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Rubriken

Prof. Dr.-Ing. Reinhold Pregla - Forschung

Die Schwerpunkte

Die Forschungsaktivitäten des Fachgebiets Allgemeine und Theoretische Elektrotechnik liegen in den Bereichen

  • optische Wellenleiter,
  • integrierte Optik,
  • integrierte Halbleiterlaser,
  • Mikrowellenkomponenten und
  • Antennen

Wir erarbeiten genaue mathematische Modelle zur Computersimulation von integrierten Schaltungen für die Nachrichtentechnik, die Mikrowellentechnik und die Optische Nachrichtentechnik.

Die Aufgabe

Die Entwicklung der modernen Kommunikationstechnik führt sowohl auf dem klassischen Gebiet der Hoch- und Höchstfrequenztechnik als auch in der optischen Datenübertragung zu einer immer größer werdenden Integrationsdichte der verwendeten Systemkomponenten. So werden heute bereits auf einen optischen Chip verschiedenste optische und elektronische Bauelemente integriert (Bild 1). Die Herstellung und Optimierung dieser Komponenten ist insbesondere in der integrierten Optik aufgrund vieler Realisierungsmöglichkeiten und der Empfindlichkeit gegenüber Herstellungstoleranzen ein komplexes Problem, welches nicht allein durch experimentelle Forschung gelöst werden kann. Aus Kostengründen ist es wichtig, daß die Komponenten schon im ersten Durchlauf die geforderten Eigenschaften zeigen. Notwendige Voraussetzung dafür ist, daß genaue mathematische Modelle zur Beschreibung der optischen und elektrischen Eigenschaften dieser Strukturen vorliegen und das Verhalten mit numerischen Methoden auf Rechnern simuliert wird.


Die Lösung

Zur Modellierung d.h. zur mathematischen Analyse von planaren Wellenleiterstrukturen wurde im Fachgebiet Allgemeine und Theoretische Elektrotechnik die Methode der Geraden (Method of Lines = MoL) herangezogen und zu einem effizienten Verfahren weiterentwickelt. Bei der MoL werden die elektromagnetischen Felder numerisch auf Geradensystemen bestimmt, die in geeigneter Weise in das Bild der Struktur eingebracht werden. Dieses halbanalytische Verfahren ist mit der Methode der Finiten Differenzen verwandt.

Die Methode der Geraden liefert

  • genaue und eindeutige Ergebnisse durch den rigorosen Ansatz und monotone Konvergenz
  • mit geringem numerischen Aufwand (kleiner Speicherplatz, kurze Rechenzeit)
  • und erlaubt die Analyse komplexer Strukturen ohne Voruntersuchungen.

Eine ausführliche Beschreibung der MoL und ihrer Anwendung findet sich in [1], [2] und [3]:

  1. R. Pregla, W. Pascher, "The Method of Lines", in T. Itoh (Editor), Numerical Technics for Microwave and Milimeter Wave Passive Structures , Seiten 381-446, J. Wiley Publ., New York, 1989.
  2. R. Pregla, "MoL-BPM Method of Lines Based Beam Propagation Method", in W.P. Huang (Editor), Methods for Modeling and Simulation of Guided-Wave Optoelectronic Devices, Band PIER 11 in Progress in Electromagnetic Research, S. 51-102, Elsevier, New York, 1995
  3. R. Pregla, Analysis of Electromagnetic Fields and Waves - The Method of Lines, Wiley & Sons, RSP, 2008, England

Die Anwendung

Auf optische Wellenleiter

Dielektrische Wellenleiter mit verschiedenen Querschnitten wie z.B. streifenbelastete Filmwellenleiter, zweidimensional diffundierte Wellenleiter wurden analysiert. Berechnet wurden die Brechzahlen sowie die Feld- und Intensitätsverteilungen der Eigenmoden (Bild 2). Weiterhin wurden die Felder von Lauffeldelektroden in optischen Modulatoren und die Abstrahlung von gekrümmten Wellenleitern untersucht. Im Rahmen eines Forschungsprojektes wurde das Programm MOLCAR (Method Of Lines Complex Arithmetic Routine) erstellt, mit dem allgemeine längshomogene dielektrische Wellenleiter analysiert werden können.

Auf Komponenten für die Integrierte Optik

Basierend auf der Methode der Geraden wurde ein Algorithmus zur Berechnung der Lichtausbreitung in geschichteten, integrierten optischen Bauelementen entwickelt. Mit diesem als MoL-BPM (BPM= Beam Propagation Method) bezeichneten Verfahren ist eine dreidimensionale Analyse optischer Wellenleiterstrukturen möglich, wobei die Beschränkungen der bisher in der Anwendung befindlichen Verfahren weitgehend beseitigt werden. Es können damit längsinhomogene Wellenleiterstrukturen analysiert werden, die sich durch eine hohe transversale Brechzahlvariation auszeichnen. U.a. wurden Wellenleiterverzweigungen und ein Übergang von einer Glasfaser auf einen integrierten optischen Wellenleiter untersucht.

Auf integrierte Halbleiterlaser

Da der Herstellungsprozeß für integrierte Halbleiterlaser besonders aufwendig ist, ist gerade in diesem Bereich eine theoretische Simulation der Bauelemente besonders sorgfältig durchzuführen. Am Lehrgebiet wird daher ein Analyseverfahren entwickelt, mit dem nicht nur die optischen, sondern auch die quantenelektronischen und thermischen Vorgänge im Laser berücksichtigt werden. Zur Zeit liegen Ergebnisse für kantenemittierende Laser (DFB-, DBR-Strukturen) und oberflächenemittierende Laser (VCSEL) vor.

Auf Mikrowellenkomponenten

Für die Herstellung integrierter Mikrowellenschaltungen ist ebenfalls eine genaue Simulation der verwendeten Komponenten nötig. Mit der MoL wurden verschiedenste Wellenleiter, wie Mikrostreifen-, Koplanar- und Finleitungen analysiert. Dabei können Ferritmaterialien, anisotrope Dielektrika, endlich dicke Metallisierungen und Leitungsverluste berücksichtigt werden. Mit einer zweidimensionalen Diskretisierung werden Bauelemente, z. B. Durchkontaktierungen und dielektrische Resonatoren, untersucht. Der Algorithmus ist dabei so leistungsfähig, daß ganze Komponenten für monolithisch integrierte Mikrowellenschaltungen (MMICs), wie planare Induktivitäten und Filterschaltungen, modelliert werden können.

Auf Antennen

Planare und konforme Antennen sowie Horn- und Dipolstrahler werden mit verschiedenen Anspeisungen untersucht.


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