WO2003087903A1 - Arrangement for the targeted excitation of defect resonances in two and three-dimensional photonic crystals - Google Patents

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WO2003087903A1
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defect
shielding housing
waveguide
arrangement
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Norbert Klein
Michael Schuster
Daniel Parkot
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Forschungszentrum Jülich GmbH
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Definitions

  • the invention relates to an arrangement for the targeted adaptation of standard waveguides to defect structures in a photonic crystal.
  • a waveguide wave is coupled to certain types of defect waveguides within a photonic crystal structure arranged in a metallic shielding housing in a predetermined frequency interval with almost no reflection.
  • this arrangement excites defect resonances within the photonic crystal structure with a defined coupling strength.
  • the present invention relates to an arrangement for the targeted adaptation of standard waveguides to defect structures in a photonic crystal.
  • the present invention enables the almost reflection-free coupling of a waveguide wave to certain types of defect waveguides in a photonic crystal.
  • the present invention enables the coupling of defect resonances in a photonic crystal with a defined coupling strength.
  • photonic crystals are known as artificially produced material systems from a periodic arrangement of dielectric material and / or measurement tall. Either elements with a high dielectric constant ⁇ are in a background matrix with a low ⁇ or elements with a low ⁇ are in a matrix made of material with a high ⁇ .
  • This periodic arrangement leads to a band structure in the dispersion relation of electromagnetic waves in this photonic crystal, that is to say frequency ranges for which the propagation of electromagnetic waves in the photonic crystal is permitted, and regions for which the propagation of electromagnetic waves in the photonic crystal is prohibited [JD Joannopoulos et al. , Photonic Crystals, Princeton University Press (1995)]. At most, electromagnetic waves with frequencies from the forbidden bands are located at the edges or at defects. The frequency range in which the photonic band gaps exist is given by the
  • photonic crystals can be used as passive components for all frequency ranges between the microwave range and the range of optical wavelengths.
  • Removing or changing adjacent elements of the photonic crystal can serve as a defect waveguide, in which an electromagnetic wave with a frequency is guided out of the band gap of the photonic crystal.
  • a selective removal or modification of the grating elements can serve as a defect resonator in which an electromagnetic mode can exist in a localized manner.
  • Waveguides and defect resonators in photonic crystals represent a promising alternative to conventional passive elements based on microstrip lines, waveguides and dielectric waveguides Dar: Since the waves are essentially conducted in air, the line attenuation is lower or the quality is higher than with the conventional structures mentioned.
  • the possible application spectrum in the micro and millimeter wave range extends from resonators for particle acceleration to millimeter wave local oscillators with low phase noise (e.g. for radar systems, optical data transmission, directional radio) to 'integrated circuits for frequencies in the THz range.
  • the photonic crystal could also be coupled to a microstrip line using the same principle as that presented here; Furthermore, a transfer of the coupling technology to optical components with special dielectric waveguides and photonic crystals for the optical area is conceivable.
  • Fig. La shows a schematic cross section of the shielding housing according to claim 1 in the application example of a two-dimensional hexagonal photonic crystal according to claim 1 as a plan view.
  • Fig. Lb shows a calculation of transmission and reflection properties of the arrangement according to claim 1 in a certain frequency range (S u : reflection coefficient in dB, S 2 ⁇ transmission coefficient in dB).
  • Fig. Lc shows in a cross section through the shielding housing according to claim 1, the distribution of the electrical field of a waveguide shaft in the parts of the arrangement which are important for the coupling.
  • Fig. Id shows a schematic cross section of the shielding housing according to claim 1 in the application example of a three-dimensional photonic crystal with representation of the electric field of a traveling wave.
  • FIG. 2a shows a schematic cross section of the shielding housing according to claim 2 with integrated defect resonance and reference to the components of the photonic crystal which are important for the defined coupling of the resonance.
  • Fig. 2b shows a calculation of transmission properties of the arrangement according to claim 2, showing the influence of the coupling strength adjustable according to the invention for two different defect modes (S 2 ⁇ : see above).
  • the metallic shielding housing 1 is shown schematically in a top view in the application example of a two-dimensional photonic crystal. Also shown are the metallic waveguide 2 used for coupling external sources to the resonator. Inside the shielding housing 1 is the photonic crystal 3, which according to claim 3 consists of a periodic arrangement with e.g. B. consists of two-dimensional hexagonal lattice symmetry or three-dimensional lattice symmetry of dielectric or metallic rods.
  • a defect waveguide in the photonic crystal 4 which is formed according to claim 3 by interrupting the periodic structure by changing or removing a predetermined number of adjacent rows of rods.
  • the invention is not limited to a frequency range in which the coupling to external sources is realized by a metallic waveguide, but it can also be a coupling by means of a microstrip line or a miniaturized dielectric waveguide be adapted for optical frequencies.
  • FIG. 1b shows a calculation of the transmission and reflection properties of the structure shown schematically in FIG. La and shows that a broadband adaptation exists over the frequency range of the photonic crystal.
  • FIG. 1c shows three cross sections through the structure, the waveguide axis being perpendicular to the surface shown; the change in the field distribution of the electrical fields of a wave advancing from the waveguide into the photonic defect waveguide is shown in the transition region between the waveguide and the photonic waveguide ,
  • the invention works here in that the defect waveguide within the photonic crystal is adapted in terms of shape and size of the field distribution in the metallic waveguide.
