О создании терагерцовых фотонно-кристаллических полимерных волноводов

УДК 621.372.8

Б.В. Поллер, В.М. Клементьев, А.В. Бритвин, Ю.Д. Коломников,

С.И. Коняев, С.И. Трашкеев, Д.Е. Трушенко ИЛФ СО РАН, СГГ А, Новосибирск

О СОЗДАНИИ ТЕРАГЕРЦОВЫХ ФОТОННО-КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПОЛИМЕРНЫХ ВОЛНОВОДОВ

Проводится обзор результатов создания фотонно-кристаллических полимерных волноводов в России и за рубежом.

B.V. Poller, V.M. Klement'ev, A.V. Britvin, Y.D. Kolomnikov,

S.I. Konyaev, S.I. Trashkeev, D.E. Trushenko Institute of Laser Physics, Novosibirsk

ESTABLISHMENT TERAHERTZ PHOTONIC-CRYSTAL WAVEGUIDES POLYMER

A review of a photonic-crystal polymer waveguides in Russia and foreign.

Исследования в области создания ТГц волноводов развиваются в двух направлениях, первое направление - это создание волноводов на основе полых металлических или керамических волноводов, волноводов в виде диэлектрических стержней. Второе направление исследований базируется на использовании идеологии фотонно-кристаллических (ФК) волноводов, разработанных для видимого и ИК диапазонов.

Существенной проблемой исследований является отсутствие диэлектрических материалов с высокой прозрачностью в ТГц диапазоне. Традиционно для диэлектрических ТГц устройств используют такие полимеры как полиэтилен и политетрафторэтилен и в последнее время полиметилпентен.

При использовании проводящих структур интересные результаты получены группой профессора Нахата [1] из университета Юты. ТГц волновод представляет набор перфорированных стальных пластинок толщиной 625 мкм и длиной около 10 см и шириной 2,5 см. Каждая пластина имеет набор отверстий

л

прямоугольной формы размерами 500*50 мкм . ТГц излучение в таком волноводе канализируется вдоль линии соединяющей эти отверстия в канале шириной 2 мм и по вертикали 1,69 мм. При эксперименте использовалось излучение 0,3 ТГц, при изменении расстояния между отверстиями эту частоту можно изменять. Модель распространения базируется на поверхностных плазменных волнах, аналогичных фотонам в оптическом диапазоне или электронам в проводниках.

По мнению профессора Нахата для разработки практических устройств с таким волноводом потребуется не менее 10 лет.

Развитие технологии ФК волноводов в России анализируется в работе [2]. Основное внимание в этой работе уделено оптическим ФК волноводам. В этом направлении представляет интерес технология получения полимерных ФК волноводов, за счет продавливания полиметилметакрилата через штамп из

кремния. При этом получалась квадратная решетка отверстий с периодом в диапазоне 270 - 700 нм, диаметр круглых отверстий соответствовал половине периода. Технология разработана в ФТИ РАН.

Наиболее существенные результаты в области полимерных ФК ТГц волноводов получены за рубежом [3-9]. Так в работе [7] на основе использования структурированного фторопласта получены в 2004 году первые образцы ФК ТГц волноводов. В работе [8] исследуются эффекты поляризации ТГц волны в полимерном ФК волноводе, структура которого представлена на рис. 1. Материал волновода политетрафторэтилен, характерный размер 375 мкм, высота центрального отверстия около 1,9 мм, полоса пропускания волновода около 1 ТГц.

Рис. 1. Структура полимерного ФК ТГ ц волновода

В Институте лазерной физики СО РАН развиваются исследования по синтезу ТГц волноводов [10,11]. На базе стенда с лазерными ТГц излучателями, разработанного под руководством В.М. Клементьева, выполнены измерения характеристик лабораторных образцов ТГц волноводов и ответвителей.

В основе разработки стенда лежала модернизация системы лазеров для генерации ТГЦ излучения на ячейках с аммиаком, фреоном, метанолом в диапазоне от 81,263 мкм до 263 мкм (3,692 - 1,14) ТГц. Прием ТГц излучения осуществлялся с помощью разработанных трех различных приемников.

