УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТЬЮ ВОЛНОВЫХ ПАКЕТОВ МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к области микроволновой техники и интегральной оптики, в частности к технике резонаторов и усилителей микроволнового и оптического диапазонов, а также технике оптических логических элементов.
Известна полезная модель устройства для управления скоростью волновых пакетов на основе туннельно-связанной структуры планарных волноводов, один из которых изготовлен из магниточувствительного метаматериала с отрицательным показателем преломления в микроволновой области, а второй из материала с положительным показателем преломления, причем второй волновод является усиливающим [Устройство для управления скоростью волновых пакетов, Золотовский И.О., Коробко ДА., Новиков С.Г., Семенцов Д.И., Патент РФ №119900 от 27.08.2012 г.]. Данная полезная модель взята за прототип.
Функционирование известной полезной модели базируется на том, что скорость волнового пакета, распространяющегося в туннельно-связанной структуре, зависит от показателя преломления магниточувствительного метаматериала. Регулируя магнитное поле, можно изменять показатель преломления магниточувствительного метаматериала и изменять тем самым скорость волнового пакета. Потери в метаматериале компенсируются за счет усиления в слое с положительным показателем преломления.
Недостатком прототипа является то, что в нем не конкретизирован механизм реализации усиления в волноводе с положительным показателем преломления, т.е. не указаны частота, мощность и возможный источник излучения накачки, обеспечивающего необходимое усиление на частоте сигнала микроволнового диапазона в туннельно-связанном планарном волноводе с положительным показателем преломления. Между тем усиление сигнала микроволнового диапазона в твердотельном планарном волноводе представляет собой отдельную техническую задачу. Отсутствие ее решения делает невозможным использование данного генератора в качестве компактного элемента интегральной СВЧ оптоэлектроники. Настоящая полезная модель направлена на решение данной технической задачи по совершенствованию схемы оптоэлектронного устройства задержки волновых пакетов.
Цель: Реализация устройства для управления скоростью волновых пакетов на основе туннельно-связанной структуры материалов с положительным и отрицательным показателями преломления в виде элемента интегрально-оптической схемы.
Технический результат: полная компенсация потерь в метаматериале.
Технический результат достигается за счет:
- усиления сигнала в волноводе с положительным показателем преломления, причем усиление происходит за счет модуляционной неустойчивости накачки инфракрасного диапазона, подаваемой в волновод с положительным показателем преломления, изготовленный из материала с высоким коэффициентом керровской нелинейности, например, полупроводника GaAs,
-1
- за счет высокого (σ>100 м) коэффициента связи между волноводами структуры.
В последние годы проводится активное исследование оптических свойств метаматериалов - искусственных структур, для которых в определенном спектральном диапазоне реализуются отрицательные значения действительной части показателя преломления. Это происходит только в том случае, если отрицательными одновременно являются действительные части диэлектрической и магнитной проницаемостей ε и µ. Отличительным свойством таких материалов является то, что вектор Пойнтинга распространяющейся электромагнитной волны противоположен по направлению волновому вектору и образует с векторами электрического и магнитного полей левую тройку, в силу чего такие среды получили название «левых» [Веселаго В.Г. УФН, 92, №3, 517 (1967), Shelby R.A., Smith D.R., Schultz S. Science 292, 77 (2001)]. За последние годы создано большое число материалов, демонстрирующих в определенном диапазоне частот свойства «левой» среды. В настоящее время известны метаматериалы с отрицательными значениями показателя преломления в микроволновой, инфракрасной, и даже в оптической областях спектра [Shalaev V.M., Cat V., Chettar U.K. et al. Optics Letters, 30, 3356 (2005). Zhang S., FanW., Panoiu M.C. et al. Phys. Row. Lett., 95, 137404 (2005).]. Получены также магниточувствительные материалы, демонстрирующие в достаточно широкой области частот микроволнового диапазона свойства «левой» среды. При этом положение указанной области зависит от величины внешнего магнитного поля [Н.Garcia-Miquel, J.Carbonell, V.Е.Boria, and J.Sanchez-Dehesa, Appl. Phys. Lett., 94, 054103 (2009), Zhao Н., Zhou J., Kang L., Zhao Q. Opt. Express, 17, №16, 13373 (2009), Zhao Н., Zhou J., Zhao Q. et al. Appl. Phys. Lett., 91, 131107 (2007)].
Явления, связанные с отрицательным преломлением, наиболее эффективно проявляются при прохождении волной границы раздела между «левой» и «правой» средами. Большой интерес представляют исследования по созданию на основе туннельно-связанных волноводов с различными знаками показателя преломления разнообразных резонаторных устройств. В таких волноводах в «правой» среде распространяется прямая волна, а в «левой» среде - связанная волна с вектором Пойнтинга, противоположным ее волновому вектору. Эту волну принято называть обратной. В работах [Shadrikov I.V., Sukhorukov A.A., Kivshar Y.S. Phys. Rev. Е. 69, 016617 (2004), Маймистов А.И., Казанцева В.Е. Опт.и спектр. 112, №2. 264 (2012), Барыкина Е.И., Золотовский И.О., Семенцов Д.И. Радиотехн. и электрон., 57, №2. 181 (2012).] показано, что распространение волн в такой туннельно-связанной структуре аналогично распространению в структурах с распределенной обратной связью. Особенности распространения волн в таких структурах позволяют реализовать на их основе направленные ответвители, волноводные переключатели, усилители и некоторые другие устройства управления излучением.
Устройство для управления скоростью волновых пакетов микроволнового излучения представляет собой два планарных туннельно-связанных волновода и источника магнитного поля, причем, один из волноводов изготовлен из метаматериала с отрицательным значением показателя преломления в микроволновом диапазоне, зависящим от внешнего магнитного поля. Кроме того устройство содержит источник постоянного инфракрасного излучения, ввод которого осуществляется в волновод изготовленный из материала с высоким коэффициентом керровской нелинейности.
