СПОСОБ РАЗДВОЕНИЯ ПЛАЗМОН-ПОЛЯРИТОННОГО КАНАЛА СВЯЗИ ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА
METHOD FOR SPLITTING PLASMON POLARITON COMMUNICATION CHANNEL OF THE TERAHERTZ RANGE

Изобретение относится к области средств коммуникации, в которых перенос информации осуществляется поверхностными электромагнитными волнами (ПЭВ), точнее поверхностными плазмон-поляритонами (ППП) дальнего инфракрасного (ИК) диапазона (получившего название «тергерцовый»), направляемыми плоской поверхностью проводящей подложки, и может найти применение в плазмонных каналах связи, в плазмонных интерферометрах, а также - в устройствах сбора и обработки информации с использованием ПЭВ ИК-диапазона. Применение заявляемого способа позволит с меньшими энергетическими потерями сопрягать плазмонные каналы связи ИК и терагерцового (ТГц) диапазонов, выбирать соотношение интенсивностей сигналов, направляемых во вторичные каналы, а также - создавать компактные плазмонные интерферометры и сенсорные устройства на их основе.
Плазмон-поляритонные каналы связи, реализуемые на основе планарных и цилиндрических метало-диэлектрических волноведущих структур, являются аналогом интегрально-оптических устройств обработки информации и волоконно-оптических линий связи видимого диапазона [Csurgay A.I., Porod W. Surface plasmon waves in nanoelectronic circuits // Intern. J. of Circuit Theory and Applications, 2004, v. 32, p. 339-361], так как ИК ППП способны распространяться на макроскопические расстояния, превышающие длину волны излучения на 3-4 порядка [Князев Б.А., Кузьмин А.В. Поверхностные электромагнитные волны: от видимого света до микроволн // Вестник НГУ. Физика, 2007, т. 2(1), с. 108-122].
Известен способ раздвоения плазмон-поляритонного канала связи ТГц диапазона, включающий размещение на пути основного пучка ППП неоднородности в виде совокупности двух сопряженных вершинами геодезических призм, имеющих общую геометрическую ось, лежащую в плоскости общей подложки каналов [Bogomolov G.D., Zhizhin G.N., Nikitin А.К., Knyazev В.A. Geodesic elements to control terahertz surface plasmons // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research (A), 2009, V. 603, No. 1/2, p. 52-55]. Способ основан на факте поворота линейного волнового фронта пучка ППП при преодолении им сформированной в подложке канавки в виде половины правильного конуса, ось которого лежит в плоскости подложки; поворот фронта является следствием различия геометрических путей, пройденных лучами пучка при преодолении ими конической канавки [Жижин Г.Н., Никитин А.К., Никитин П.А. Способ разделения совмещенных поверхностной и объемной электромагнитных волн терагерцового диапазона // Патент РФ на изобретение №2352969, Бюл. №11 от 20.04.2009 г.]. Размещение на пути пучка ППП двух таких канавок (геодезических призм), сопряженных вершинами в пределах поперечного сечения пучка, позволяет разделить исходный (основной) пучок на два новых (вторичных) пучка. Существенные недостатки известного способа следующие: 1) трудоемкость формирования геодезических призм; 2) наличие таких призм в подложке нарушает планарность каналов; 3) дифракция ППП на краях призм приводит к значительным радиационным потерям; 4) необходимость общности подложки сопрягаемых каналов ограничивает возможность их оперативной архитектоники.
