Устройство для замедления поверхностных электромагнитных волн терагерцового диапазона на основе тонкой сверхпроводящей пленки

Устройство для замедления поверхностных электромагнитных волн терагерцового диапазона на основе тонкой сверхпроводящей пленки
Изобретение относится к области оптоэлектроники и плазмоники, в частности к разработке и созданию планарных многослойных волноведущих структур, предназначенных для снижения фазовых и групповых скоростей распространяющихся в них поверхностных электромагнитных волн.
В настоящее время планарные металлодиэлектрические волноводы и компоненты на их основе являются перспективными объектами исследований современной фотоники и оптоэлектроники. Повышенный интерес к изучению их волновых свойств обоснован прежде всего тем, что на границах раздела металла с диэлектриком, в частотной области, где диэлектрическая проницаемость металла отрицательна, могут возбуждаться поверхностные электромагнитные волны (ПЭМВ) плазмон-поляритонного типа, представляющие собой коллективные колебания электромагнитной волны в диэлектрике и волны электронного газа в металле. Вследствие значительного поглощения в металле длина пробега ПЭМВ в структуре является крайне малой величиной, не превышающей несколько десятков длин волн. Данное обстоятельство накладывает существенные ограничения на применение ПЭМВ в устройствах оптоэлектроники, а вопрос компенсации потерь становится ключевым. Одно из решений данной проблемы заключается в создании волноведущих структур на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), в которых при температурах, ниже критических, поглощение распространяющихся волн отсутствует. В таких структурах, наряду с большими длинами пробега, возможно существенное замедление волн и создание условий их эффективного взаимодействия с волнами дрейфового тока. Такие структуры могут использоваться в современной радиофизике в качестве усилителей и генераторов дальнего инфракрасного и терагерцового диапазонов, работающих по принципу усиления электромагнитных волн при их взаимодействии с заряженными частицами (D.Yu. Fedyanin, А.V. Arsenin. Surface plasmon polariton amplification in metal-semiconductor structures. Opt. Express. 2011. V. 19. Iss. 13. P. 12524).
На данный момент существует ряд материалов и пленочных волноводных структур на их основе, в которых реализуется распространение медленных волн и их последующее усиление. Обеспечение необходимого усиления волны при ее прохождении через активную среду требует пропускания больших критических токов, что приводит к значительному разогреву образца. В связи с этим, наиболее технологичными и перспективными материалами для изготовления подобных волноводов являются современные высокотемпературные сверхпроводники.
2
3
7
c
Известна пленочная волноводная структура на основе высокотемпературного сверхпроводника типа оксида иттрия-бария-меди - YBaCuO (US Patent. М. Lelental, J. Agostinelli, H. Romanofsky. High TC superconductor Y-Ba-Cu-O thin films. US 1991/5059583), имеющего температуру перехода в сверхпроводящее состояние (критическую температуру) T = 92.4 К. Указанная волноводная структура может быть
2
2
3
8
c
положена в основу для создания новых устройств волноводного типа на основе современных ВТСП с более высокими критическими температурами (например, соединения HgBaCaCuO с T = 133 К). Необходимо отметить, что от количества
циклов напыления пленки на диэлектрическую подложку зависит величина критической плотности тока, которую способна выдержать пленка в сверхпроводящей фазе. На электродинамические свойства структуры влияет температура отжига на начальном этапе создания пленки ВТСП (Н.В. Востоков, М.Н. Дроздов и др. Исследование электрофизических и структурных параметров YBCO-пленок, выращенных за несколько ростовых циклов. Письма в ЖТФ. 2011. Т. 37. С. 54). Известна также схема планарного сверхпроводящего волновода на кристаллической подложке, работающего в оптическом диапазоне длин волн (US Patent. R. Simon, С. Piatt et al. Superconductor coplanar waveguide. US 2002/6337149).
Недостатками известных схем являются:
1. Невозможность обеспечения требуемого замедления электромагнитных волн в волноводной структуре и, как следствие, невозможность реализации условий для дальнейшего усиления замедленных электромагнитных волн.
