CN111033887A

CN111033887A - 介质波导

Info

Publication number: CN111033887A
Application number: CN201880053430.6A
Authority: CN
Inventors: 安德烈·迈耶; 西蒙·卡劳; 马丁·施耐德
Original assignee: Rosenberger Hochfrequenztechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Rosenberger Hochfrequenztechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2017-08-25
Filing date: 2018-07-11
Publication date: 2020-04-17
Also published as: WO2019037937A1; EP3447841A1

Abstract

本发明涉及一种具有至少一根光纤的介质波导，其包括至少一个第一部分，用于传输具有小于第一限制频率的最大频率的信号；以及至少一个第二部分，用于传输具有小于第二限制频率的最大频率的信号；其中所述第二限制频率小于所述第一限制频率。

Description

介质波导

技术领域

本发明涉及一种介质波导。

背景技术

已知具有单模光纤的介质波导。此外还已知具有多模光纤的介质波导。在这方面，例如参考《介质波导的本质》(“The essence of dielectric waveguides”)C.Yeh，F.Shimabukuro，Springer 208，第66-76页。

由于基本上防止了模色散，因此使用单模波导是有利的。但是，单模波导通常比多模波导具有更高的波导色散，从而降低了最大可传输数据速率。

介质多模波导可具有比介质单模波导更低的波导色散，而且对不连续性(例如弯曲)的敏感度更低。但是，如果在馈电或不连续性中激发更高模式，则发生模式色散，这降低了最大可传输数据速率。

发明内容

在此背景下，本发明的目的是提供一种介质波导，其结合了具有较高模数的光纤的优点和具有较低模数的光纤的优点。

本发明的目的通过具有权利要求1的特征的组件和/或通过具有权利要求10的特征的方法来实现。

因此，本发明提供以下技术方案。

-一种具有至少一根光纤的介质波导，其包括至少一个第一部分，用于传输具有小于第一限制频率的最大频率的信号；以及至少一个第二部分，用于传输具有小于第二限制频率的最大频率的信号；其中所述第二限制频率小于所述第一限制频率。

沿着介质波导传播的波可以根据波导的性质以不同的场配置出现。这些不同的场配置被称为模式。如果在介质波导中仅传导基本模式，则将其称为单模波导。如果介质波导可以传导多个和/或更高模式，则将其称为多模波导。

术语“更高模式”是指其各自的限制高于待传输数据的模式的限制频率的模式。

在介质波导的设计中，要考虑由此引起的色散。色散是波导的特性，信号分量在波导中以不同的速度传播，因此最大数据速率受到限制。介质波导中存在两种色散：波导色散和模式色散。

波导色散描述了基本模式的频率相关的传播速度，例如数据在该模式传输。波导色散既发生在单模波导中，也发生在多模波导中。

相反，模式色散指的是各个模式的不同传播速度。多模波导可以比单模波导具有更小的波导色散。但是，由于模式色散，这种优势经常被削弱。

如果传输数据的模式被耦合到其他更高模式，则可能发生数据信号的失真并可能达到的数据速率的限制。

本发明的基本构思是过滤和/或阻尼介质波导中被激发的更高模式，从而降低模式色散。因此，可以更好地利用多模波导的优点，因为多模波导比没有模式色散的单模波导具有更好的传输特性。

此外，由于模式滤波器，在介质波导的设计中可以实现更高的自由度，因为对模式色散的考虑起着较小的作用。因此，例如，在具有圆形横截面的波导的情况下，如果接受更高模式也可以通过该波导传导，则可以实现最小的波导色散。更高模式下的性能可能会被模式滤波器降低，从而可以实现色散优化的传输。

本发明的核心是将在该波导中传导的具有减少模式数量的介质波导的一段并入具有更高模式数量的介质波导中。

有利的实施例和改进方案可由其他从属权利要求和参照附图的描述得出。

显而易见的是，在不脱离本发明的范围的情况下，上述特征和下文中将要解释的特征不仅可以以各自指定的组合使用，还可用于其他组合或单独使用。

根据本发明的一个优选的改进方案，在第一部分和第二部分之间形成过渡部分，其中限制频率从第一限制频率到第二限制频率连续地和/或逐步地变化。

第一部分和第二部分之间的过渡部分不必完全相同。例如，过渡部分的长度可以是可变的，也可以长度为零。

过渡部分也可以以具有任意数量的步骤逐步或部分逐步的形式来实现。

然后在过渡部分发射一部分更高模式。

根据本发明的一个优选的改进方案，限制频率在第二部分中从第一限制频率到第二限制频率连续地和/或逐步地变化。

因此，第二部分也可以形成为过渡部分。这尤其是在更高模式已经被限制频率改变的部分充分强烈地降低的情况下是有利的。

根据本发明的一个优选的改进方案，第一部分中的光纤的横截面积大于第二部分中的光纤的横截面积。因此，由于横截面积减小，在波导的第二部分中可以传导的模式的数量比第一部分中更少。

