Universität Stuttgart
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Item Open Access Mikrowellenmodellierung von photonischen Kristallen und Metamaterialien für die optische Nachrichtentechnik(2009) Rumberg, Axel; Berroth, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Negativ-Index-Materialien sind ein neues Forschungsgebiet. Das erste Metamaterial mit einem negativen Brechungsindex wurde 2001 vorgestellt. Das theoretische Konzept der Wellenausbreitung in Negativ-Index-Materialien ist aber bereits 1968 von V. Veselago entwickelt worden. Die der Arbeit zugrunde liegende Aufgabe besteht in der Modellierung von negativ brechenden photonischen Kristallen und Metamaterialien im Mikrowellenbereich. Sie werden im Hinblick auf ihre Verwendbarkeit im Bereich der optischen Telekommunikationswellenlängen untersucht. Durch die aufgrund der Skalierung größeren Abmessungen lassen sich die Strukturen einfacher herstellen und vermessen. Die Arbeitsprinzipien der Strukturen sind frequenzunabhängig. Metamaterialien bieten die Möglichkeit, die Permittivität und die Permeabilität maßzuschneidern. In den Einheitszellen dieser meist periodisch aufgebauten metallischen Strukturen werden künstliche magnetische Atome durch resonanzfähige Strukturen generiert. Die Periode des Metamaterials muss klein gegenüber der Wellenlänge sein. Neben den auf dem Resonatorkonzept aufgebauten Metamaterialien werden auch auf anderen Prinzipien beruhende Strukturen untersucht. Hier sind die leitungsgebundenen Metamaterialien zu nennen. Als einbettende Leitungen können z. B. Mikrostreifenleitungen verwendet werden. Im Vergleich zur konventionellen Transmissionsleitung werden Kapazität und Induktivität vertauscht. Auch photonische Kristalle können negativ brechen. In diesen periodischen Strukturen ist die Wellenlänge vergleichbar mit der Gitterkonstanten und die Einzelelemente, z. B. Metallzylinder, können aufgelöst werden. Bei bestimmten Frequenzen kann über das Dispersionsdiagramm ein effektiver negativer Index zugeordnet werden. Die negative Brechung der photonischen Kristalle kann dazu genutzt werden, eine von einer Quelle ausgehende Welle zu fokussieren. Diese Fokussierung wird mit zweidimensionalen photonischen Kristallen, die aus Löchern in einer Schichtwellenleiterstruktur bestehen, im Frequenzbereich um 20 GHz gezeigt. Das verwendete wellenführende Materialsystem TMM10 - Teflon modelliert das in photonischen integrierten Schaltkreisen verwendete Silizium-Siliziumdioxid. Nach erfolgreicher Demonstration der Fokussierung wird gezeigt, dass mittels photonischer Kristalle die Einkoppeleffizienz in einen Wellenleiter verbessert werden kann. In einer Teststrecke, die aus zwei sich gegenüberliegenden Wellenleitern mit dazwischen liegendem Schichtwellenleiter besteht, wird die Kopplung von einem Wellenleiter zum anderen durch Einsatz eines photonischen Kristalls gesteigert. Der photonische Kristall wird in den Schichtwellenleiter eingebracht. Die Kopplung wird im Vergleich zur Kopplung durch den reinen Schichtwellenleiter verbessert. Die in dieser Arbeit untersuchten resonanten Strukturen bieten das Potenzial, einen auf negativer Permittivität und Permeabilität beruhenden negativen Index zu erzeugen. Mit dem Drahtpaar, einer Abwandelung des Spaltring-Resonators, wird ein auch gut in der Optik zu vermessendes magnetisches Atom untersucht. Der negative Index wird im Frequenzbereich um 10 GHz festgestellt. Zur Untersuchung von Volumenmaterialien werden gestapelte Strukturen untersucht. Leitungsgebundene Strukturen bieten ebenfalls das Potenzial eines negativen Indexes. Eine Struktur wird aus hochfrequenztauglichem Material aufgebaut. Das einbettende Medium wird durch einen Parallelplattenhohlleiter gebildet. Die zur Erlangung des negativen Indexes benötigten Induktivitäten und Kapazitäten werden durch kurzgeschlossene Parallelplattenhohlleiter und metallische Durchkontaktierungen realisiert. Bei den Messungen wird ein negativer Index um 10 GHz festgestellt. Der letzte Abschnitt der Arbeit befasst sich mit der Skalierbarkeit der Strukturen. In der Simulation werden die Abmaße eines Drahtpaar soweit skaliert, dass sich eine Arbeitsfrequenz von 100 THz ergibt. Hierbei fällt auf, dass die Abmaße aufgrund der Eigenschaften von Metallen nicht direkt skaliert werden können. Lagen die Arbeitsfrequenzen der Metamaterialien anfangs im Mikrowellenbereich, so sind sie inzwischen durch Skalierung im optischen Frequenzbereich angelangt. Es wird daran gearbeitet, verlustarme Volumenmaterialien zu bauen. Konkrete Anwendungen gibt es bereits im Mikrowellenbereich. Es ist z. B. möglich, kompakte Koppler oder Leckwellenantennen zu bauen. Auch ist eine Tarnkappe realisiert worden. Die weiteren potenziellen Anwendungsgebiete im optischen Frequenzbereich sind weitreichend. Es ist möglich, das Licht auf unkonventionelle Art und Weise zu führen. Als Anwendungsbeispiel zu nennen sind hier die in dieser Arbeit vorgestellten Kopplungen mit photonischen Kristallen, die in photonischen integrierten Schaltkreisen als Schlüsselkomponenten eingesetzt werden können.