  • FIG. 1d shows a top view of a schematic cross section of a metallic shielding housing 1 according to claim 1, in which a three-dimensional photonic crystal 2 is located as a further application example according to claim 3.
  • the distribution of the electric field of a wave advancing from a standard rectangular waveguide into a defect waveguide in the three-dimensional photonic crystal is shown.
  • the three-dimensional photonic crystal is provided by a layer structure of periodically arranged dielectric or metallic elements that form a two-dimensional lattice in each layer.
  • the defect waveguide is extended over at least one of these layers.
  • FIG. 2a shows a schematic cross section of the structure according to claims 2-4 as a plan view.
  • the metallic shield housing 1 is used for the purpose of coupling external high-frequency sources z. B. connected to a metallic waveguide 2.
  • a metallic waveguide 2 Depending on that desired frequency range, as well as a microstrip line or a dielectric waveguide.
  • a photonic crystal 3 with a defect waveguide 4.
  • the formation of a punctiform defect or also a defect that extends over several grating periods is shown in the photonic crystal. This is achieved by omitting lattice bars, but can also be produced by changing the material or shape of the elements forming the lattice in this area.
  • the shape of the defect can be hexagonal for reasons of symmetry with respect to the surrounding lattice, as shown in the application example of the two-dimensional photonic crystal, but other shapes such. B. rectangular are conceivable.
  • a defined coupling according to claim 4 is generated by the shown modified grating elements 5 of the photonic crystal in the region of the photonic grating between the defect waveguide and the defect resonance which is important for the strength of the coupling.
  • Figure 2b shows the calculated transmission behavior of the structure, represented by the transmission coefficient S 2 ⁇ in dB, with two defect resonances indicated by reference numerals 1 and 2 - not to be confused with the reference numerals in the other figures - according to claim 4, wherein the different curves show the different behavior of the structure in accordance with claim 4 changed lattice elements of the photonic crystal. It is shown that a narrow-band adaptation of the defect resonances can be achieved by varying the shape or size of the elements (FIGS. 2a, 5).
  • FIGS. 2c and 2d show the distribution of the intensity of the electric fields of modes that are in the defect resonator of the structure according to claim 4.
  • Figure 2c shows the basic or mono mode (Fig. 2b, 1)
  • Figure 2d shows a dipole mode (Fig. 2b, 2).
  • the shield housing described so far is part of an arrangement. Without restricting the invention, the arrangements according to claim 5 or 6 are also the subject of the present invention. In particular, it was recognized in the context of the invention that this is generally an arrangement which forms at least two waveguide sections to form a coupling element or coupling element for a shaft. These waveguide sections are connected to a shielding housing in which means for forming a photonic crystal are provided. It is conceivable that certain frequency inserts involve an arrangement of a plurality of parallel bars running in relation to one another. If the photonic crystal is to be used in the optical field, lithographic production of the photonic crystal is also conceivable.
  • the arrangement in the context of the invention has at least one defect structure within the housing.
  • This defect structure lies in the area that connects the two waveguide sections to one another.
  • these two waveguide sections were connected to the shielding housing in such a way that they had a common spatial Have axis.
  • Figure la it can be seen how the photonic crystal is not provided in this spatial area in the area of the shielding housing - practically to continue the two waveguide sections within the shielding housing.
  • the means for forming the photonic crystal indicated in FIG. 2a on the other hand (5) differ from the other means for forming the photonic crystal. It is possible to choose the means (5) different in shape, size or material from the other means for forming the photonic crystal. In this way, it was recognized in the context of the invention, the coupling strength of the incident wave can be adjusted via the coupling element into the shielding housing or from the shielding housing beyond the coupling element depending on requirements.
  • the arrangement according to the invention enables an adjustable and up to almost 100% coupling strength of radiated or radiated waves.
  • the coupling of the waveguide to such a shielding housing can be set to the desired boundary conditions in accordance with the desired coupling strength.

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Abstract

According to the invention, in a metallic shielded housing (1) comprising one or more wave guide couplings (2), a wave guide wave is coupled to certain types of defect wave guides within a photonic crystalline structure arranged in the shielded housing, at a predetermined interval frequency and in a manner which is almost free from reflection in order to form an arrangement for targeted excitation of defect resonance in two and three-dimensional photonic crystals. It can thus advantageous to excite a defect resonance inside the photonic crystal structure having a defined coupling strength. The photonic crystal can be produced lithographically.

Description

Beschreibung description
Anordnung zur gezielten Anregung von Defektresonanzen in zwei- und dreidimensionalen photonischen KristallenArrangement for the targeted excitation of defect resonances in two- and three-dimensional photonic crystals
Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung zur gezielten Anpassung von Standardhohlleitern an Defektstrukturen in einem photonischen Kristall. Dabei wird zum einen eine Hohlleiterwelle an bestimmte Typen von Defektwellenleitern innerhalb einer in einem metallischen Abschirmgehäuse angeordneten photonischen Kristallstruktur in einem vorgegebenen Frequenz-Intervall nahezu reflexionsfrei angekoppelt. Zum anderen werden mittels dieser Anordnung Defektresonan- zen innerhalb der photonischen Kristallstruktur mit defi- nierter Koppelstärke angeregt.The invention relates to an arrangement for the targeted adaptation of standard waveguides to defect structures in a photonic crystal. On the one hand, a waveguide wave is coupled to certain types of defect waveguides within a photonic crystal structure arranged in a metallic shielding housing in a predetermined frequency interval with almost no reflection. On the other hand, this arrangement excites defect resonances within the photonic crystal structure with a defined coupling strength.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur gezielten Anpassung von Standard-Hohlleitern an Defekt- Strukturen in einem photonischen Kristall.The present invention relates to an arrangement for the targeted adaptation of standard waveguides to defect structures in a photonic crystal.