例如，在多模波导的芯部的椭圆形或圆形横截面的情况下，可以想到通过芯部的横截面的锥度来实现第二部分。

在矩形多模光纤中，第二部分可以通过减小矩形横截面的边缘长度来实现。

根据本发明的一个优选的改进方案，第二部分和/或过渡部分中的光纤线性地或根据余弦函数的单调分段逐渐变细。

在余弦形曲线中，在不同部分之间的过渡部分处，即在第一部分和过渡部分和/或第二部分之间，不连续性降低。因此减少了基本模式的不希望的反射。

在这种情况下，可以提供这样的方式设计波导，使得光纤以其长度为待传输信号的中心频率处的传导波长的四分之一至二分之一的方式逐步变细；或者以其长度为待传输信号中心频率处传导波长的二分之一的倍数的方式逐渐变细。

根据本发明的一个优选的改进方案，第一部分中的光纤的介电常数大于第二部分中的光纤的介电常数。

这代表在介质波导中过滤更高模式的另一种选择。如果第二部分的介电常数小于第一部分的介电常数，则即使外径保持相等，在该部分中也可以传导较少的模式。

不能通过波导传导的模式被发射出来。

例如，可以想到的是，介电常数在第二部分或过渡部分连续地或逐段地变化。这可以通过例如第二部分和/或过渡部分中的光纤掺杂有和/或包括具有较低介电常数的气体内含物来实现。或者，也可以混合其他材料，或者介电常数的改变可以通过改变波导的密度或者通过改变波导的结晶来实现。

根据本发明的一个优选的改进方案，波导的光纤的介电常数在过渡部分线性地变化或者根据余弦函数的单调分段变化。显而易见的是，本文还包括上述连续曲线的阶梯近似。

根据本发明的一个优选的改进方案，光纤的介电常数逐步变化，其长度为待传输信号的中心频率处的传导波长的四分之一至二分之一，或者其长度为待传输信号的中心频率处的传导波长的二分之一的倍数。

显然，也可能改变光纤的横截面积和介电常数。

根据本发明的一个优选的改进方案，在第二部分和/或过渡部分的区域中，特别是在包围波导的护套中，提供一种材料，该材料用于吸收电磁波。

从而防止发射模式在第二部分的另一侧再次耦合到介质波导中。因此，可以减小第二部分的长度。特别有利的是将吸收材料在一定距离处附着到波导上，使得对期望模式的影响很小。

吸收材料可以包括例如树脂或碳。

根据本发明的一个优选的改进方案，介质波导包括包围光纤的护套，其中在光纤的介电常数和护套的介电常数之间的第二部分和/或过渡部分中的介电常数比小于在光纤的介电常数和护套的介电常数之间的第一部分中的介电常数比。

换句话说，这意味着|ε_r ^光纤/ε_r ^护套|_第二部分<|ε_r ^光纤/ε_r ^护套|_第一部分。

例如，可以想到改变护套的发泡程度或将成品护套压到波导上。

因此，可以特别简单地制造介质波导，因为对护套的修改比改变波导的信号传导部分更容易实现。此外，由于有时只需要准备具有不同护套的一根光纤，因此库存也可以被简化。

根据本发明的一个优选的实施例，介质波导包括包围光纤的护套，其中护套在过渡部分和/或第二部分中的横截面积小于护套在第一部分中的横截面积。

例如，可以想到护套的横截面积在过渡部分和/或第二部分中线性地变化。

不连续性因此降低。这减少了模式的反射。

根据本发明的一个优选的改进方案，第一部分中的光纤包括多模光纤，第二部分中的光纤包括单模光纤。

通过这种方式，可以在介质波导中特别有效地过滤更高模式。

根据本发明的一个优选的改进方案，介质波导包括第三部分，其中第二部分形成在第一部分和第三部分之间，并且特别地，过渡部分形成在第一部分和第二部分之间和/或第二部分和第三部分之间。

例如，可以想到在形成第一和第三部分的两个介质波导之间并入第二部分，其中介质波导包括不同材料或不同的几何形状。特别地，可以想到的是，连接到电路板的介质波导包括与第二部分的另一侧上的介质波导不同的材料和/或不同的几何形状。

在这种情况下可能有利的是，在第一部分和第二部分之间和/或在第二部分和第三部分之间形成过渡部分，它们分别单独适合于第一和第二部分或第二和第三部分。在这种情况下，过渡部分不必完全相同。