Известен способ раздвоения плазмон-поляритонного канала связи ИК-диапазона, включающий размещение на пути исходного пучка ППП неоднородности в виде уголкового зеркала, имеющего две плоские отражающие грани, линия пересечения которых находится в пределах исходного пучка и перпендикулярна поверхности подложки [Богомолов Г.Д., Жижин Г.Н., Кирьянов А.П., Никитин А.К., Хитров О.В. Определение показателя преломления поверхностных плазмонов ИК-диапазона методом статической асимметричной интерферометрии // Известия РАН. Серия физическая, 2009, т. 73, №4, с. 562-565]. Основными недостатками такого способа являются: 1) порождение паразитных объемных волн при дифракции ППП на ребре зеркала; 2) большие энергетические потери, обусловленные дифракцией ППП на ребре и краях зеркала; 3) необходимость общности подложки сопрягаемых каналов, что ограничивает возможность их оперативной коммутации; 4) необходимость механического контакта зеркала с оптической поверхностью подложки.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является способ сопряжения набора вторичных плазмон-поляритонных каналов связи ТГц диапазона с основным каналом, включающий создание каналов на индивидуальных подложках с прямоугольными ребрами, размещение в основном канале неоднородности в виде ребра его подложки, преобразование поверхностного плазмон-поляритона (ППП) с помощью этого ребра в объемную волну (ОВ), которую разделяют на ряд пространственно разнесенных вторичных ОВ, число которых не меньше числа вторичных каналов, в каждом из которых с помощью ребра его подложки соответствующей ОВ генерируют производный от исходного ППП [Князев Б.А., Никитин А.К., Жижин Г.Н. Способ сопряжения набора вторичных плазмон-поляритонных каналов связи терагерцового диапазона с основным каналом // Патент РФ на изобретение №2526888, Бюл. №24 от 27.08.2014 г.]. Основными недостатками известного способа являются: 1) значительные (до 90% и более) энергетические потери, сопровождающие процессы преобразования ППП в ОВ, распространения ОВ через воздушный промежуток, содержащий светоделитель, и обратного преобразования ОВ в ППП на ребре подложки вторичного канала, находящемся в дальней волновой зоне ребра подложки основного канала; 2) необходимость оптимизации взаимного размещения вторичных каналов относительно основного, ввиду их пространственной разнесенности и наклона максимума диаграммы направленности излучения ППП с ребра подложки к ее плоскости [Gerasimov V.V., Knyazev В.А., Kotelnikov I.A., Nikitin А.К. et al. Surface plasmon polaritons launched using a terahertz free electron laser: propagating along a gold-ZnS-air interface and decoupling to free waves at the surface tail end // Journal of the Optical Society of America (B), 2013, v. 30, Is. 8, p. 2182-2190].
Технический результат изобретения направлен на уменьшение энергетических потерь, сопровождающих передачу сигнала из основного во вторичные плазмонные каналы связи, а также на устранение необходимости юстировки каналов при их раздвоении или сопряжении.
Технический результат достигается тем, что способ раздвоения плазмон-поляритонного канала связи терагерцового диапазона включает создание основного и вторичных каналов на индивидуальных плоскогранных подложках с прямоугольными ребрами, размещение в основном канале неоднородности в виде ребра его подложки, преобразование плазмон-поляритона с помощью этого ребра в объемную волну, при этом волноведущие грани всех каналов располагают в одной плоскости, сопрягаемые грани основного канала и одного вторичного канала, направляющего плазмон-поляритон в исходном направлении, выбирают зеркально скошенными относительно друг друга, волноведущую грань другого вторичного канала примыкают к волноведущей грани основного канала со стороны ее более длинного ребра, смежного к ребру, пересекающему трек исходного плазмон-поляритона, скошенную грань вторичного канала отделяют от скошенной грани основного канала плоскопараллельной светоделительной пластинкой, ориентированной перпендикулярно плоскости, содержащей волноведущие грани, при этом в канале, отделенном пластинкой от основного, плазмон-поляритон генерируют объемной волной, а в канал, примыкающий к основному, плазмон-поляритон отражают пластинкой.
Технический результат достигается за счет того, что разделение пучка излучения реализуют с помощью светоделительной пластинки непосредственно примыкающей к зеркально скошенным торцам подложек основного и вторичного канала, передающего ППП в исходном направлении; при этом одна часть пучка ППП основного канала отражается пластинкой и направляется (без промежуточного преобразования в объемную волну) в другой вторичный канал, а вторая часть исходного пучка ППП преобразуется в объемную волну, проникающую через пластинку и генерирующую ППП во вторичном канале со скошенной волноведущей гранью подложки. Такое размещение каналов и светоделительной пластинки не только обеспечивает более эффективную передачу энергии из основного канала во вторичные, но и позволяет расположить все каналы в одной плоскости (поскольку толщина пластинки не превышает размера ближней волновой зоны ребра подложки в ИК-диапазоне, что обеспечивает близкую к 100% эффективность передачи энергии ППП между сопрягаемыми ППП каналами [Nazarov М., Garet F., Armand D. et al. Surface plasmon THz waves on gratings // Comptes Rendus Physique, 2008, v. 9, p. 232-247; Flynn R.A., Vurgaftman I., Bussmann K. et al. Transmission efficiency of surface plasmon polaritons across gaps in gold waveguides // Applied Phys. Lett., 2010, v. 96, 111101]), что устраняет необходимость юстировки сопрягаемых каналов.
Изобретение поясняется чертежом, где на Рис. 1 изображена схема устройства, реализующего заявляемый способ, и на Рис. 2 - зависимость коэффициентов отражения, поглощения и пропускания размещенной в воздухе плоскопараллельной полиметилпентеновой (TPX) пластинки (светоделителя) толщиной 1 мм от угла падения излучения с длиной волны 100 мкм.
