Особенности линии передачи на основе диэлектрических волноводов

ПРЕДИСЛОВИЕ

В пособии рассматриваются вопросы математического моделирования и расчета диэлектрических волноводов (ДВ) с поверхностными электромагнитными волнами. Диэлектрические волноводы представляют собой одну из основных линий передачи в миллиметровом и оптическом диапазоне волн, а так же элементную базу для устройств этих диапазонов.

Последовательно рассмотрены особенности линии передачи на основе диэлектрических волноводов и их применение в волоконно-оптических линиях связи и в устройствах интегральной оптики.

В качестве базовой модели ДВ выбран планарный диэлектрический волновод. Во-первых, он представляет самостоятельный практический интерес. Во-вторых, при переходе от планарного к более сложным ДВ качественная картина волновых процессов сохраняются, изменяются лишь определенные (часто незначительные) количественные характеристики. В-третьих, планарный ДВ относительно просто анализируется как методом лучевой оптики, так и с помощью строгого решения уравнений Максвелла. При выполнении курсового проекта для определения структуры поверхностных электромагнитных волн, постоянной распространения, фазовой скорости и длины волны в ДВ студент осваивает на конкретном примере базовые понятия электродинамики: уравнения Максвелла, граничные условия, волновые уравнения и их решение, E–и H-волны, характеристические уравнения, переносимую по ДВ средняя мощность отдельной волной и т.п.

Планарный диэлектрический волновод на металлической подложке и H-образнная металлодиэлектрическая линия передачи рассматриваются как разновидность планарного диэлектрического волновода.

Основная цель пособия – стимулировать самостоятельную работу студентов. Для этого наряду с теорией приводятся задания, позволяющие закрепить пройденный материал. В конце пособия даются задачи и упражнения, для выполнения которых требуются теоретические знания, умение составлять простейшие программы и анализировать полученный результат.

1. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ВОЛНОВОД - БАЗОВАЯ ЛИНИЯ ПЕРЕДАЧИ МИЛЛИМЕТРОВОГО И ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНОВ ВОЛН.

Особенности линии передачи на основе диэлектрических волноводов

Линии передачи (ЛП) предназначены для канализации электромагнитной энергии на расстояния. На их основе создаются различные устройства (фильтры, направленные ответвители, делители, фазовращатели, вентили и т.п.). Перед разработчиками линий передачи ставятся довольно противоречивые задачи: ЛП должны обеспечивать малые потери энергии, большую передаваемую мощность; они должны иметь малые габариты и массу, обладать высокой технологичностью и устойчивостью к внешним воздействиям. К этим требованиям добавляются широкополосность, легкость изгиба линии передачи при минимальных потерях, удобство подключения активных элементов, отсутствие излучения, невосприимчивость к внешним помехам, удобство управления электромагнитным полем в линии и стыковки с другими ЛП, стоимость. Важным является также наличие надежной и подтверждаемой экспериментом теории, алгоритмов и программного обеспечения.

На более длинных диапазонах (чем миллиметровые и оптические) волн с успехом используется ЛП в виде металлических волноводов различных сечений, полосковые и микрополосковые линии и т.п. Все эти ЛП содержат металлические проводники с конечной проводимостью . Поперечных размер ЛП пропорциональны длине волны, что вносит (в миллиметровом и особенно в оптическом диапазонах волн) технологические и функциональные тограничения к таким ЛП. С уменьшением толщины скин-слоя увеличивается затухание энергии в металлических проводниках. Этот процесс усугубляется такими технологическими дефектами проводников, как неровность краев и шероховатость поверхностей. Частично устранить отмеченные недостатки можно используя диэлектрические волноводные линии передачи. Некоторые из ДВ показаны на рисунке 1.1 [1,2]. Большая часть энергии, передаваемой по диэлектрическому волноводу, сосредоточена в области пространства внутри ДВ с поперечными размерами, сравнимыми с длиной волн. Потери энергии, связанные с наличием неидеального диэлектрика в области концентрации поля, оказываются меньше, чем в металлических волноводах, уже на частотах f= /2 =30…40 ГГц при значении тангенса угла диэлектрических потерь ( – абсолютная диэлектрическая проницаемость материала). С ростом частоты колебаний при одинаковом значении соотношение потерь в диэлектрике и металле пропорционально .

Диэлектрические волноводы, показанные на рис. 1.1,(а–з) применяются в диапазоне миллиметровых волн, при этом используется достаточно широкая номенклатура материалов: полиэтилен ( =2), кремний ( =2,5), поликор ( =9,6; ), арсенид галлия и кремний ( =12…14, tg 5 10^-4). Достигнутая величина потерь составляет 0,1…0,15 дБ/см при f=100 ГГц ( =3мм).

Рис.1.1. Дизлектрические волноводы: а) – прямоугольный; б) – круглый; в) – двухслойный; г) – прямоугольный зеркальный; д) – изолированный прямоугольный зеркальный; е) – Н-образный; ж) – планарный; з) – диэлектрический щелевой; и) – планарный на подложке; к) – утопленный полосковый; л) – гребенчатый полосковый; м) – составной полосковый.