Исследовались образцы полимерных, полимерно-керамических и керамических волноводов длиной до 10 см. В качестве материалов оболочек и сердцевин использовались полиметилметакрилат (ПММА), полиэтилен, политетрафторэтилен, керамические волноводы на основе окиси алюминия. Предварительная оценка затухания в различных образцах волноводов показала ведущую роль затухания ТГЦИ в самом материале полимера. Величины погонного затухания на 3,69 ТГц в различных образцах волноводов колебались от одного ДБ на мм, до одного ДБ на несколько см. Керамический разветвитель 1:2 показал соответствующие деление мощности лазерного излучения.

Для развития технологии ФК полимерных ТГц волноводов исследовался метод вытяжки полимерных нитей из растворов полимеров, как чистых растворов, так и растворов с добавками проводящих микрочастиц. Так из

чистых растворов ПММА удается вытягивать нити диаметром от нескольких микрон до десятков микрон. Для растворов с микрочастицами разных размеров, при вытяжке нити наблюдается захват микрочастиц только определенного размера.

Выполненные исследования позволили разработать предложение о синтезе уже фотонно-кристаллического волновода методом формирования набора полимерных волокон с микрочастицами. Элемент структуры такого волновода представлен на рис. 2.

" ТГЦИ

Воздушная Полимерное

полость волокно

диаметр dn Диаметр dB

Рис. 2. Элементы структуры полимерного фотонно-кристалического волновода

Для такой структуры найдены аналитические соотношения между длиной волны, диаметрами волокон, воздушных полостей и периодом фотоннокристаллической решетки. Позитивным свойством такой структуры ФК волновода является возможность оптимальной интеграции с полимерным нанокомпозитным жидкокристаллическим ТГц излучателем [11]. При этом сам волновод может выделять необходимые спектральные составляющие от такого жидкокристаллического излучателя.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Lenta. Ru -Ajay Nahata. Opt. Express. - 2009.

2. Желтиков, А. М. Российские нанотехнологии. - 2007. - Т. 2, № 1, 2. - С. 70-78.

3. Harrington, J.A., Hollow polycarbonate waveguides with inner Cu coatings for delivery of terahertz radiation // Opt. Express. - 2004. - V. 12. - P. 5263-5268.

4. Mendis R., Grishkowsky D. Plastic ribbon THz waveguides // J. Appl. Phys. - 2000. - V. 88. - P. 4449-4451.

5. Chen L.-J., Chen H.-W., Kao T.-F., Lu J.-Y., Sun C.-K. Low-loss subwavelength plastic fiber for terahertz waveguiding // Opt. Lett. - 2006. - V. 31. - P. 308-310.

6. Han H., Park H., Cho M., Kim J. THz pulse propagation in plastic photonic crystal fiber // Appl. Phys. Lett. - 2002. - V. 80. - P. 2634-2636.

7. Goto M., Quema A., Takahashi H., Ono S., and Sarukura N. Teflon photonic crystal fiber as terahertz waveguide // Jpn. J. Appl. Lett. - 2004. - V. 43. - P. L317-L319.

8. Cho M., Kim J., Perk H., Han Y., Moon K., Jung E., Han H. Highly birefringent terahertz polarization maintaining plastic photonic crystal fibers // Opt. Express. - 2008. - V. 16. - P. 7-12.

9. Lu J.-Y., Yu C.-P., Chang H.-C., Chen H.-W., Li Y.-T., Pan C.-L., Sun C.-K. Terahertz air-core microstructure fiber // Appl. Phys. Lett. - 2008. - V. 92, N. 6.

10. Поллер Б.В., Клементьев В.М., Трашкеев С.И., Коняев С.И., Бритвин А.В. , Трушенко Д.Е., Орлов С.Г. О характеристиках полимерных волноводов и преобразователей для терагерцовых информационных систем // Доклад на 15 Междун. научн. конфер. (МНК) «Радиолокация, навигация, связь». - Воронеж, 2009. Т. 3. - C. 1820-1823.

11. Поллер Б.В., Клементьев В.М., Трашкеев С.И., Бритвин А.В., Коняев С.И., Коломников Ю.Д., Трушенко Д.Е., Орлов С.Г. Перспективы использования систем с жидкими кристаллами и полимерными волноводами в терагерцовом диапазоне для информационных технологий // Сб. мат. VI Междун. научн. конгр. «ГЕО-Сибирь-2008». -2008. - Т. 4, ч. 2. - C. 34-36.

© Б.В. Поллер, В.М. Клементьев, А.В. Бритвин, Ю.Д. Коломников,

С.И. Коняев, С.И. Трашкеев, Д.Е. Трушенко, 2010