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Dielektrische Leitung mit einem Leitungsknick mit
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Reflektor Die vorliegende Erfindung betrifft eine dielektrische Leitung
mit einem Leitungsknick zur Übertragung elektromagnetischer Wellen, insbesondere
mit Wellenlängen im optischen Bereich, bestehend aus einem ersten geraden Leitungsabschnitt
und einem zweiten geraden, sich an diesen schräg zu dessen Leitungsachse unter Bildung
eines Knicks anschließenden Leitungsabschnitt.
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Dielektrische Leitungen finden bei Mikrowellenfrequenzen und optischen
Frequenzen Anwendung zur Führung von elektromagnetischer Feldenergie längs eines
- mit Einschränkungen - beliebig wählbaren Weges. Es ist bekannt, daß an Knickstellen
im Zuge einer dielektrischen Leitung Leistungsverluste durch Abstrahlung auftreten
(E.-G. Neumann u. H.-D. Rudolph, Appl. Phys. 8 (1975) 107-116; Losses from corners
in dielectric rod or optical fibre waveguides).
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Zur Verminderung der unerwünschten Dämpfung ist es bekannt, den Knickwinkel
auf genügend kleine Werte,
z.B. unter 10, zu verringern. Diese Lösung
hat jedoch insbesondere in der Technik der Integrierten Optik (L. D. Hutcheson,
I. A. White and J. J. Burke, Optics Letters, 5 (1980) 276-278: Comparison of bending
losses in integrated optics circuits) den Nachteil, daß die Verbindungsleitungen
zwischen den optischen Komponenten lang werden und daß die Anzwahl der auf einem
Chip gegebener Abmessungen integrierbaren Funktionen begrenzt wird. Wenn größere
Knickwinkel und damit höhere Verluste zugelassen werden, besteht die Gefahr, daß
die von einem Knick abgestrahlte Welle zum Teil an einem anderen Knick in eine geführte
Welle rekonvertiert wird, daß es also zu unerwünschtem Übersprechen zwischen verschiedenen
dielektrischen Leitungen kommt.
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Eine andere vorgeschlagene Maßnahme, siehe Patentanmeldung P 31 07
235.6 , besteht darin, daß man in der Umgebung des Knicks das transversale Brechzahlprofil
der dielektrischen Leitung so modifiziert, daß der Wert der lokalen Phasengeschwindigkeit
auf der Innenseite relativ zu dem Wert auf der Außenseite des Knicks verringert
wird. Dadurch erreicht man eine Schwenkung der Phasenfronten, eine Änderung der
Energieausbreitungsrichtung und damit eine Verringerung der Dämpfung durch den Knick.
Diese zweite Maßnahme erscheint besonders gut geeignet für Knicke mit nicht zu großen
Knickwinkeln.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei dielektrischen Leitungen
der eingangs beschriebenen Art an Knicken, und zwar weitgehend unabhängig von der
Größe des Knickwinkels, die Ausbreitungsrichtung der Wellen mit auf engstem Raum
verwendbaren Mitteln derart zu
beeinflussen, daß geringste Abstrahlungsverluste
erreicht werden.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß senkrecht zur Winkelhalbierenden
des durch die Mittelachsen der beiden geraden Leitungsabschnitte gebildeten Winkels
180°-α ein Reflektor verläuft, an dessen Reflexionsfläche eine Umlenkung der
Wellen erfolgt. Der Reflektor kann aus der Grenzfläche zwischen Dielektrikum und
Metall bestehen, aus dielektrischen Mehrfachschichten (Interferenzspiegel) oder
einer totalreflektierenden Grenzfläche zwischen zwei Dielektrika.
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Unter dielektrischer Leitung im Sinne der Erfindung wird jede der
möglichen Ausführungsformen verstanden, z.B. die dielektrische Stableitung (dielectric
rod waveguide) oder Bildleitung (image line) der Mikrowellentechnik, die Filmleitung
(slab waveguide) oder Streifenleitung (strip waveguide) der integrierten Optik oder
eine Faserleitung (optical fiber waveguide) beliebigen Brechzahlprofils der optischen
Nachrichtentechnik. Die Frequenz der geführten elektromagnetischen Welle kann beliebig
sein. Die dielektrische Leitung kann einwellig oder mehrwellig sein; vorwiegend
ist die Erfindung jedoch bedeutungsvoll für dielektrische Leitungen, die nur den
Grundmodus (oder die beiden orthogonal polarisierten Grundmoden) führen können.
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Im folgenden wird daher stets die Grundwelle vorausgesetzt.