Einerseits ermöglicht die vorliegende Erfindung die nahezu reflexionsfreie Ankopplung einer Hohlleiterwelle an bestimmte Typen von Defektwellenleitern in einem photonischen Kristall . Andererseits ermöglicht die vorliegende Erfindung die Ankopplung von Defektresonanzen in einem photonischen Kristall mit definierter Koppelstärke.On the one hand, the present invention enables the almost reflection-free coupling of a waveguide wave to certain types of defect waveguides in a photonic crystal. On the other hand, the present invention enables the coupling of defect resonances in a photonic crystal with a defined coupling strength.
Als Stand der Technik sind photonische Kristalle bekannt als künstlich hergestellte MaterialSysteme aus einer perio- dischen Anordnung von dielektrischem Material und/oder Me- tall. Dabei befinden sich entweder Elemente mit hoher Dielektrizitätszahl ε in einer Hintergrundmatrix mit niedrigem ε oder Elemente mit niedrigem ε in einer Matrix aus Material mit hohem ε. Diese periodische Anordnung führt zu einer Bandstruktur in der Dispersionsrelation von elektromagnetischen Wellen in diesem photonischen Kristall, also zu Frequenzbereichen, für die die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen im photonischen Kristall erlaubt ist, und Bereiche, für die die Ausbreitung elektromagnetischer Wel- len im photonischen Kristall verboten ist [J.D. Joannopou- los et al . , Photonic Crystals, Princeton University Press (1995)] . Elektromagnetische Wellen mit Frequenzen aus den verbotenen Bändern sind allenfalls an dessen Rändern oder an Defekten lokalisiert. Der Frequenzbereich, in dem die photonischen Bandlücken existieren ist gegeben durch dieAs state of the art, photonic crystals are known as artificially produced material systems from a periodic arrangement of dielectric material and / or measurement tall. Either elements with a high dielectric constant ε are in a background matrix with a low ε or elements with a low ε are in a matrix made of material with a high ε. This periodic arrangement leads to a band structure in the dispersion relation of electromagnetic waves in this photonic crystal, that is to say frequency ranges for which the propagation of electromagnetic waves in the photonic crystal is permitted, and regions for which the propagation of electromagnetic waves in the photonic crystal is prohibited [JD Joannopoulos et al. , Photonic Crystals, Princeton University Press (1995)]. At most, electromagnetic waves with frequencies from the forbidden bands are located at the edges or at defects. The frequency range in which the photonic band gaps exist is given by the
Periodizität der Anordnung, welche frei wählbar ist. Somit können photonische Kristalle als passive Bauelemente für alle Frequenzbereiche zwischen dem Mikrowellenbereich und dem Bereich optischer Wellenlängen genutzt werden. Ein Ent- fernen oder Verändern von benachbarten Elementen des photonischen Kristalls kann als Defektwellenleiter dienen, in dem eine elektromagnetische Welle mit einer Frequenz aus der Bandlücke des photonischen Kristalls geführt wird. Ein punktuelles Entfernen oder Verändern der Gitterelemente kann als Defektresonator dienen, in dem eine elektromagnetische Mode lokalisiert existieren kann.Periodicity of the arrangement, which is freely selectable. Thus, photonic crystals can be used as passive components for all frequency ranges between the microwave range and the range of optical wavelengths. Removing or changing adjacent elements of the photonic crystal can serve as a defect waveguide, in which an electromagnetic wave with a frequency is guided out of the band gap of the photonic crystal. A selective removal or modification of the grating elements can serve as a defect resonator in which an electromagnetic mode can exist in a localized manner.
Wellenleiter und Defektresonatoren in photonischen Kristallen stellen eine vielversprechende Alternative zu bisher gängigen passiven Elementen auf der Basis von Mikrostrei- fenleitungen, Hohlleitern und dielektrischen Wellenleitern dar: Da die Wellen im wesentlichen in Luft geführt werden, sind die Leitungsdämpfungen geringer bzw. die Güten höher als bei den erwähnten konventionellen Strukturen. Das mögliche AnwendungsSpektrum im Mikro- und Millimeterwellenbereich reicht von Resonatoren zur Teilchenbeschleunigung über Millimeterwellen-Lokaloszillatoren mit geringem Phasenrauschen (z. B. für Radarsysteme, optische Datenübertragung, Richtfunk) bis hin zu ' integrierten Schaltungen für Frequenzen im THz-Bereich.Waveguides and defect resonators in photonic crystals represent a promising alternative to conventional passive elements based on microstrip lines, waveguides and dielectric waveguides Dar: Since the waves are essentially conducted in air, the line attenuation is lower or the quality is higher than with the conventional structures mentioned. The possible application spectrum in the micro and millimeter wave range extends from resonators for particle acceleration to millimeter wave local oscillators with low phase noise (e.g. for radar systems, optical data transmission, directional radio) to 'integrated circuits for frequencies in the THz range.