如果合理的话，上述实施例和改进方案可以根据需要彼此组合。本发明的其他可能的实施例、改进方案和实现方式还包括上述或下文关于示例性实施例没有明确提到的本发明的特征的组合。特别地，在这种情况下，本领域的技术人员还将增加各个方面，作为对本发明的各个基本形式的改进或补充。

附图说明

下文将基于示意图中所示的示例性实施例来更详细地解释本发明。

图1示出了根据本发明的一个实施例的介质波导的示意图。

图2示出了根据本发明的一个实施例的介质波导的示意图。

图3示出了根据本发明的一个实施例的介质波导的示意图。

图4示出了根据本发明的一个实施例的介质波导的示意图。

图5示出了根据本发明的一个实施例的介质波导的示意图。

图6示出了根据本发明的一个实施例的介质波导的示意图。

图7示出了根据本发明的一个实施例的介质波导的示意图。

图8示出了根据本发明的一个实施例的介质波导的示意图。

各附图用于提供对本发明实施例的进一步理解。它们示出了实施例，并且与说明书结合使用，以阐明本发明的原理和构思。其他实施例和所提及的许多优点相对于附图而产生。附图的元素不一定相对于彼此按比例示出。

在附图中，除非另有说明，否则相同的、功能相同的和作用相同的元件、特征和部件均具有相同的附图标记。下文将连贯和全面地描述这些附图。

具体实施方式

尽管上文在优选的示例性实施例的基础上对本发明进行了完整描述，但是本发明不限于此，而是可以以多种方式进行修改。

本发明在下文中基于具有芯部和具有任选存在的护套的波导电缆进行描述。但是，本发明不限于此，并且特别地，还可应用于其他介质波导，例如，用于连接芯片或用于太赫兹光谱。

图1示出了根据本发明的一个实施例的介质波导10的示意图。该介质波导10包括第一部分11和第二部分12。第二部分12相对于第一部分11用于传导减少数量的模式。

图2示出了根据本发明一个实施例的介质波导20的示意图。该介质波导20包括第一部分21、第二部分22和位于第一部分21和第二部分22之间的过渡部分23，以及吸收电磁波的材料24。吸收电磁波的材料24通过间隔件(未示出)与介质波导20的芯部隔开，使得特定的期望模式不会被材料24吸收。

吸收材料24形成在介质波导20的第二部分中。因此，防止了在过渡部分23或第二部分22中发射的电磁波能够再次耦合到波导20中。

在波导20的过渡部分23中，芯部的几何形状从第一部分21到第二部分的横截面积逐渐变小。第二部分22中的横截面积是恒定的。在第二部分22的一端，芯部的横截面积在过渡部分23中线性地变化，直到达到第一部分的横截面积。

图3示出了根据本发明一个实施例的介质波导30的示意图。该介质波导30包括第一部分31、第二部分32和在第一部分31和第二部分32之间形成的过渡部分33。介质波导30在第一部分31或第二部分32中分别具有恒定的介电常数ε_r ¹或ε_r ²。在这种情况下，第一部分31中的介电常数ε_r ¹大于第二部分32中的介电常数ε_r ²。介质波导30的介电常数在过渡部分33中从第一部分31中的介电常数线性地变化到第二部分32中的介电常数。

为了防止在过渡部分33或第二部分32中发射的模式的重新耦合，在过渡部分33和第二部分32中形成吸收电磁波的材料34。

图4示出了根据本发明另一实施例的介质波导40。该介质波导40包括护套44，该护套44在截面中包括不同的介质材料。介质波导40包括第一部分41、第二部分46和过渡部分45。在第一部分中，介质波导40的芯部具有介电常数ε_r ¹。在第二部分46中，芯部43具有第二介电常数ε_r ²。在第一部分中，包围芯部的护套42具有第三介电常数ε_r ³。在第二部分中，包围芯部的护套44具有第四介电常数ε_r ⁴。在过渡部分45中，介电常数分别从ε_r ¹到ε_r ²或从ε_r ³到ε_r ⁴线性地变化。

在这种情况下，选择介电常数ε_r ¹、ε_r ²、ε_r ³、ε_r ⁴，使得ε_r ²与ε_r ⁴的比值小于ε_r ¹与ε_r ³的比值。

图5示出了根据本发明另一实施例的介质波导50。该介质波导50在第一部分中包括芯部51和护套52。在第二部分中，介质波导50包括芯部53和护套54。在这种情况下，第一部分或第二部分中的芯部和/或护套的介电常数分别按照图4表现。

另外，护套56的横截面面积相对于过渡部分55中的第二部分减小，这是因为护套的内表面从护套的外表面到芯部53的外表面线性地逐渐变细。

图6示出了根据本发明一个实施例的介质波导60。该波导60在第一部分包括芯部61和护套62。在第二部分中，该介质波导60包括芯部63和护套64。在这种情况下，第一部分或第二部分中的芯部和/或护套的介电常数分别按照图4表现。