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Die Erfindung geht davon aus, daß die Grundwelle an einer geraden
dielektrischen Leitung eine ebene
elektromagnetische Welle mit endlicher
Feldausdehnung in einer (Filmwelle) bzw. zwei (Streifenleitung, Faser) Richtungen
transversal zur Ausbreitungsrichtung ist.
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Im Englischen bezeichnet man eine solche Welle als "wave beam"; im
Deutschen als Strahlwelle. Die transversale Verteilung der Feldstärke in einer Strahlwelle
läßt sich näherungsweise gut durch eine Gaußfunktion mit der Breite wo beschreiben.
Die Feldweite wO (spot size) bezeichnet den transversalen Abstand der Punkte von
der Strahlwellenachse, in denen die Feldstärke um den Faktor 1/e = 0.37 kleiner
ist als auf der Achse. Da die Phasengeschwindigkeit an Stellen relativ großer Feldstärke
etwas vergrößert ist (D. Gloge, A.E.Ü. 18 (1964) 451-452: Bündelung kohärenter Lichtstrahlen
durch ein ortsabhängiges Dielektrikum), hat eine Strahlwelle in einem homogenen
Medium die Tendenz, sich aufzuweiten (Beugung). Durch die Erhöhung des Brechungsindex
in der Umgebung der Strahlwellenachse wird in einer dielektrischen Leitung dem Effekt
der Beugung entgegengewirkt, so daß der Strahlwellendurchmesser sich längs der Strahlwelle
nicht vergrößert. Die Phasenfronten bleiben Ebenen senkrecht zur Strahlwellenachse.
Diese fällt bei einer geraden dielektrischen Leitung mit der Leitungsachse zusammen.
Der zeitliche Mittelwert des Poynting-Vektors, der die lokale Richtung des Energieflusses
und die Intensität der Strahlung angibt, steht senkrecht auf den Wellenfronten (E.-G.
Neumann u. H.-D. Rudolph, Electron. Lett. 10 (1974) 446-447; Poynting's vector and
the wavefronts near a plane conductor). Die Leistung fließt daher nur parallel zur
Leitungsachse.
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Nach der Erfindung soll durch den Effekt der Reflexion der Wellen
an einer Reflexionsfläche im Knickbereich eine möglichst verlustfreie Umlenkung
erfolgen. Diese erfindungsgemäße Lehre ist aber für den Fachmann aufgrund der bisherigen
Kenntnisse nicht zu erwarten gewesen. Zwar ist z. B. die Totalreflexion einer homogenen
ebenen Welle an einer ebenen Grenzfläche ein bekannter Effekt in der Optik, jedoch
bietet sich die Übertragung dieses Effektes auf das vorliegende Gebiet nicht ohne
weiteres an. Denn in dem Fall, daß in einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung
der Reflektor unmittelbar an beiden Leitungsabschnitten im Knick anliegt und eine
Reflexion der geführten Wellen erfolgt, durchdringt die einfallende Strahlwelle
den Kern des zweiten Leitungsabschnitts hinter dem Knick und die z. B. totalreflektierte
Strahlwelle durchdringt den Kern des ersten Leitungsabschnitts. Dies bewirkt eine
Störung der Ebenheit der Phasenfronten, d.h. es treten Beugungsverluste auf, so
daß der Fachmann grundsätzlich davon ausgehen muß, daß die erfindungsgemäße Anordnung
nicht geeignet ist, um geringste Abstrahlverluste zu gewährleisten, und somit eine
derartige Anordnung von vornherein ausgeschieden hat, was auch die bisher vorgeschlagenen,
viel aufwendigeren Maßnahmen des Standes der Technik beweisen. Überraschenderweise
hat sich nun das Gegenteil herausgestellt, und hierbei beruht die Erfindung auf
der Erkenntnis, daß der überwiegende Leistungsteil im Kern der dielektrischen Leitung
übertragen wird, so daß die Dämpfung durch Abstrahlung sehr gering bleibt, insbesondere
dann, wenn sich die Brechungsindizes von Kern und Mantel nur wenig unterscheiden.
Hierbei kommen
Brechungsindizes für den Kern von z.B. 1,5 und für
den Mantel von z.B. 1 bis 1,49 in Frage, wobei grundsätzlich gilt n2< n1 und
das Verhältnis (n1-n2)/n1 = 0,001 oder noch kleiner sein darf. Weiterhin ergibt
sich, daß die Störung durch den Kern der jeweils quer durchstrahlten Leitung um
so geringer ist, je mehr sich der Knickwinkel α einem rechten Winkel nähert.