Nach dem gleichen Prinzip wie dem hier vorgestellten könnte auch eine Ankopplung des photonischen Kristalls an eine Mikrostreifenleitung realisiert werden; weiterhin ist eine Übertragung der Ankoppeltechnik auf optische Bauteile mit speziellen dielektrischen Wellenleitern und photonischen Kristallen für den optischen Bereich denkbar.The photonic crystal could also be coupled to a microstrip line using the same principle as that presented here; Furthermore, a transfer of the coupling technology to optical components with special dielectric waveguides and photonic crystals for the optical area is conceivable.
Kurzbeschreibung der FigurenBrief description of the figures
Fig. la zeigt einen schematischen Querschnitt des Abschirmgehäuses gemäß Anspruch 1 im Anwendungsbeispiel eines zwei- dimensionalen hexagonalen photonischen Kristalls gemäß Anspruch 1 als Draufsicht .Fig. La shows a schematic cross section of the shielding housing according to claim 1 in the application example of a two-dimensional hexagonal photonic crystal according to claim 1 as a plan view.
Fig. lb zeigt eine Berechnung von Transmissions- und Reflexionseigenschaften der Anordnung gemäß Anspruch 1 in einem bestimmten Frequenzbereich (Su: Reflexionskoeffizient in dB, S2ι- Transmissionskoeffizient in dB). Fig. lc zeigt in einem Querschnitt durch das Abschirmgehäuse gemäß Anspruch 1 die Verteilung des elektrischen Feldes einer Hohlleiterwelle in den für die Ankopplung wichtigen Teilen der Anordnung.Fig. Lb shows a calculation of transmission and reflection properties of the arrangement according to claim 1 in a certain frequency range (S u : reflection coefficient in dB, S 2 ι transmission coefficient in dB). Fig. Lc shows in a cross section through the shielding housing according to claim 1, the distribution of the electrical field of a waveguide shaft in the parts of the arrangement which are important for the coupling.
Fig. Id zeigt einen schematischen Querschnitt des Abschirmgehäuses gemäß Anspruch 1 im Anwendungsbeispiel eines dreidimensionalen photonischen Kristalls mit Darstellung des elektrischen Feldes einer fortschreitenden Welle.Fig. Id shows a schematic cross section of the shielding housing according to claim 1 in the application example of a three-dimensional photonic crystal with representation of the electric field of a traveling wave.
Fig. 2a zeigt einen schematischen Querschnitt des Abschirmgehäuses gemäß Anspruch 2 mit integrierter Defektresonanz und Hinweis auf die zur definierten Ankopplung der Resonanz wichtigen Komponenten des photonischen Kristalls.2a shows a schematic cross section of the shielding housing according to claim 2 with integrated defect resonance and reference to the components of the photonic crystal which are important for the defined coupling of the resonance.
Fig. 2b zeigt eine Berechnung von Transmissionseigenschaften der Anordnung gemäß Anspruch 2 mit Darstellung des Einflusses der gemäß der Erfindung einstellbaren Koppelstärke für zwei verschiedene Defektmoden (S2ι: siehe oben).Fig. 2b shows a calculation of transmission properties of the arrangement according to claim 2, showing the influence of the coupling strength adjustable according to the invention for two different defect modes (S 2ι : see above).
Fig. 2c zeigt eine Verteilung der Intensität des elektrischen Feldes einer Monomode als Defektresonanz in der Anordnung gemäß Anspruch 2 und 4.2c shows a distribution of the intensity of the electric field of a single mode as a defect resonance in the arrangement according to claims 2 and 4.
Fig. 2d zeigt eine Verteilung der Intensität des elektrischen Feldes einer dualen Mode als Defektresonanz in der Anordnung gemäß Anspruch 2 und 4. Erläuterung der Erfindung2d shows a distribution of the intensity of the electric field of a dual mode as defect resonance in the arrangement according to claims 2 and 4. Explanation of the invention
In Fig. la ist das metallische Abschirmgehäuse 1 laut Anspruch 1 im Anwendungsbeispiel eines zweidimensionalen pho- tonischen Kristalls schematisch in einer Draufsicht gezeigt. Dargestellt sind außerdem die zur Ankopplung von äußeren Quellen an den Resonator verwendeten metallischen Hohlleiter 2. Innerhalb des Abschirmgehäuses 1 befindet sich der photonische Kristall 3, der gemäß Anspruch 3 aus einer periodischen Anordnung mit z. B. zweidimensionaler hexagonaler Gittersymmetrie oder dreidimensionaler Gittersymmetrie von dielektrischen oder metallischen Stäben besteht .In Fig. La, the metallic shielding housing 1 is shown schematically in a top view in the application example of a two-dimensional photonic crystal. Also shown are the metallic waveguide 2 used for coupling external sources to the resonator. Inside the shielding housing 1 is the photonic crystal 3, which according to claim 3 consists of a periodic arrangement with e.g. B. consists of two-dimensional hexagonal lattice symmetry or three-dimensional lattice symmetry of dielectric or metallic rods.