Материалом первого волноводного слоя является полупроводник, например GaAs, т.е. обычная «правая» среда с положительным показателем преломления, причем высокий коэффициент керровской нелинейности полупроводника позволяет осуществлять усиление распространяющегося микроволнового сигнала за счет модуляционной неустойчивости мощной волны накачки ИК-диапазона. Среда второго слоя является искусственным магниточувствительным метаматериалом, изготовленным на основе периодической структуры, например, пластин железо-иттриевого граната (толщиной около 1 мм) и встроенной в нее структуры из медных проводников периодом 1,3 мм, при этом ширина проводника составляет 0,2 мм, а толщина 0,018 мм. (Фиг.1)
10
-1
10
-1
При выключенном внешнем поле метаматериал является обычной «правой» средой и обладает положительным показателем преломления, в том числе и в микроволновом диапазоне частот. При включении внешнего поля в широкой области его значений Н=(400…3800) кЭ в микроволновом диапазоне 3·10c<ω<8.2·10с метаматериал обладает одновременно отрицательными эффективными диэлектрической и магнитной проницаемостями. В этом случае среда имеет отрицательный знак действительной части показателя преломления и в соответствии с принятой терминологией считается «левой». Для этого случая (который и рассматривается в дальнейшем) направления продольных компонент волновых векторов и векторов Пойнтинга прямой и обратной волн схематически показаны на Фиг.2.
-1
Для эффективного управления скоростью волнового пакета микроволнового излучения рассматриваемая структура должна характеризоваться высоким коэффициентом туннельной связи (σ>100 м), что может быть достигнуто использованием технологий эпитаксиального наращивания полупроводникового волноводного слоя на подложку интегрированную с метаматериалом.
0
0
0
0
0
Метаматериал в состоянии левой среды характеризуется значительным поглощением, для его компенсации предлагается усиливать сигнал в полупроводниковом волноводе. Для этого в волновод вводится монохроматическая волна накачки инфракрасного диапазона с частотой ω с постоянной мощностью P много большей мощности сигнала. Сигнал микроволнового излучения модулирует волну накачки, при этом происходит его усиление за счет эффекта модуляционной неустойчивости. Важно отметить, что параметр дисперсии групповых скоростей полупроводникового волновода D на указанной частоте ω должен быть отрицательным. Достигаемый коэффициент усиления сигнала в полупроводниковом слое на частоте ω<ω зависит от мощности накачки Р, коэффициента керровской нелинейности R и величины дисперсии волновода D:
Полученная структура представляет собой активный нелинейный диспергирующий элемент управления микроволновым излучением. Управляющим параметром является отстройка между действительными частями постоянных распространения прямой и обратной волн:
2
где ,  - действительные части показателей преломления полупроводника и метаматериала на данной частоте ω. Изменяя показатель метаматериала n при помощи внешнего магнитного поля возможно изменять параметр отстройки и тем самым воздействовать на прохождение волнового пакета через структуру.
10
-1
На Фиг.3 показаны зависимости действительной части показателя преломления метаматериала от величины магнитного поля. Кривые (1-3) отвечают частотам ω=(5,6,7.5)·10с.
+
При отстройке малой по сравнению с коэффициентом связи σ, при полностью скомпенсированных потерях почти во всей области δ<2σ структура работает как идеальное зеркало, передающее мощность прямой волны в обратную [Золотовский И.О., Коробко Д.А., Новиков С.Г., Семенцов Д.И., патент №118445 от «20» июля 2012 г]. Это возможно реализовать для кварцевого волноводного слоя, при этом . В рассматриваемом случае полупроводникового волноводного слоя , что означает довольно высокую отстройку в микроволновом диапазоне. Тем не менее сильная связь между прямой и возбуждающейся обратной волнами приводит к замедлению распространения волнового пакета в структуре. Для эффективной скорости прямой волны u справедливо выражение:
+
где величины  в случае слабых поглощения и усиления сред (при ) могут быть интерпретированы как групповые скорости волн в каждой из сред. Отмечаем, что скорость прямой волны и→0, если величина . Высокое значение коэффициента туннельной связи σ позволяет в широких пределах управлять скоростью пакета. При этом существенно, что указанное условие можно реализовать в относительно большом диапазоне частот. Возможность управлять скоростью прямой волны и значительно ее уменьшать позволяет использовать данную структуру в качестве замедляющей системы.
10
-1
-1
На Фиг.4 показаны зависимости скорости прямой волны в структуре от приложенного магнитного поля. (Показано отношение эффективной скорости волнового пакета к групповой скорости в свободном полупроводниковом волноводе). Кривые (1-3) отвечают несущим частотам ω=(5,6,7.5)·10с. Можно видеть, что наличие сильной (с коэффициентом σ>100 м) связи позволяет существенно варьировать скорость волнового пакета. Отмечаем, значительное изменение скорости волнового пакета при изменении внешнего поля.
-
Таким образом, при помощи данного устройства можно эффективно управлять скоростью распространяющегося волнового пакета, что позволяет использовать его в качестве управляемого замедлителя в логических элементах интегральной оптики. Отличием данной модели является то, что для компенсации потерь волновод с положительным показателем преломления является в микроволновом диапазоне усиливающим. Усиление осуществляется за счет модуляционной неустойчивости накачки - мощной волны инфракрасного диапазона, вводимой в волновод с положительным показателем преломления. Данный волновод должен быть изготовлен из материала с высоким коэффициентом керровской нелинейности, например, полупроводника GaAs. Для эффективного управления скоростью пакета волноводы в структуре должны иметь высокий коэффициент туннельной связи (σ>100 м).