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Auch wenn in einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung
die beiden Leitungsabschnitte vor dem Reflektor enden und die Reflexionsfläche mit
den Leitungsenden einen mit einem homogenen Medium gefüllten Raum einschließen,
war nicht zu erwarten, daß das erfindungsgemäße Reflexionsprinzip anwendbar ist.
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Denn beim Austritt der geführten Welle in das homogene Medium erfolgt
eine Aufweitung, d. h. Beugung der Strahlwelle, was aber zu einer Intensitätsverringerung
führt. Darüber hinaus soll möglichst beim Einkoppeln in dielektrische Leitungen
das einzukoppelnde Signal möglichst den gleichen Wellenverlauf, d. h. die gleiche
Wellenform aufweisen, wie die in der dielektrischen Leitung später geführte Welle.
Diese Bedingung ist aber beim Einkoppeln der freien aufgeweiteten Welle nach der
Reflexion an der im homogenen Medium liegenden Reflexionsfläche nicht mehr erfüllt,
so daß der Fachmann weitere Verluste erwarten muß. Aufgrund dieser insgesamt auftretenden
Verluste ist offensichtlich stets das Reflexionsprinzip von vornherein ausgeschlossen
worden.
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Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
4 bis 11 enthalten. Insgesamt wird durch die Erfindung sichergestellt, daß auch
bei einer abrupten Änderung der Ausbreitungsrichtung der
Strahlwelle
geringste Abstrahlverluste auftreten.
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Anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele
wird die Erfindung nun näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Prinzipansicht einer
erfindungsgemäß ausgestalteten geknickten dielektrischen Leitung in einem Körper
der integrierten Optik, Fig. 2 eine Aufsicht auf eine Ausführungsform eines Elementes
gemäß Fig. 1, Fig. 3 einen Schnitt entlang der Schnittlinie III-III in Fig. 2, Fig.
4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen dielektrischen Leitung, Fig.
5 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen dielektrischen Leitung.
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Das in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Prinzip zeigt den für
die Optik besonders wichtigen Fall, daß ein Reflektor 1 auf dem Prinzip der Totalreflexion
basiert. Dieser Reflektor ist die ebene Grenzfläche zwischen einem dielektrischen
Körper 2 mit der Brechzahl n2 und einem Medium mit einem kleinerenBrechungsindex
n, vorzugsweise Luft mit n=1, und verläuft senkrecht zu einer Winkelhalbierenden
3 des durch die Mittelachse M zweier gerader Leitungsabschnitte 4, 5 von dielektrischen
Leitungen gebildeten Winkels 180°-α , wobei an der Reflexionsfläche des Reflektors
1 eine Umlenkung der beispielsweise im Leitungsabschnitt 4 geführten Strahlwelle
erfolgt.
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α ist hierbei der Knickwinkel, der Null beträgt, wenn kein Knick
vorhanden Ist. Die dielektrischen Leitungsabschnitte 4,5 besitzen einen Kern 6 mit
der Brechzahl n1 und
einen Mantel 7, der von dem Körper 2 gebildet
wird, wobei gilt n2Cn1. n1. Im dargestellten Beispiel ist der Reflektor 1 als totalreflektierende
Grenzfläche ausgebildet. Die vorliegende Erfindung geht davon aus, daß sich die
Grundwelle einer dielektrischen Leitung ähnlich wie ein freier Gaußscher Strahl
verhält, so daß auch die Grundwelle an einer ebenen Grenzfläche Totalreflexion erleidet,
falls sich die Welle im Medium mit größerem Brechungsindex ausbreitet und fal]s
der Einfallswinkel # (Winkel zwischen der Achse der ankommenden Leitung und der
bereits erklärten Winkelhalbierenden) größer als der Grenzwinkel #c für Totalreflexion
ist (sin #c = 1/n1). Die Achse der totalreflektierten Strahlwelle bildet nach dem
Reflexionsgesetz mit der Winkelhalbierenden den gleichen Winkel #, ist aber wegen
des sogenannten Goos-Hänchen-Effektes (A. W. Snyder and J. D. Love, Appl. Opt. 15
(1976) 236-238: Goos-Hänchen shift) gegenüber einem an der Grenzfläche geometrisch
reflektierten Strahl um eine Strecke längs der Grenzfläche verschoben. Der Betrag
dieser Goos-Hänchen-Verschiebung läßt sich aus der Literatur entnehmen. Der Effekt
spielt insbesondere bei Werten des Einfallswinkels in der Nähe des kritischen Wertes
eine Rolle, d.h. für ###c. Unter Berücksichtigung dieses Goos-Hänchen-Effektes ist
die Reflektorfläche 1 in Richtung auf die Innenseite des Knickes derart verschoben,
daß die Achse des Leitungsabschnittes 5 mit der Achse der totalreflektierten Strahlwelle
zusammenfällt. Der Knickwinkel α hängt mit dem Einfallswinkel # in folgender
Weise zusammen:
= # - 2 # (1) Aus der Bedingung #c# # ##/2 (2)
folgt für die zulässigen Werte des Knickwinkels das Intervall: # # α # - 2#c.