Ebenfalls dargestellt in Fig. la ist ein Defektwellenleiter im photonischen Kristall 4, welcher gemäß Anspruch 3 durch Unterbrechung der periodischen Struktur durch Verändern oder Entfernen einer vorbestimmten Anzahl nebeneinander liegender Stabreihen gebildet wird. Die Erfindung ist in Bezug auf die Größenordnung der Strukturen nicht auf einen Frequenzbereich festgelegt, in dem die Ankopplung an äußere Quellen durch einen metallischen Hohlleiter realisiert wird, sondern es kann auch eine Ankopplung durch eine Mik- rostreifen-Leitung oder einen miniaturisierten dielektri- sehen Wellenleiter für optische Frequenzen angepaßt werden.Also shown in Fig. La is a defect waveguide in the photonic crystal 4, which is formed according to claim 3 by interrupting the periodic structure by changing or removing a predetermined number of adjacent rows of rods. With regard to the order of magnitude of the structures, the invention is not limited to a frequency range in which the coupling to external sources is realized by a metallic waveguide, but it can also be a coupling by means of a microstrip line or a miniaturized dielectric waveguide be adapted for optical frequencies.
Figur lb zeigt eine Berechnung von Transmissions- und Reflexionseigenschaften der in Fig. la schematisch dargestellten Struktur und zeigt, daß eine breitbandige Anpas- sung über den Frequenzbereich des photonischen Kristalls existiert . Figur lc zeigt drei Querschnitte durch die Struktur, wobei die Hohlleiterachse senkrecht auf der dargestellten Fläche steht, es wird die Änderung der Feldverteilung der elektri- sehen Felder einer vom Hohlleiter in den photonischen Defektwellenleiter fortschreitenden Welle im Übergangsbereich zwischen Hohlleiter und photonischen Wellenleiter gemäß Anspruch 1 dargestellt. Die Erfindung wirkt hier dahingehend, daß der Defektwellenleiter innerhalb des photonischen Kris- talls in Bezug auf Form und Größe der Feldverteilung im metallischen Hohlleiter angepaßt ist.FIG. 1b shows a calculation of the transmission and reflection properties of the structure shown schematically in FIG. La and shows that a broadband adaptation exists over the frequency range of the photonic crystal. FIG. 1c shows three cross sections through the structure, the waveguide axis being perpendicular to the surface shown; the change in the field distribution of the electrical fields of a wave advancing from the waveguide into the photonic defect waveguide is shown in the transition region between the waveguide and the photonic waveguide , The invention works here in that the defect waveguide within the photonic crystal is adapted in terms of shape and size of the field distribution in the metallic waveguide.
Figur ld zeigt als Draufsicht einen schematischen Querschnitt eines metallischen Abschirmgehäuses 1 gemäß An- spruch 1, in dem sich als weiteres Anwendungsbeispiel ge- mäss Anspruch 3 ein dreidimensionaler photonischer Kristall 2 befindet. Es ist dargestellt die Verteilung des elektrischen Feldes einer von einem Standard-Rechteckhohlleiter in einen Defektwellenleiter im dreidimensionalen photonischen Kristall fortschreitenden Welle. Der dreidimensionale photonische Kristall ist dabei durch eine Schichtstruktur aus periodisch angeordneten dielektrischen oder metallischen Elementen gegeben, die in jeder Schicht ein zweidimensiona- les Gitter bilden. Der Defektwellenleiter ist über mindes- tens eine dieser Schichten ausgedehnt .FIG. 1d shows a top view of a schematic cross section of a metallic shielding housing 1 according to claim 1, in which a three-dimensional photonic crystal 2 is located as a further application example according to claim 3. The distribution of the electric field of a wave advancing from a standard rectangular waveguide into a defect waveguide in the three-dimensional photonic crystal is shown. The three-dimensional photonic crystal is provided by a layer structure of periodically arranged dielectric or metallic elements that form a two-dimensional lattice in each layer. The defect waveguide is extended over at least one of these layers.
Figur 2a zeigt in einem schematischen Querschnitt die Struktur gemäß den Ansprüchen 2-4 als Draufsicht. Das metallische Abschirmgehäuse 1 ist zum Zwecke der Ankopplung äußerer Hochfrequenzquellen z. B. mit einem metallischen Hohlleiter 2 verbunden. Dies kann, in Abhängigkeit von dem erwünschten Frequenzbereich, ebenso eine Mikrostreifenlei- tung oder ein dielektrischer Wellenleiter sein. Dargestellt ist weiterhin, wie bereits der Beschreibung zu Fig. la zu entnehmen, ein photonischer Kristall 3 mit einem Defektwel- lenleiter 4. Des weiteren ist die Ausbildung eines punktu- ellen oder auch über mehrere Gitterperioden ausgedehnten Defektes gemäss Anspruch 2 im photonischen Kristall dargestellt. Dieser wird durch Weglassen von Gitterstäben realisiert, kann aber auch durch Verändern von Material oder Form der das Gitter in diesem Bereich bildenden Elemente erzeugt werden. Die Form des Defektes kann aus Symmetriegründen in Bezug auf das umgebende Gitter hexagonal sein, wie im Anwendungsbeispiel des zweidimensionalen photonischen Kristalls gezeigt, aber andere Formen wie z. B. rechteckig sind denkbar. Eine definierte Kopplung gemäß Anspruch 4 wird erzeugt durch die abgebildeten veränderten Gitterelemente 5 des photonischen Kristalls im für die Stärke der Kopplung wichtigen Bereich des photonischen Gitters zwischen Defektwellenleiter und Defektresonanz.Figure 2a shows a schematic cross section of the structure according to claims 2-4 as a plan view. The metallic shield housing 1 is used for the purpose of coupling external high-frequency sources z. B. connected to a metallic waveguide 2. Depending on that desired frequency range, as well as a microstrip line or a dielectric waveguide. Also shown, as can already be seen from the description of FIG. 1 a, is a photonic crystal 3 with a defect waveguide 4. Furthermore, the formation of a punctiform defect or also a defect that extends over several grating periods is shown in the photonic crystal. This is achieved by omitting lattice bars, but can also be produced by changing the material or shape of the elements forming the lattice in this area. The shape of the defect can be hexagonal for reasons of symmetry with respect to the surrounding lattice, as shown in the application example of the two-dimensional photonic crystal, but other shapes such. B. rectangular are conceivable. A defined coupling according to claim 4 is generated by the shown modified grating elements 5 of the photonic crystal in the region of the photonic grating between the defect waveguide and the defect resonance which is important for the strength of the coupling.