Предлагаемый способ может быть реализован с использованием устройства, схема которого приведена на Рис. 1, где цифрами обозначены: 1 - основной ППП канал связи; 2 - делитель пучка ППП (прозрачная плоскопараллельная пластинка); 3, 4 - вторичные плазмон-поляритонные каналы связи.
Способ реализуется следующим образом. Исходный пучок ППП распространяется по каналу 1. Дойдя до скошенного ребра подложки, пучок ППП частично отражается от светоделительной пластинки 2 и направляется (в форме ППП) во вторичный канал 3, примыкающий к боковой грани канала 1 со стороны его более длинного ребра, смежному к скошенному. Отметим, что вследствие большой глубины проникновения (не менее 100·λ) поля ППП ТГц диапазона в окружающую среду, отражение ТГц ППП от плоского зеркала (светоделительной пластинки), ориентированного перпендикулярно волноведущей поверхности, идентично отражению плоской волны от такого зеркала [Bell R.J., Goben С.А., Davarpanah М. et al. Two-dimensional optics with surface electromagnetic waves // Applied Optics, 1975, v. 14 (6), p. 1322-1325]. Вторая часть пучка исходного пучка дифрагирует на скошенном ребре и трансформируется в объемную волну (ОВ), имеющую узкую диаграмму направленности, вершина которой лежит в плоскости подложки на продолжении трека ППП [Wallis R.F., Maradudin A.A., and Stegeman G.I. Surface polariton reflection and radiation at end faces // Applied Physics Letters, 1983, v. 42 (9), p. 764-766]. OB проникает через пластинку 2 и генерирует ППП на скошенном ребре вторичного канала 4. Ввиду того что толщина пластинки не превышает размера ближней волновой зоны ребра канала 1 в ТГц диапазоне, эффективность генерации ППП прошедшей через пластинку 2 объемной волной близка к 100% [Flynn R.A., Vurgaftman I., Bussmann K. et al. Transmission efficiency of surface plasmon polaritons across gaps in gold waveguides // Appl. Phys. Letters, 2010, v. 96, 111101]). Отметим, что размещение принимающего ребра канала 4 в ближней зоне излучающего ребра канала 1 не только обеспечивает эффективную передачу энергии из основного канала во вторичный, но и позволяется расположить сопрягаемые каналы в одной плоскости, что устраняет необходимость их тщательной юстировки.
p
τ
-1
-1
В качестве примера применения заявляемого способа рассмотрим возможность раздвоения ППП канала связи на покрытой золотом подложке при длине волны излучения λ=100 мкм; вторичные каналы имеют покрытие идентичное покрытию основного канала. Для расчета диэлектрической проницаемости золота используем модель Друде, с подстановкой в нее значений плазменной частоты ν=72800 см и столкновительной частоты свободных электронов ν=215 см [Ordal М.А., Bell R.J., Alexander R.W. et al. Optical properties of fourteen metals in the infrared and far infrared: Al, Co, Cu, Au, Fe, Pb, Mo, Ni, Pd, Pt, Ag, Ti, V, and W // Appl. Optics, 1985, v. 24, No. 24, р. 4493-4499]. Материалом для светоделительной пластики 2 толщиной 1 мм выберем полиметилпентен (TPX) с показателем преломления n=1,46 и показателем поглощения k=0,0025 [http://www.tydexoptics.com/ru/products/thz_optics/thz_materials/].
На рис. 2 представлены рассчитанные по формулам Френеля зависимости коэффициентов отражения R, поглощения А и пропускания Т размещенной в воздухе плоскопараллельной полиметилпентеновой (ТРХ) пластинки толщиной 1 мм от угла падения φ излучения с λ=100 мкм. Из этих зависимостей следует, что соотношение между интенсивностями отраженного и прошедшего через пластинку 2 излучения зависят от угла падения φ, что можно использовать для выбора долей энергии исходного пучка ППП, направляемыми во вторичные каналы 1 и 4. Так, например, при φ≈18° имеем R=0,11 и T≈0,88; соответствующие доли энергии поля исходного пучка ППП будут направлены в каналы 1 и 4 (ППП-1 и ППП-2 на Рис. 1).
Рассмотренный пример наглядно демонстрирует возможность более эффективного (по сравнению с прототипом) разделения плазмон-поляритонного канала связи терагерцового диапазона без необходимости трудоемкой юстировки исходного и вторичных каналов.