(3) Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigen Fig. 2 und 3 mit einem 90°-Knick in
einer bündig versenkten Streifenleitung aus den Leitungsabschnitten 4, 5 der integrierten
Optik. Um den totalreflektierenden Reflektor 1 zu erzeugen, wird in die Oberfläche
des Substrats 2 ein luftgefüllter Graben 10 eingearbeitet, z. B. durch die Technik
des "Ion Milling". Die den Leitungen 4, 5 zugewandte Grabenwand dient als Reflexionsfläche,
wobei die Anordnung gemäß Fig. 1 ausgeführt ist. Die Oberfläche dieser Grabenwand
sollte möglichst plan sein und normal zur Oberfläche des Körpers 2 au:;gerichtet
sein. Die Grabentiefe muß der Feldausdehnung normal zur Substratoberfläche entsprechen.
Die Grabenbreite muß mindestens so groß gewählt werden, daß die Feldstärke der inhomogenen
Welle in Luft an der äußeren Grabenwand verschwindend klein ist. Für Betriebswellenlängen
um 1/um werden Werte der Grabentiefe und Grabenbreite von 10/um i.a. ausreichen.
Die Länge des Grabens ist so groß zu wählen, daß an seinen Enden die Feldstärken
der beiden Strahlwellen vernachlässigbar klein sind. Dies wird sicher der Fall sein,
wenn die
Grabenlänge gleich 10 wo/cos# gewählt wird.
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Falls man annimmt, daß der Brechungsindex n1 des dielektrischen Streifens
1,5 ist, errechnet sich der Grenzwinkel der Totalreflexion zu #c = 41,80. Damit
Totalreflexion sichergestellt ist, muß in dem gewählten Beispiel der Knickwinkel
α kleiner als 96,40 bleiben Als zweites Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 4 einen
Knick mit metallischem Reflektor 1, wobei funktionsgleiche Teile wie in Fig. 1 mit
denselben Bezugsziffern versehen sind. Diese Ausführung ist besonders für die Mikrowellentechnik
geeignet, in der eine dielektrische Leitung üblicherweise aus einem dielektrischen
Stab besteht, der von Luft umgeben ist. Da der Goos-Hänchen-Effekt bei der Reflexion
an einer Metallfläche nicht auftritt, muß der Schnittpunkt der Leitungsachsen auf
der Spiegeloberfläche liegen. Mit dieser Konstruktion sind beliebige Knickwinkel
zwischen 0° und 180° möglich.
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Bin ausgeführter 50°-Knick mit Messingreflektor zeigte bei der Frequenz
9 GHz eine Dämpfung von unter 1 Dezibel.
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Ohne Reflektor betrug die Dämpfung 11 dB. Die dielektrische Leitung
bestand aus einem rechteckigen Polyäthylenstab mit dem Querschnitt 10 mm x 12 mm.
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In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Leitung dargestellt, wobei die beiden Leitungsabschnitte 4, 5 vor dem Reflektor
1 enden und die Reflexionsfläche mit den Leitungsenden 4, 5 einen mit einem homogenen
Medium gefüllten Raum 11 einschließen. Das den Raum 11 ausfüllende Medium kann
aus
dem Kernmaterial der dielektrischen Leitungsabschnitte 4, 5 oder aber aus dem Mantelmaterial
bestehen. Die Anordnung des Reflektors 1 entspricht derjenigen, wie sie in Fig.
4 dargestellt ist, so daß sich die beiden Mittelachsen der Leitungsabschnitte 4,
5 auf der Reflektoroberfläche schneiden und der Reflektor selbst senkrecht zur Winkelhalbierenden
3 verläuft. Die Endflächen 12 der beiden Leitungsabschnitte 4, 5 bilden einen Schnittpunkt
13, der auf einer Randlinie liegt, wo die elektrische Feldstärke auf vorzugsweise
ca. -30dB abgeklungen ist, wozu es erforderlich ist, daß der Schnittpunkt 13 ca.
2wo von den beiden Leitungsachsen entfernt ist.
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