Figur 2b zeigt das berechnete Transmissionsverhalten der Struktur, dargestellt durch den Transmissionskoeffizienten S2ι in dB, mit zwei Defektresonanzen angedeutet mit Bezugs- Ziffer 1 und 2 - nicht zu verwechseln mit den Bezugsziffern in den anderen Figuren - gemäß Anspruch 4 , wobei die verschiedenen Kurven das unterschiedliche Verhalten der Struktur bei laut Anspruch 4 veränderten Gitterelementen des photonischen Kristalls zeigen. Es wird gezeigt, dass eine schmalbandige Anpassung der Defektresonanzen durch eine Va- riation der Form bzw. Größe der Elemente (Fig. 2a, 5) erreicht werden kann. Die Figuren 2c und 2d zeigen die Verteilung der Intensität der elektrischen Felder von Moden, die sich in dem Defektresonator der Struktur gemäß Anspruch 4 aufhalten. Fi- gur 2c zeigt dabei die Grund- oder Monomode (Fig. 2b, 1) , Figur 2d zeigt eine Dipol-Mode (Fig. 2b, 2) .Figure 2b shows the calculated transmission behavior of the structure, represented by the transmission coefficient S 2 ι in dB, with two defect resonances indicated by reference numerals 1 and 2 - not to be confused with the reference numerals in the other figures - according to claim 4, wherein the different curves show the different behavior of the structure in accordance with claim 4 changed lattice elements of the photonic crystal. It is shown that a narrow-band adaptation of the defect resonances can be achieved by varying the shape or size of the elements (FIGS. 2a, 5). FIGS. 2c and 2d show the distribution of the intensity of the electric fields of modes that are in the defect resonator of the structure according to claim 4. Figure 2c shows the basic or mono mode (Fig. 2b, 1), Figure 2d shows a dipole mode (Fig. 2b, 2).
Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin vorstellbar, daß das bisher beschriebene Abschirmgehäuse Bestandteil einer Anordnung ist . Ohne Einschränkung der Erfindung sind auch die Anordnungen gemäß Patentanspruch 5 oder 6 Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Insbesondere wurde im Rahmen der Erfindung erkannt, daß es sich dabei allgemein um eine Anordnung, die wenigstens zwei Wellenleiterabschnitte zur Bildung eines Ankopplungselement bzw. Auskopplungselementes für eine Welle bildet, handelt. Diese Wellenleiterabschnitte sind verbunden mit einem Abschirmgehäuse, in dem Mittel zur Bildung eines photonischen Kristalls vorgesehen sind. Dabei ist es vorstellbar, daß es sich bei bestimmten Fre- quenzeinsätzen um eine Anordnung von mehreren zueinander verlaufenden parallelen Stäben handelt. Soweit der photonische Kristall im optischen Bereich Einsatz finden soll, ist dabei auch eine lithographische Herstellung des photonischen Kristalls vorstellbar. Außerdem weist die Anordnung im Rahmen der Erfindung wenigstens eine Defektstruktur innerhalb des Gehäuses auf. Diese Defektstruktur liegt in dem Bereich, der die beiden Wellenleiterabschnitte miteinander verbindet. Für die in der Abbildung la oder Abbildung 2a gewählte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung, wurden diese beiden Wellenleiterabschnitte so mit dem Abschirmgehäuse verbunden, daß sie eine gemeinsame räumliche Achse aufweisen. In der in Abbildung la dargestellten Ausführungsform ist erkennbar, wie im Bereich des Abschirmgehäuses - praktisch zur Fortsetzung der beiden Wellenleiterabschnitte innerhalb des Abschirmgehäuses - der photonische Kristall in diesem räumlichen Bereich nicht vorgesehen ist. Alternativ ist vorstellbar, wie in Abbildung 2a dargestellt, zur Bildung eines Defektresonators in diesem besagten Bereich zwischen den beiden Wellenleiterabschnitten den photonischen Kristall teilweise auszubilden und zumindest innerhalb der photonischen Kristallstruktur einen Bereich vorzusehen, in dem wenigstens ein Mittel oder mehrere Mittel zur Bildung des photonischen Kristalls fehlen, wie beansprucht in Patentanspruch 9. Auf diese Weise wird im Bereich 4 ein definierter Defektresonator innerhalb der pho- tonischen Kristallstruktur gebildet.In the context of the invention, it is also conceivable that the shield housing described so far is part of an arrangement. Without restricting the invention, the arrangements according to claim 5 or 6 are also the subject of the present invention. In particular, it was recognized in the context of the invention that this is generally an arrangement which forms at least two waveguide sections to form a coupling element or coupling element for a shaft. These waveguide sections are connected to a shielding housing in which means for forming a photonic crystal are provided. It is conceivable that certain frequency inserts involve an arrangement of a plurality of parallel bars running in relation to one another. If the photonic crystal is to be used in the optical field, lithographic production of the photonic crystal is also conceivable. In addition, the arrangement in the context of the invention has at least one defect structure within the housing. This defect structure lies in the area that connects the two waveguide sections to one another. For the embodiment of the arrangement according to the invention chosen in FIG. 1a or 2a, these two waveguide sections were connected to the shielding housing in such a way that they had a common spatial Have axis. In the embodiment shown in Figure la it can be seen how the photonic crystal is not provided in this spatial area in the area of the shielding housing - practically to continue the two waveguide sections within the shielding housing. Alternatively, as shown in Figure 2a, it is conceivable to partially form the photonic crystal to form a defect resonator in said area between the two waveguide sections and to provide at least within the photonic crystal structure an area in which at least one or more means for forming the photonic crystal are missing, as claimed in claim 9. In this way, a defined defect resonator is formed in region 4 within the photonic crystal structure.
