Терагерцовый генератор электромагнитного излучения на основе тонкой сверхпроводящей пленки и фотонно-кристаллической подложки

В настоящее время значительный интерес при решении многих прикладных задач современной оптоэлектроники представляют направляющие волноводные структуры, в которых можно создать условия для снижения фазовых и групповых скоростей распространяющихся в них электромагнитных волн (ЭМВ) более чем на два порядка по отношению к скорости света в вакууме. Существенное замедление ЭМВ в таких структурах открывает возможность дальнейшего создания усилителей и генераторов терагерцового диапазона, работающих по принципу усиления ЭМВ при ее взаимодействии с потоком заряженных частиц. На практике подобное взаимодействие положено в основу работы целого ряда СВЧ-приборов и устройств: клистронов, линейных ускорителей заряженных частиц, ламп бегущей и обратной волны [М.И. Рабинович, Д.И. Трубецков. Введение в теорию колебаний и волн. НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2000, 560 с.].
Замедление ЭМВ также может быть реализовано и в волноводных устройствах оптического и терагерцового диапазонов частот, где в качестве волноводного слоя могут выступать тонкие проводящие пленки. Однако, наличие сильного поглощения в проводящей среде не позволяет их использовать в качестве основного компонента направляющих волноведущих систем. К тому же, обеспечение необходимого усиления волны при ее прохождении через пленку требует пропускания больших критических токов, что при использовании нормальных металлов приводит к большому выделению тепла в образце и, как следствие, его возможной плавке.
Механизм усиления и генерации когерентных поверхностных ЭМВ оптического диапазона впервые был рассмотрен в квантово-плазменной структуре - спазере. Устройство состоит из проводящих (металлических или полупроводниковых) нановключений, помещенных в диэлектрическую оболочку [D. Bergman, I. Stockman. Surface plasmon amplification by stimulated emission of radiation: quantum generation of coherent surface plasmons in nanosystems. Phys Rev. Lett. 2003. V. 90. N.2. P. 027402]. На границе раздела диэлектрика с проводящей средой могут возникать поверхностные волны на частоте, зависящей как от геометрических размеров оболочки и нановключения, так и от их материальных параметров. Усиление в подобной структуре реализуется за счет окружения оболочки несколькими слоями хромофора и осуществляется при наличии накачки, обеспечивающей подвод энергии к усиливающей среде.
Также известна схема усиления поверхностных плазмон-поляритонов, распространяющихся в планарных волноводах вдоль границы раздела металла и полупроводника. Усиление в таких активные волноводах - диодах Шоттки обеспечивается за счет использования внешней электрической накачки [D. Yu. Fedyanin, A. V. Arsenin. Surface plasmon polariton amplification in metal-semiconductor structures. Opt. Express. 2011. V. 19. Iss. 13. P. 12524]. Омические потери в металле могут быть компенсированы усилением в полупроводнике. Известна модель усилителя, представляющая собой планарную многослойную структуру, содержащую нанометровые металлические и графеновые пленки [P. Mulpur, R. Podila et. al. Amplification on surface plasmon coupled emission from graphene-argentum hybrid films. J. Phys. Chem. 2013. V. 117. P. 17205]. Активной средой структуры является графеновая пленка, в которой периодически расположены сферические нановключения красителя.
Известен оптический усилитель поверхностных плазмон-поляритонных волн с высоким коэффициентом усиления в видимой и инфракрасной области спектра [US Patent. I. De Leon, P. Berini. Amplification of long range surface plasmons with reduced noise. US 13/432630]. Усилитель состоит из тонкого слоя материала, имеющего комплексную диэлектрическую проницаемость с отрицательной действительной частью на частоте распространяющегося поверхностного плазмон-поляритонна. Этот материал находится в контакте с оптической усиливающей средой.
Недостатки указанных моделей
- они предназначены для усиления и генерации ЭМВ только в оптическом диапазоне;
- не обеспечивают требуемого усиления ЭМВ при распространении ППП в проводящей среде, что не позволяет полностью скомпенсировать омические потери;
- сложность технологической реализации моделей ввиду их сложных конструктивных схем и строгими требованиями к числу и толщинам слоев.
Указанные недостатки возможно устранить, если вместо металлических и полупроводниковых пленок использовать пленки современных высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). В данных материалах при низких температурах поглощение практически отсутствует, а величины пропускаемого через них критического тока в десятки раз превышают значения критических токов для нормальных металлов. В связи с этим, ВТСП являются наиболее технологичными и перспективными материалами для создания на их основе оптических и терагерцовых устройств передачи излучения, в том числе компактных усилителей и генераторов терагерцового диапазона.
