Was ist ein Wellenleiter?

Wellenleiter sind spezielle Strukturen, die elektromagnetische Wellen von einem Ort zum anderen leiten und häufig zum Verbinden von zwei oder mehr Komponenten für die Datenübertragung verwendet werden. Wellenleiter haben in der Regel einen rechteckigen oder kreisförmigen Querschnitt und leiten Mikrowellen, Funkwellen und Lichtwellen (optische Wellenleiter) mit geringem Verlust.

Viele Faktoren beeinflussen, wie sich verschiedene elektromagnetische Wellen durch Wellenleiter ausbreiten, darunter:

• Wellenleiterform
• Wellenleitergröße
• Eigenschaften der verwendeten Materialien, wie Steifigkeit oder Flexibilität

Wellenleiter werden oft mit Koaxialkabeln verwechselt, da beide Übertragungsleitungen zur Leitung elektromagnetischer Wellen sind. Die Struktur und die Ausbreitungsmethoden von Wellenleitern unterscheiden sich jedoch von Koaxialkabeln. Koaxialkabel verwenden zwei Leiter, die durch ein isolierendes Material getrennt sind, um elektromagnetische Wellen zu übertragen, während sich elektromagnetische Wellen innerhalb eines Wellenleiters bewegen und in einer Hohlstruktur ausbreiten, die verschiedene "Ausbreitungsmoden" unterstützt. Optische Wellenleiter verwenden den Unterschied des Brechungsindex zwischen zwei Materialien, um sicherzustellen, dass sich Lichtwellen an ihren vorgesehenen Zielort ausbreiten. Nicht-optische Wellenleiter, die in Anwendungen wie Mikrowellen verwendet werden, beschränken und leiten elektromagnetische Strahlung mithilfe von Impedanz oder Materialleitfähigkeit, um die Wellen zu leiten.

In diesem Artikel erklären wir ausführlich, was Wellenleiter sind und wie die verschiedenen Typen heute verwendet werden, mit einem Schwerpunkt auf optischen Wellenleitern.

Optische Wellenleiter transportieren Licht mit verschiedenen optischen Frequenzen – häufig im Infrarotbereich – und werden häufig zum Weiterleiten oder Steuern optischer Signale verwendet.

Die häufigste Art von optischen Wellenleitern sind Lichtwellenleiter, die in der optischen Kommunikation verwendet werden. Lichtwellenleiter bestehen in der Regel aus Quarzglas und verfügen über einen Kern mit hohem Brechungsindex und einer Ummantelung mit niedrigem Brechungsindex, um Licht durch den Leiter zu leiten.

Weniger üblich sind planare optische Wellenleiter. Diese werden als integrierte Wellenleiter bezeichnet, da der optische Wellenleiter auf Halbleiterchips wie Silizium auf Isolator, Galliumarsenid, Lithiumniobat oder Indiumphosphid erzeugt wird. Integrierte Wellenleiter können diverse Geometrien haben, darunter Rippen, Streifen, Mikrostreifen, geladene, invertierte Rippen und photonische Kristalle.

Photonische Kristalle sind ein aufkommender Bereich des optischen Wellenleiters, da sie sich anders verhalten als andere Wellenleiter. Statt das Licht durch den Brechungsindex des Wellenleiters zu leiten, wird das Licht durch die Musterung des photonischen Kristalls geleitet, da das Licht nicht durch den Kristall selbst fließen kann. Bestimmte Lichtwellenlängen werden durch die photonische Bandlücke des Kristalls blockiert, ähnlich wie bei Halbleitern. Photonische Kristalle sind im Wesentlichen "optische Halbleiter".

Es gibt viele Arten von Wellenleitern, einschließlich optischer Wellenleiter und Wellenleiter, die zur Leitung von Mikrowellen-, Hochfrequenz- (HF) und anderen elektromagnetischen Wellen verwendet werden.

Kreisförmige Wellenleiter

Kreisförmige Wellenleiter sind Hohlröhren, die hauptsächlich zur Leitung von Mikrowellen und Funkwellen in transversalelektrischen (TE) und transversalmagnetischen (TM) Moden verwendet werden. Die Wellen werden entlang eines kreisförmigen Pfads geleitet, oft über metallische Wellenleiter.

Diese Klasse von Wellenleitern wird häufig bei drahtloser Kommunikation, Mikrowellen-Backhaul und Radar verwendet.

Komplanare Wellenleiter

Komplanare Wellenleiter sind rechteckige Wellenleiter mit Leitern mit einem zentralen Leitstreifen und zwei Bezugserden, wobei sich alle Leiter auf derselben Seite eines Substratmaterials befinden (z. B. einer Leiterplatte). Komplanare Wellenleiter werden zur Leitung von Mikrowellen in Mikrowellengeräten, Millimeterwellenschaltungen und Monolithic Microwave Integrated Circuits (MMICs) verwendet.