Sodann ist es vorstellbar, in diesem Falle gemäß Patentanspruch 10 den photonischen Kristall in Richtung einer oder beider Wellenleiterabschnitte dahingehend zu modifizieren, daß einerseits ein Teil der Mittel zur Bildung des photonischen Kristalls fehlen, andererseits die in der Abbildung 2a angedeuteten Mittel zur Bildung des photonischen Kristalls (5) sich von den übrigen Mitteln zur Bildung des photonischen Kristalls unterscheiden. Hierbei ist es möglich, die Mittel (5) in Form, Größe oder Material unterschiedlich zu den übrigen Mitteln zur Bildung des photonischen Kristalls zu wählen. Auf diese Weise, so wurde im Rahmen der Erfindung erkannt, läßt sich die Kopplungsstärke der eingestrahlten Welle über das Ankopplungselement in das Ab- schirmgehäuse hinein bzw. vom Abschirmgehäuse über das Aus- kopplungselement hinaus je nach Anforderungen einstellen. Anders als im Rahmen des Standes der Technik mit Hilfe von Antennen, bei der eine eingestrahlte Welle auf einen photonischen Kristall nur zu einem geringen Bruchteil eingekoppelt werden konnte, ermöglicht die erfindungsgemäße Anord- nung mit den insbesondere im Patentanspruch 10 beschriebenen Merkmalen eine einstellbare und bis hin zu nahezu 100 %igen Ankopplungsstärke eingestrahlter bzw. ausgestrahlter Wellen. Auf diese Weise kann die Ankopplung des Hohlleiters an ein solches Abschirmgeh use den gewünschten Randbedingungen entsprechend der gewünschten Kopplungsstärke eingestellt werden.Then it is conceivable in this case to modify the photonic crystal in the direction of one or both waveguide sections in such a way that part of the means for forming the photonic crystal is missing on the one hand, and the means for forming the photonic crystal indicated in FIG. 2a on the other hand (5) differ from the other means for forming the photonic crystal. It is possible to choose the means (5) different in shape, size or material from the other means for forming the photonic crystal. In this way, it was recognized in the context of the invention, the coupling strength of the incident wave can be adjusted via the coupling element into the shielding housing or from the shielding housing beyond the coupling element depending on requirements. Unlike in the context of the prior art with the aid of antennas, in which an incident wave could only be coupled onto a photonic crystal to a small fraction, the arrangement according to the invention with the features described in particular in claim 10 enables an adjustable and up to almost 100% coupling strength of radiated or radiated waves. In this way, the coupling of the waveguide to such a shielding housing can be set to the desired boundary conditions in accordance with the desired coupling strength.
Im übrigen können ohne Einschränkung der Erfindung weitere Wellenleiterabschnitte, die in das Abschirmgehäuse münden, vorgesehen sein. Otherwise, further waveguide sections which open into the shielding housing can be provided without restricting the invention.

Claims

Patentansprüche claims
1. Metallisches Abschirmgehäuse (1) mit einer oder mehre- ren Hohlleiterankopplungen (2) , dadurch gekennzeichnet, daß eine Hohlleiterwelle an bestimmte Typen von Defektwellenleitern innerhalb einer im Abschirmgehäuse angeordneten photonischen Kristallstruktur in einem vorgegebe- nen Frequenzintervall nahezu reflexionsfrei angekoppelt werden kann.1. Metallic shielding housing (1) with one or more waveguide couplings (2), characterized in that a waveguide shaft can be coupled to certain types of defect waveguides within a photonic crystal structure arranged in the shielding housing in a predetermined frequency interval with almost no reflection.
2. Abschirmgehäuse gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Defektresonanz innerhalb der photonischen Kristallstruktur mit definierter Koppelstärke angeregt werden kann.2. Shielding housing according to claim 1, characterized in that a defect resonance within the photonic crystal structure can be excited with a defined coupling strength.