2. Известные волноводные структуры, в которых реализуется компенсация потерь, не предназначены для работы в терагерцовом диапазоне частот.
Для устранения указанных недостатков предлагается данная полезная модель.
Цель: для терагерцового диапазона частот обеспечить требуемое замедление поверхностной электромагнитной волны, при котором фазовая скорость волны меньше скорости света в вакууме более чем на два порядка. Снижение фазовой скорости поверхностной волны способствует значительному повышению эффективности ее дальнейшего взаимодействия с совместно распространяющейся в пленке ВТСП волной дрейфового тока.
Технический результат: создание условий для существования компактного плазмонного волновода, в котором реализуется значительное снижение фазовых и групповых скоростей электромагнитных волн.
Технический результат достигается за счет использования в качестве основного элемента волноводной структуры тонкой сверхпроводящей пленки с заранее заданной плазменной частотой терагерцового диапазона.
В состав полезной модели (фиг. 1) входят следующие конструктивные элементы:
1 - источник излучения,
2 - поляризатор,
3 - устройство ввода излучения в структуру,
4 - тонкая пленка ВТСП типа YBCO,
5 и 6 - диэлектрические обкладки,
7 - криогенная система охлаждения,
8 - блок управления.
2
1
3
Предлагаемая полезная модель (фиг. 1) состоит из источника излучения 1, поляризатора 2, выделяющего из падающего на него излучения ТМ-поляризацию, устройства ввода излучения в структуру 3, пленки высокотемпературного сверхпроводника типа YBCO 4, диэлектрическая проницаемость ε (ω, Т) которой отрицательна на рабочей терагерцовой частоте. Толщина пленки превышает глубину проникновения поверхностной волны. Данное условие выполняется для пленок с микронными толщинами, которые рассмотрены в описании данной полезной модели. Диэлектрические проницаемости (ДП) немагнитных диэлектрических обкладок 5 и 6 являются положительными ε = 1 и ε = 9. Криогенная система охлаждения 7 способна поддерживать рабочий диапазон температур от нуля до 100 градусов по абсолютной шкале. Блок управления 8 соединен с элементами 1, 2, 3, 7.
s
Принцип действия предлагаемой полезной модели состоит в следующем. Излучение терагерцовой частоты ω от источника излучения 1 проходит через поляризатор 2, после которого становится ТМ-поляризованным. Далее полностью поляризованное излучение через устройство ввода 3 попадает в волноводную структуру и при выполнении условия ω<ω преобразуется в поверхностную волну, распространяющуюся вдоль двух границ раздела сверхпроводящей пленки 4 и диэлектрических обкладок 5, 6. Здесь  - плазменная частота сверхпроводящей пленки, определяющая собственную частоту колебаний электронного газа в сверхпроводнике. Плазменная частота зависит от концентрации носителей заряда n и их эффективной массы m, е - заряд электрона. Параметр n выбирается таким образом, чтобы плазменная частота лежала в пределах терагерцового диапазона. В этом случае диэлектрическая проницаемость сверхпроводящей пленки будет отрицательна и следовательно, ДП контактирующих сред для всех рассматриваемых терагерцовых частот будут иметь различный знак и удовлетворять условиям возбуждения поверхностной волны на границах волноводной структуры.
Связь между константой распространения ПЭМВ и ее частотой для высокочастотной и низкочастотной мод даются соответствующими дисперсионными соотношениями:
0
где d - толщина пленки, a  - поперечные компоненты волнового вектора ПЭМВ в каждой из сред, k - волновое число в вакууме, β - константа распространения. Причем, если частота подаваемого изучения будет соответствовать максимальному значению постоянной распространения β, то в этом случае будет наблюдаться максимально возможное замедление поверхностной волны. Для сверхпроводниковьгх пленок разных толщин одна и та же частота будет соответствовать разным значениям постоянной распространения β, что позволяет управлять фазовыми и групповыми скоростями ПЭМВ. Более того на фиксированной толщине пленки также возможно управление фазовыми и групповыми скоростями волн за счет подбора определенного низкотемпературного режима.