Flexible Wellenleiter

Flexible Wellenleiter unterscheiden sich von anderen Wellenleitern, da sie sich verdrehen und biegen können, und so in enge Räume passen, was starre Wellenleiter nicht können. Flexible Wellenleiter bestehen aus Kupfer, Messing oder Aluminium mit einer flexiblen Außenschicht und können gewellte und spiralförmige Strukturen enthalten, um Flexibilität zu ermöglichen. Sie können jedoch auch zu Widerstand und Signaldämpfung im Wellenleiter führen.

Flexible Wellenleiter sind in drei Hauptformen erhältlich: verdrehbar, biegbar und flexibel verdrehbar. Sie werden hauptsächlich in Mikrowellenleitanwendungen in der Kommunikation und in der Raumfahrt eingesetzt.

Zero-Mode-Wellenleiter

Zero-Mode-Wellenleiter sind optische Wellenleiter, die Licht in kleine Volumina unterhalb der Wellenlänge von Licht leiten. Um diese Einengung zu erreichen, verwenden sie Strukturen im Nanobereich, wie winzige Öffnungen, die das optische Beobachtungsvolumen reduzieren.

Im Gegensatz zu anderen optischen Wellenleitern unterstützen Zero-Mode-Wellenleiter keine sich ausbreitenden optischen Moden und werden stattdessen in der Plasmonik, Quantenoptik und Einzelmolekül- oder Fluoreszenzbildgebung eingesetzt.

Dielektrische Wellenleiter

Dielektrische Wellenleiter sind die zylindrischen Wellenleiter, die zum Aufbau von Lichtwellenleitern und integrierten Wellenleitern verwendet werden. Dielektrische Wellenleiter haben einen Kern mit hohem Brechungsindex und eine Ummantelung mit niedrigem Brechungsindex. Die Lichtwellen breiten sich nach dem Prinzip der Totalreflexion aus: Wenn Licht versucht, von einem dichteren Medium in ein weniger dichteres Medium zu gelangen, wird es an der Materialschnittstelle wieder in das dichtere Medium reflektiert. Die geleiteten Wellen werden somit im Leiterkern eingeschlossen, was eine Übertragung über große Entfernungen mit geringem Verlust ermöglicht. Dielektrische Wellenleiter werden häufig zur optischen Kommunikation und für integrierte Optik verwendet.

Alle Wellenleiter übertragen elektromagnetische Wellen durch Moden. Bei optischen Wellenleitern bezieht sich die Mode auf die Form, die das Licht annimmt, wenn es sich durch den Wellenleiter bewegt. Kleinere Wellenleiter haben weniger Moden, größere Wellenleiter unterstützen jedoch mehr Ausbreitungsmoden. Bei optischen Moden ist ein konsistenter Querschnitt im gesamten Wellenleiter von entscheidender Bedeutung, da jede Änderung zu Streuung führen kann, die die Dämpfung (Signalverlust) innerhalb des Wellenleiters beeinflusst.

Transversalelektrische und transversalmagnetische Moden

Die transversalelektrische (TE) und der transversalmagnetische (TM) Mode sind zwei gängige Wellenleitermoden, die zur Ausbreitung von Mikrowellen verwendet werden. Eine Mode, die beide kombiniert, wird als TEM-Mode bezeichnet. Diese Moden können auch bei optischen Wellenleitern auftreten.

Sowohl TE-Moden als auch TM-Moden werden durch die Richtung des elektromagnetischen Feldes während der Ausbreitung definiert. Elektromagnetische Felder sind Vektoren, die zu einem bestimmten Zeitpunkt in eine bestimmte Richtung zeigen. Bei der TE-Mode ist das elektrische Feld transvers (senkrecht) zur Richtung der Wellenausbreitung (entweder horizontal oder vertikal). Bei der TM-Mode ist das Magnetfeld transvers zur Richtung der Ausbreitung. Optische Wellenleiter können Quasi-TE- und Quasi-TM-Moden verwenden, bei denen es sich um Näherungen von TE- oder TM-Moden handelt, im Gegensatz zur Mikrowellen- oder Radiowellenausbreitung.

Einmoden- im Vergleich zu Mehrmoden-Leitern

Bei Lichtwellenleitern kann sich Licht entweder in einer Mode oder in mehreren Moden ausbreiten. Einmoden-Leiter haben einen sehr kleinen Kern, während Mehrmoden-Leiter einen viel größeren Kern haben. Einmoden-Leiter werden in der Silizium-Photonik und der optischen Langstrecken-Kommunikation verwendet, da ihr kleinerer Kern eine geringere Anzahl von Moden unterstützt, wodurch Licht (und die darin enthaltenen Informationen) effizient über große Entfernungen übertragen werden kann. Aufgrund des kleineren Kerns ist es jedoch schwieriger, Licht in den Wellenleiter zu bringen. Spezielle Laser und optische Komponenten sind erforderlich, um das Licht in die Leiter zu pulsieren.

