
xid dotieren.
Noch größere Brechzahlunterschiede erreicht man, wenn man beispielsweise ein niedrig brechendes Sub- j
slra tglas verwendet, d ie au ßeren Wellenleiter aus einem transparenten Polymer, wie z. B. Polyurethan, und den 25 |
Z wischen wellenleiter aus Zinksulfid herstellt. Für solche selektiven Richtkoppler, die bei optischen Frequen- ij
/cn arbeiten sollen, kommen viele verschiedenartige Stoffe in Frage. Man muß aber immer darauf achten, daß '.■)
sie für die zu übertragenden Licht wellen längen genügend transparent sind, um die Kopplerverluste gering zu ;>j
halten. u
Auch die Form der Wellenleiter, zwischen denen elektromagnetische Wellenenergie selektiv umgewandelt 30 i'j
wc,den soll ebenso wie die Form des Zwischen Wellenleiters ist längst nicht auf einfache Filme oder Streifen in ii
oder auf Substraten beschränkt, es kommen dafür auch Rippen- und Wulst leiter wie auch streifen belastete Fi Im wellen leiter in Frage. Fig. 6 zeigt als nur repräsentatives Beispiel den Querschnitt durch einen selektiven i'J
Richtkoppler, insbesondere für optische Frequenzen, bei dem die beiden äußeren Wellenleiter Rippenleiter ::j
Rl. 1 bzw. RL2 sind uns als Zwischen wellenleiter ein streifenbelasteter Film wellen leiter FWL dient, dessen 35 "r\
Bas is durch den gleichen dielektrischen Fi Im gebildet wird, der auch zu den au ßeren Rippen leitern gehört. Die ti
Brechzahl n. von Film und Rippen muß et was größer a!s die Brechzahl «^ des Substrates S sein, unddcrStrci- ^
fen soll eine Brechzahl th haben, die noch größer als /I1 ist. ii
Selektive Richtkoppler für Mikrowellen können auch mit dielektrischen Streifenwellenleitern aufgebaut '.}
werden, insbesondere wenn es sich um Millimeterwellen handelt, weil dafür die dielektrischen Streifen noch ¥: Ϊ
einen verhältnismäßig kleinen Querschnitt haben. Es kommen aber auch dielektrische Büdleiter und Hohl- !*
leiter dafür in Frage. Fig. 7 zeigt einen selektiven Richtkoppler aus Bildleitungen im Querschnitt. Seine drei '-j
liildlcitiingcn BL \,BL2 und BL 3 laufen parallel zueinander auf einer gemeinsamen metallischen Platte f. Die J.
beiden äußeren Bildleitungen haben gleiche Querschnittsabmessungen und die gleiche Brechzahl, während die j
innere Bildleitung als Zwischenwellenleiter einen größeren Querschnitt und auch eine Brechzahl n2 hat, die grö- 45 i
ßcr als /;, ist. ■
Fig. 8 zeigt einen selektiven Richtkoppler aus Rechteckhohlleitern Hl, Hl, //3 im Querschnitt. Der Zwischenhohlleiter wird mit den äußeren Hohlleitern beispielsweise durch Lochreihen L 1 und L 2 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 Maß- 50 . nahmen sowohl breiterer Querschnitt als die äußeren Hohlleiter als auch die Füllung mit einem Dielektrikum für den Zwischenhohlleiter Hl getroffen. Beide Maßnahmen unterstützen sich in ihrer Wirkung zur Steigerung der Selektivität.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen S5

Claims (16)

Patentansprüche:
1. Selektiver Richtkoppler, bestehend aus zwei miteinander zu verkoppelnden Wellenleitern, /wischen denen ein weiterer Wellenleiter angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelwcllc des mittleren Wellenleiters (2) bei der gewünschten Koppelfrequenz phasensynchron mit den Wollen in den beiden anderen Wellenleitern (2,3) ist und daß die beiden zu verkoppelnden Wellenleiter (1,3) nur mit dem Zwischenwellenleiter (2) verkoppelt sind.
2. Richtkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zu verkoppelnden Wellenleiter (1,3) dielektrische Filme sind und zwischen ihnen ein dielektrischer Film als Zwischenwellenleiter (2) liegt.
3. Richtkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zu verkoppelnden Wellenleiter (1,3) dielektrische Streifenleiter sind und zwischen ihnen ein dielektrischer Film als Zwischenwellenleiter (2) liegt.
4. Richtkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zu verkoppelnden Wellenleiter (1, 3) und der Zwischenwellenleiter (2) dielektrische Streifen sind.
5. Richtkoppler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zu verkoppelnden Wellenleiter (1, 3) und der Zwischenwellenleiter (2) als dielektrische Streifen (Si 1, St 2) auf einem dielektrischen Substrat (S) niedrigerer Brechzahl aufliegen (Fig. 5).
6. Richtkoppler nach Anspruch 4, dadurch gskennzeichnet, daß die beiden zu verkoppelnden Wellenleiter (1,3) und e'er Zwischenwellenleiter (2) als dielektrische Streifen in einem dielektrischen Substrat niedrigerer Brechzahl versenkt sind.
7. 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.
8. Richtkoppler nach Anspruch 7, 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.
9. Richtkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zu verkopplenden Wellenleiter (RL 1, RL1) 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).
10. Richtkoppler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verkoppelnden Wellenleiter (RL 1, RL1) als Rippenleiter und der Zwischenwellenleiter als streifenbelasteter Filmwellenleiter T/WL^ mit ihrem gemeinsamen Film auf einea.. dielektrischen Substrat (S) niedrigerer Brechzahl aufliegen (Fig. 6).
11. Richtkoppler nacb Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verkoppelnden Wellenleiter (BL 1, BLZ) und der Zwischenweile ieiter (BLl) Bildleitungen auf einer gemeinsamen Metallplatte (P) sind (F ig. _7).
i 2. Kichikoppier nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelabstand variabel ist.
13. Richtkoppler nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Brechzahl des Dielektrikums variabel ist.
14. Richtkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verkoppelnden Weiienleiter Hohlleiter (H 1, H 3) sind und auch der Zwischenwellenieiter ein Hohlleiter (Hl) ist, der durch Lochreihen (L 1, Ll) in den gemeinsamen Trennwänden mit den Wellenleitern (Ll, Ll) in den gemeinsamen Trennwänden mit den Wellenleitern (Hl, H3) verkoppelt ist (Fig. 8).
15. Richtkoppler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verkoppelnden Wellenleiter und der Zwischenwellenleiter Rechteckhohlleiter sind.
16. Richtkoppler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenwellenleiter (Hl) längs des ganzen Richtkopplers mit einem dielektrischen Einsatz versehen ist, der den Querschnitt des Zwischcnwellenleiters mindestens teilweise ausfüllt.
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