另外，护套66的横截面积相对于过渡部分65中的第二部分减小，这是因为护套的横截面积从芯部61到护套64的外表面线性地加宽。

图7示出了根据本发明另一实施例的另一介质波导70。该波导70在第一部分包括芯部71和护套72。在第二部分中，该波导70包括芯部73和护套74。在这种情况下，第一部分或第二部分中的芯部和/或护套的介电常数分别按照图4表现。

另外，波导70包括在截面上具有不同介电常数的护套，这是因为护套76包括在过渡部分75中的掺杂。

图8示出了根据本发明另一实施例的介质波导80。该介质波导80在第一部分中包括芯部81和护套82。在第二部分中，该波导80包括芯部83和护套84。在这种情况下，第一部分或第二部分中的芯部和/或护套的介电常数分别按照图4表现。

另外，介质波导80包括吸收电磁波的材料86，该材料86包围护套84以吸收在过渡部分85中发射的模式。

附图标记

10 波导

11 第一部分

12 第二部分

20 波导

21 第一部分

22 第二部分

23 过渡部分

24 电磁吸收材料

30 波导

31 第一部分

32 第二部分

33 过渡部分

34 电磁吸收材料

40 波导

41 芯部

42 护套

43 芯部

44 护套

45 过渡部分

46 第二部分

50 波导

51 芯部

52 护套

53 芯部

54 护套

55 过渡部分

56 护套

60 波导

61 芯部

62 护套

63 芯部

64 护套

65 过渡部分

66 护套

70 波导

71 芯部

72 护套

73 芯部

74 护套

75 过渡部分

76 护套

80 波导

81 芯部

82 护套

83 芯部

84 护套

85 过渡部分

86 电磁吸收材料

Claims

1.一种具有至少一根光纤的介质波导(10；20；30；40；50；60；70；80)，包括：

至少一个第一部分(11；21；31)，用于传输具有小于第一限制频率的最大频率的信号；以及

至少一个第二部分(12；22；32；46)，用于传输具有小于第二限制频率的最大频率的信号；

其中所述第二限制频率小于所述第一限制频率。

2.根据权利要求1所述的介质波导，其中在所述第一部分和所述第二部分之间形成过渡部分(23；33；45；55；65；75；85)，其中限制频率从所述第一限制频率到所述第二限制频率连续地和/或逐步地变化。

3.根据权利要求1所述的介质波导，其中限制频率在所述第二部分中从所述第一限制频率到所述第二限制频率连续地和/或逐步地变化。

4.根据权利要求2或3所述的介质波导，其中所述限制频率在所述过渡部分或在所述第二部分中线性地或根据余弦函数的单调分段变化。

5.根据前述任一项权利要求所述的介质波导，其中所述第一部分中的光纤的横截面积大于所述第二部分中的光纤的横截面积。

6.根据权利要求5所述的介质波导，其中所述第二部分和/或所述过渡部分中的光纤线性地或根据所述余弦函数的单调分段逐渐变细。

7.根据前述任一项权利要求所述的介质波导，其中所述第一部分中的光纤的介电常数大于所述第二部分中的光纤的介电常数。

8.根据权利要求7所述的介质波导，其中所述第二部分和/或所述过渡部分中的光纤掺杂有和/或包括较低介电常数的气体内含物。

9.根据前述任一项权利要求所述的介质波导，其在所述第二部分和/或所述过渡部分的区域中，特别是在包围所述光纤的护套中，包括一种材料，所述材料用于吸收电磁波。

10.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的介质波导，其包括包围所述光纤的护套，其中，在所述光纤的介质常数介电常数和所述护套的介质常数介电常数之间所述第二部分和/或所述过渡部分中的介质常数介电常数比小于在所述光纤的介质常数介电常数和所述护套的介质常数介电常数之间的所述第一部分中的介质常数介电常数比。

11.根据前述任一项权利要求所述的介质波导，其包括包围所述光纤的护套，其中所述过渡部分和/或所述第二部分中的护套的横截面积小于所述第一部分中的护套的横截面积。

12.根据权利要求11所述的介质波导，其中所述护套的横截面积在所述过渡部分和/或所述第二部分中线性地变化。

13.根据前述任一项权利要求所述的介质波导，其中所述第一部分中的光纤包括多模光纤，并且所述第二部分中的光纤包括单模光纤。

14.根据前述任一项权利要求所述的介质波导，其包括第三部分，其中所述第二部分形成在所述第一部分和所述第三部分之间，并且特别地，所述过渡部分形成在所述第一部分和所述第二部分之间和/或在所述第二部分和所述第三部分之间。