Mehrmoden-Leiter eignen sich nicht für Langstrecken-Telekommunikation, da die Anwesenheit von mehr als einer Mode dazu führt, dass die Lichtimpulse sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten fortbewegen und verteilen. Mehrmoden-Leiter eignen sich besser für Kommunikationsnetzwerke mit geringer Reichweite, z. B. LAN (Local Area Networks) und Rechenzentren.

Es gibt viele Anwendungen von Wellenleitern (sowohl optisch als auch nicht optisch), darunter:

• Optische Kommunikation (Telekommunikation)
• Photonische integrierte Schaltkreise (Photonic integrated circuits, PICs)
• Optische Sensoren
• Laser
• Interferometer
• Radar
• Mikrowellen- und HF-Kommunikation
• Leiterplatten
• Optische Schaltkreise
• Optische Sender
• Kommunikation im Terahertz-Bereich (THz)
• Mixed-Reality-Systeme wie Augmented Reality (AR) und Virtual Reality (VR), die größere Wellenleiter (Lichtleiter genannt) verwenden, die sich von herkömmlichen Wellenleitern unterscheiden

Optische Kommunikation

Optische Kommunikation ist einer der größten kommerziellen Anwendungsbereiche, in denen dielektrische Wellenleiter verwendet werden, um Licht von einem Ort zum anderen zu leiten und Informationen zwischen Systemen zu übertragen. Einmoden-Leiter werden für die Langstrecken-Kommunikation verwendet, während Mehrmoden-Leiter für die Kommunikation über kurze Entfernungen verwendet werden.

Halbleiterlaser erzeugen Lichtimpulse, die kodierte Informationen an den Leiter übertragen. Die Informationen werden im optischen Signal kodiert, entweder durch Modulation des Antriebsstroms des Lasers oder durch externe Modulatoren, die vom Laser getrennt sind. Die Welle wandert dann durch den Leiter, bis sie von einem Wellenleiter-Empfänger empfangen wird, der mit einer Fotodiode und einem Transimpedanzverstärker ausgestattet ist. Diese Empfänger verarbeiten optische Hochfrequenzsignale vom Leiter in ein elektrisches Signal, um Datenübertragung zu ermöglichen.

Die Materialeigenschaften des optischen Wellenleiters sind wichtig. Außerhalb der entsprechenden Brechungsindizes sind auch die Absorptionseigenschaften eines Materials wichtig, da zu hohe Lichtabsorption zu Signalverlusten führen kann. Aus diesem Grund sind Wellenleiter transparent und bestehen aus Glas oder durchsichtigem Kunststoff. Opake Ummantelungsmaterialien absorbieren zu viel Licht und verursachen eine übermäßige Dämpfung im Leiter.

Während der Großteil der optischen Kommunikation (z. B. Telekommunikation) Wellenleiter verwendet, werden sie nicht von allen optischen Kommunikationstechnologien benötigt. Ein Schlüsselbeispiel ist die optische Freiraumkommunikation, bei der Licht durch Luft (also Freiraum) ausgebreitet wird, um Daten zwischen Sender und Empfänger zu senden.

Photonische integrierte Schaltkreise

Optische Wellenleiter werden auch in photonischen integrierten Schaltkreisen (PICs) als "Drähte" des Schaltkreises verwendet. Sie übernehmen die Funktion herkömmlicher Drähte in elektronischen integrierten Schaltkreisen (ICs), aber sie übertragen Signale mit Licht statt mit Elektronen. Die Wellenleiter dienen zum Verbinden verschiedener Komponenten des PIC.

PICs werden oft mit Lichtwellenleitern gekoppelt, wobei Komponenten wie Linsen verwendet werden, um den Fokus des Lichts zu ändern, da Lichtwellenleiter eine viel größere Modengröße haben als PICs. Das Licht wird also auf einen kleineren Maßstab gebündelt, um Verluste zu reduzieren.