Круглый двухслойный волновод (рис. 1.1,в), называемый волоконным световодом, представляет наибольший интерес для создания волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Структура оптического волокна показана на рис.1.2.

Рис.1.2. Структура оптического волокна.

Оно состоит из световода, показатель преломления которого больше показателя преломления отражающей оболочки. Световоды изготовляют из плавленного кварца , кварцевого стекла, легированного германием, фосфором или бором. Характерные параметры световода: D₂=100мкм, D₁=10…70мкм, 10^-2, потери – 0,3…5 дБ/км.

Отметим некоторые преимущества ВОЛС по сравнению с обычными кабельными линиями связи:

– высокая помехоустойчивость, нечувствительность к внешним электромагнитным полям и практически отсутствие перекрестных помех между отдельными волокнами, уложенными вместе в кабель;

– значительно большая широкополосность (20…200 МГц) при использовании светодиодов (и вплоть до 1…3 ГГц при использовании полупроводниковых лазеров); – малые габариты и масса (при дальнейшем совершенствовании технологии ожидается уменьшение массы и габаритов примерно в 10 раз и более по сравнению с существующими кабельными линиями связи – эти качества особенно важны для бортовой радиоэлектроники);

– полная электрическая изоляция между входом и выходом системы связи; отсутствие коротких замыканий, вследствие чего волоконные световоды могут быть использованы в пожароопасных зонах;

– потенциально низкая стоимость, обусловленная заменой дефицитных дорогостоящих цветных металлов кабельных линий (медь, свинец) материалами (стекло, кварц, полимеры), сырьевые ресурсы которых не ограничены (например, для изготовления 1 км световода D₂=100мкм требуется 1 грамм стекла), а так же простотой изготовления, прокладки и эксплуатации ВОЛС.

Диэлектрические волноводы, показанные на рис. 1.1,(и–м), наиболее широко используются в устройствах интегральной оптики. Планарный диэлектрический волновод (рис. 1.1,и) представляет собой нанесенную на подложку полоску тонкой пленки, показатель преломления которой больше показателей преломления подложки и покрытия (если покрытие отсутствует, то ). Если , то волновод называется симметричным, в противном случае () – асимметричным. Поскольку планарный волновод “удерживает” поле только в одном измерении, для создания ряда устройств используют полосковые (двумерные) структуры – рис. 1.1,(к-м). Для изготовления диэлектрических оптических волноводов и устройств интегральной оптики применяют подложки из стекла, арсенида галлия (GaAs), ниобата лития (LiNbO₃) и др.

Диапазон измерения значений основных параметров диэлектрических оптических волноводов рис.1.1 составляет: толщина пленки 0,3….10 мкм, ширина полосковых волноводов 3…10мкм; 10^-2…10^-3, затухание 0,2…10 дБ/см.

Диэлектрические волноводы, представленные на рис.1.1,(и-м), широко используются в интегральной оптике для построения делителей, фильтров, направленных ответвителей, модуляторов, переключателей, дефлекторов, тонкопленочных лазеров и др., а так же в ВОЛС, в функциональных узлах оптоэлектронных устройств, осуществляющих обработку информации, в голографических системах и т.п.

Для примера на рис.1.3 показаны два таких устройства. Ответвитель на основе утопления полоскового ДВ (рис.1.3,а) осуществляет направленное распределение входной мощности (вход 1) между выходами 2,3 в требуемом соотношении. Проникновение оптического сигнала в диэлектрический волновод -4 происходит за счет ответвления в ДВ электромагнитного поля поверхностной волны от диэлектрического волновода 1-2 в зоне близкого расположения двух волноводов.

Рис.1.3. Направленный ответвитель (а) и модулятор оптического излучения.

Модулятор оптического излучения (рис.1.3,б) состоит из гребенчатого ДВ, изготовленного из анизотропного материала (например, LiNbO₃), обладающего электрооптическими свойствами. Последние проявляются в том, что изменение коэффициента преломления вещества пропорционально напряжению электрического поля управляющего сигнала , подаваемого на электроды. Вследствие этого световой луч, распространяющийся по ДВ, испытывает фазовую модуляцию в зависимости от значения напряжения .

Основные направляющие свойства ДВ, изображённых на рис рис.1.1, можно изучить на модели плоской пластины, бесконечной в одном направлении – планарного ДВ (рис.1.1,ж) или планарного ДВ на подложке (рис.1.1,и). Полосковые волноводы, размеры которых ограничены по двум направлениям, приближенно удовлетворяют модели планарного ДВ при условии, что один из размеров значительно больше другого. Если это условие не выполняется, то при модельном переходе от полоскового к планарному волноводу характер волновых явлений качественно сохраняется. В то же время планарный ДВ, представляет самостоятельный практический интерес, относительно просто анализируется как методом лучевой оптики, так и с помощью решения уравнений Максвелла. В разд.2,3 изложена теория, позволяющая выбрать размеры ДВ, исходя из режима работы (одномодовый, и многомодовый), рассчитать мощность, переносимую волной, а так же потери энергии.