3. Abschirmgehäuse gemäß Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß durch direkte Ankopplung eines Standard- Rechteckhohlleiters an einen Defektwellenleiter, der durch die Unterbrechung der periodischen Struktur durch Verändern (4) oder Entfernen einer vorbestimmten Anzahl nebeneinander liegender Stabreihen gebildet wird, eine nahezu reflexionsfreie Wellenanpassung für Frequenzen innerhalb der photonischen Bandlücke erzielt wird.3. Shielding housing according to claim 1 or 2, characterized in that an almost reflection-free by direct coupling of a standard rectangular waveguide to a defect waveguide, which is formed by the interruption of the periodic structure by changing (4) or removing a predetermined number of adjacent rows of rods Wave matching for frequencies within the photonic band gap is achieved.
4. Abschirmgehäuse gemäß einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß4. shielding housing according to one of claims 1-3, characterized in that
Defektresonanzen im photonischen Kristall (4) durch An- derung von Form, Größe (5) oder Material der den Übergangsbereich zwischen Defektwellenleiter und Defektresonator bildenden Gitterstäbe mit gezielter Koppelstärke angeregt werden können.Defect resonances in the photonic crystal (4) due to Change in shape, size (5) or material of the grating bars forming the transition region between the defect waveguide and the defect resonator can be excited with a specific coupling strength.
5. Anordnung mit5. Arrangement with
- wenigstens zwei Wellenleiterabschnitten (2) als An- bzw. Auskopplungselement, einer oder mehrerer Wellen, - verbunden mit einem Abschirmgehäuse, in dem Mittel (3) zur Bildung eines photonischen Kristalls vorgesehen sind, und wenigstens eine Defektstruktur innerhalb des Abschirmgehäuses im Bereich (4, 5) der die beiden Wel- lenleiterabschnitte (2) miteinander räumlich verbindet.- at least two waveguide sections (2) as a coupling or decoupling element, one or more waves, - connected to a shielding housing, in which means (3) are provided for forming a photonic crystal, and at least one defect structure within the shielding housing in the area (4 , 5) which spatially connects the two waveguide sections (2).
6. Anordnung mit wenigstens zwei Wellenleiterabschnitten (2) als An- bzw. Auskopplungselement, einer oder mehrerer Wellen,6. Arrangement with at least two waveguide sections (2) as coupling or decoupling element, one or more waves,
- verbunden mit einem Abschirmgehäuse gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, in dem Mittel (3) zur Bildung eines photonischen Kristalls vorgesehen sind, und - wenigstens eine Defektstruktur innerhalb des Abschirmgehäuses im Bereich (4, 5) der die beiden Wellenleiterabschnitte (2) miteinander räumlich verbindet. - Connected to a shielding housing according to one of claims 1 to 4, in which means (3) are provided for forming a photonic crystal, and - at least one defect structure within the shielding housing in the region (4, 5) of the two waveguide sections (2) with one another spatially connects.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei zwei oder die zwei Wellenleiterabschnitte räumlich so zum Abschirmgehäuse angeordnet sind, daß sie eine gemeinsame Orientierungsachse aufweisen, und - der photonische Kristall im Abschirmgehäuse so orientiert ist, daß wenigstens einer der periodischen Hauptachse des photonischen Kristalls parallel zur Orientierung der Wellenleiterabschnitte verläuft.7. Arrangement according to one of claims 5 or 6, wherein two or the two waveguide sections are spatially arranged to the shield housing that they have a common orientation axis, and - the photonic crystal in the shield housing is oriented so that at least one of the periodic main axis of the photonic Crystal runs parallel to the orientation of the waveguide sections.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7 mit einem „photonischen Kristall"- freien Bereich innerhalb des Abschirmgehäuses zwischen den beiden Wellenleiterabschnitten zur Bildung einer Defektstruktur.8. Arrangement according to one of claims 5 to 7 with a "photonic crystal" - free area within the shielding housing between the two waveguide sections to form a defect structure.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7 mit einem9. Arrangement according to one of claims 5 to 7 with a
„photonischen „Kristall"- freien Bereich innerhalb des Bereichs zwischen zwei Wellenleiterabschnitten innerhalb des Abschirmgehäuses, umgeben von Mitteln zur Bildung des photonischen Kristalls zur Bildung eines De- fektresonators ."Photonic" crystal "- free area within the area between two waveguide sections within the shielding housing, surrounded by means for forming the photonic crystal for forming a defect resonator.
10. Anordnung nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich des photonischen Kristalls in Richtung we- nigstens eines der beiden Wellenleiterabschnitte Mittel zur Bildung des photonischen Kristalls aufweist, die sich von dem übrigen Mittel zur Bildung des photonischen Kristalls im Abschirmgehäuse unterscheiden. 10. Arrangement according to claim 9, characterized in that the region of the photonic crystal in the direction of at least one of the two waveguide sections has means for forming the photonic crystal which differ from the other means for forming the photonic crystal in the shielding housing.
1. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit einem wenigstens oberhalb und unterhalb des photonischen Kristalls metallischen Abschirmgehäuse. 1. Arrangement according to one of claims 1 to 10 with an at least above and below the photonic crystal metallic shielding housing.
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