Далее на основе численного моделирования приведем результаты, достигаемые при использовании данной полезной модели.
c
На фиг. 2 приведены зависимости константы распространения ПЭМВ в структуре от частоты, полученные для трех волноводов с пленками ВТСП толщиной 0.5 мкм (кривые 9,12), 1.0 мкм (кривые 10, 13) и 5.0 мкм (кривые 12, 14) при температуре Т<T.
7
-1
13
-1
6
-1
6
∞
ph
ph
Во всех случаях толщина пленки превышает глубину залегания волны в сверхпроводник. В волноводной структуре возможно распространение как высокочастотных, так и низкочастотных поверхностных волн. Сплошные кривые соответствуют высокочастотным модам (кривые 9-11), штриховые кривые - низкочастотным (кривые 12-14). Для указанных кривых замедление проявляется в разной степени. Для наиболее эффективного замедления волны в структуре константа распространения для высокочастотных мод должна соответствовать максимуму частоты. Замедление ПЭМВ также реализуется для высокочастотной и низкочастотной мод при значениях константы распространения β≥10 м в узкой спектральной области с центральной частотой ω = 0.77-10 с. При этом, фазовая скорость распространяющихся волн V = ω/β на этой частоте может быть снижена более чем на два порядка. Так, для постоянной распространения β = 7.5-10 м (кривые 10-13) составляет V≈10 м/с, что в 300 раз меньше скорости света в вакууме. Для меньших значений константы распространения замедление значительнее выражается для волноводов с большими толщинами пленки ВТСП на высоких частотах и для меньших толщин на низких частотах.
g
gr
Управлять групповыми и фазовыми скоростями ПЭМВ, распространяющихся в волноводной структуре можно также и с помощью устройства охлаждения, которое обеспечивает требуемый низкотемпературный режим. На фиг. 3 представлена зависимость относительной групповой скорости v/с, где с - скорость света в вакууме от константы распространения поверхностной волны, полученная для пленок ВТСП с толщинами 0.1 и 1 мкм. Приведенные зависимости отвечают высокочастотной и низкочастотной (сплошные и штриховые кривые) дисперсионным ветвям и температурам 10 и 50 K (а, б). Толщине пленки d = 0.1 мкм соответствуют кривые 15, 17, 19, 21, толщине d = 1 мкм - кривые 16, 18, 20 и 22. Видно, что выбор соответствующего температурного режима существенно влияет на частотные зависимости для групповых скоростей. Так, при выборе рабочей температуры T = 50 K (фиг. 3, б) частотная область, где реализуется отрицательная групповая скорость, значительно сужается, а изменения толщины пленки при этой температуре приводят к меньшим изменениям зависимостей V(ω). В обоих случаях на высокочастотной ветви имеется значение константы распространения, для которого групповая скорость равна нулю. В непосредственной близости от этого значения имеются области, в которых групповая скорость намного меньше скорости света. В указанных областях константы распространения появляется возможность реализации в структуре медленных волн. Более того, для высокочастотных мод возможно распространение ПЭМВ с отрицательной групповой скоростью, т.е. обратной ПЭМВ (сплошные кривые 15, 16, 19, 20). Ширина этой частотной области уменьшается с увеличением толщины пленки. Наличие области отрицательной групповой скорости позволяет на основе рассматриваемой волноводной структуры создавать устройства генерации терагерцового излучения.
Таким образом, предлагаемая модель волновода на основе пленки ВТСП с необходимыми параметрами позволяет обеспечить достижение цели полезной модели - замедление ПЭМВ более чем на 2 порядка по отношению к скорости света в вакууме.
Заявленный технический результат достигается за счет:
1. Использования сверхпроводниковой пленки, плазменная частота которой лежит в терагерцовом диапазоне частот.
2. Использования в качестве основного слоя волноводной структуры пленок ВТСП с тремя различными толщинами, каждая из которых превышает глубину залегания поверхностной волны.
3. Настройки и поддержания требуемого низкотемпературного режима с помощью криогенной системы охлаждения.