Es gibt viele PIC-Komponenten, die Wellenleiter verwenden. Dazu gehören:

• Splitter: teilen die Lichtwelle eines einzelnen Wellenleiters auf zwei Wellenleiter auf
• Koppler: koppeln die Lichtwellen von zwei verschiedenen Wellenleitern in einem einzelnen Wellenleiter
• Ringresonatoren: bestehen aus Kreisen oder Ovalen, die als Filter oder Modulatoren auf dem PIC verwendet werden können
• Spiralwellenleiter: verzögern das Signal im PIC
• Gitterkoppler: koppeln Licht vertikal vom Chip in und aus Lichtwellenleitern
• Optischer Schalter: ändert den Brechungsindex innerhalb eines Wellenleiters, um optische Signale durch den PIC zu steuern und weiterzuleiten

Optische Sensoren

Optische Wellenleiter sind in optischen Sensoren weit verbreitet. In der chemischen Sensorik erzeugen Gas- oder Flüssigmoleküle nachweisbare Reaktionen. Die Moleküle binden sich an den Wellenleiter oder stören ihn, wodurch sich der Brechungsindex im gesamten Wellenleiter ändert. Das kann dann gemessen und quantifiziert werden, um die zu untersuchende Chemikaliengruppe zu bestimmen. Andere gängige Anwendungen, die optische Wellenleiter verwenden, sind z. B. Lidar (light detection and ranging), Vision-Sensoren und faseroptische Sensoren.

Optische Wellenleiter werden mit folgenden Techniken hergestellt:

• Lithographie
• Nanostrukturierung
• Dünnschichtabscheidung
• Faserziehen
• Techniken des Direkt-Schreibens

Bei optischen integrierten Wellenleitern werden die Halbleiterchips mit denselben Halbleiterherstellungstechniken geschaffen, die auch bei der Herstellung herkömmlicher Chips mit integrierten Schaltkreisen verwendet werden. Dazu gehören:

• Photolithographie
• Plasmaätzen
• Reaktives Ionenätzen
• Chemische Gasphasenabscheidung
• Metallorganische chemische Gasphasenabscheidung
• Physikalische Gasphasenabscheidung
• Atomlagenabscheidung
• Molekularstrahlepitaxie

Genauigkeit beim Herstellungsprozess ist von entscheidender Bedeutung, da Oberflächenrauheit in einem Wellenleiter zu Streuung und optischen Verlusten führen kann. Wie bei jedem Halbleiter sind sowohl der Herstellungsprozess als auch die Umgebung entscheidend, um eine hohe Sensitivität zu erhalten und Kontaminationen zu verhindern.

Mit Mode-Solvern können Wellenleiter simuliert und ihre Moden vorhergesagt werden. Die Produktkollektion Ansys Lumerical unterstützt Techniker*innen bei der Simulation optischer Wellenleiter, und die Software zur Simulation von Hochfrequenz-Elektromagnetik Ansys HFSS kann für HF- und Mikrowellensimulationen verwendet werden. Simulation kann Techniker*innen helfen, Wellenleiter besser zu konstruieren, ohne dass sie viele Prototypen für Versuch und Irrtum benötigen.

Im Folgenden finden Sie Beispiele, was mit Simulationssoftware erreicht werden kann:

• Konstruieren verschiedener Arten von Wellenleitern, die aus verschiedenen Materialien und in verschiedenen Größen hergestellt werden
• Optimierung der X- und Y-Wellenleiterquerschnitte (z. B. Ausbreitung in Z-Richtung)
• Berechnen, welche Moden – TE-Mode, TM-Mode, Einmoden oder Mehrmoden in einem Wellenleiter verwendet werden
• Berechnung der Ausbreitungskonstante und des effektiven Index einer Wellenleiter-Mode, wenn das Licht durch den Wellenleiter wandert
• Berechnung des elektrischen Feldprofils eines Wellenleiters, einschließlich der X-, Y- und Z-Komponenten des Feldes
• Prüfen, ob sich ausbreitende Wellen Störungen haben werden
• Berechnung des potenziellen Verlusts, einschließlich der Verluste, die durch das Biegen von Wellenleitern entstehen können

Neben der Untersuchung der Eigenschaften von Wellenleitern können die Systeme, in die sie integriert sind, auch simuliert werden, um bessere integrierte Konstruktionen zu entwickeln.

So können Techniker*innen beispielsweise mithilfe von Simulationen Wellenleiter untersuchen, während sich Moden durch den Wellenleiter ausbreiten. Sie können sehen, wie sich das Licht an Splittern oder Kopplern verhält, um sicherzustellen, dass das Licht effizient gekoppelt oder gesplittet wird und Verluste innerhalb des gesamten optischen oder photonischen Systems minimiert werden.

Bei der Konstruktion optischer Schaltkreise können Techniker*innen auch Simulationen verwenden, um andere Komponenten zu analysieren und sicherzustellen, dass diese über die optimalen Eigenschaften, Funktionalitäten und Merkmale für die beabsichtigte Anwendung verfügen.

Setzen Sie sich noch heute mit dem technischen Team von Ansys in Verbindung, um zu erfahren, wie Simulation Ihnen bei der Konstruktion und Optimierung fortschrittlicher Wellenleiter helfen kann.

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