Для устранения указанных недостатков предлагается данная полезная модель.
Цель: обеспечить усиление и генерацию поверхностной ЭМВ в широком диапазоне частот терагерцовой области спектра.
Технический результат: создание компактного плазмонного волновода на основе активной среды, в которой реализуются режимы усиления и генерации поверхностных ЭМВ при их взаимодействии с потоком дрейфовых электронов в пленке ВТСП.
Предлагаемая полезная модель включает следующие конструктивные элементы: 1 - источник излучения, 2 - поляризатор, 3- устройство ввода излучения в структуру, 4 - тонкая пленка ВТСП типа YBCO, 5 - покровная диэлектрическая среда, 6 - фотонно-кристаллическая диэлектрическая среда с периодическим изменением показателя преломления, 7 - криогенная система охлаждения, 8 - внешний источник питания, 9 - блок управления.
2
3
7-x
Предлагаемая полезная модель состоит из источника излучения 1, работающего в диапазоне частот  (), поляризатора 2, после прохождения которого излучение становится ТМ-поляризованным, устройства ввода 3. Основным элементом полезной модели является плазмонный волновод, состоящий из тонкой сверхпроводящей пленки 4, окруженной диэлектрическими обкладками. В качестве материала пленки выбран высокотемпературный сверхпроводник YBaCuO (оксид иттрия-бария-меди), диэлектрическая проницаемость которого отрицательна на рабочих частотах терагерцового диапазона, а значение критической температуры . Пленка ВТСП находится между покровным диэлектрическим материалом 5 с положительной ДП и фотонно-кристаллической подложкой 6, для которой характерно периодическое изменением показателя преломления за счет чередования двух материалов с различными положительными значениями ДП. Плазмонный волновод помещен в криогенную систему охлаждения 7, которая поддерживает заданный низкотемпературный режим в пределах . К противоположным концам пленки ВТСП подсоединены электроды от внешнего источника питания 8, которые при работе источника питания обеспечивают протекание носителей заряда через пленку. Блок управления 9 рассматриваемой системы соединен с элементами 1, 2, 3 и 7, 8.
Рассмотрим принцип действия предлагаемой полезной модели, схематическое изображение которой приведено на фиг. 1. Излучение от источника 1 терагерцовой частоты попадает на поляризатор 2 и после его прохождения приобретает ТМ-поляризацию. Полностью поляризованное излучение через устройство ввода 3 подается в волноводную структуру, где преобразуется в поверхностную волну плазмон-поляритонного типа, которая распространяется вдоль границ раздела пленки ВТСП 4 и диэлектриков 5 и 6. Для существенного замедления поверхностной волны ее константа распространения должна либо соответствовать максимуму частоты вводимого в структуру излучения, либо быть близкой к критической частоте:
,
где  - плазменная частота ВТСП,  - решеточная часть диэлектрическая проницаемость сверхпроводника,  и  - диэлектрические проницаемости покровного слоя и подложки. В этом случае существенное замедление поверхностной волны выражается в снижении ее фазовой и групповой скоростей и более чем на два порядка по отношению к скорости света в вакууме. Данное обстоятельство открывает возможность взаимодействия поверхностной ЭМВ с волной носителей заряда, в результате которого происходит ее дальнейшее усиление. Электроды от внешнего источника питания 8 подключены к противоположным концам пленки ВТСП и создают между ее концами разность потенциалов, которая обеспечивает движение носителей заряда в объеме пленки. При этом пленка ВТСП становится активной средой для распространяющихся в ней поверхностных волн. При распространении поверхностной волны в положительном направлении (продольной координаты) поле замедленной поверхностной волны в активной области в процессе взаимодействия с волной дрейфового тока возрастает пропорционально фактору , где g - коэффициент усиления, зависящий от величины прикладываемого напряжения, фазовой и групповой скоростей волны и скорости носителей, x - продольная координата волновода (). Нижняя периодическая диэлектрическая среда 6, состоящая из двух чередующихся материалов с различными положительными значениями диэлектрической проницаемости обеспечивает обратную связь и перекачку энергии между прямой поверхностной волной и образованной за счет многократных брегговских переотражений на каждой границе раздела между диэлектриками обратной поверхностной волны. Указанная связь между плазмон-поляритонной волной и волной дрейфового тока распределена и осуществляется по всей длине волновода. Причем, пленка ВТСП является усиливающей средой только для прямой волны, в то время как переотраженная обратная волна не усиливается, т.е. ее взаимодействием с волной дрейфового тока пренебрегаем. Период структуры подбирается таким образом, чтобы при прохождении ЭМВ через активную область резонатора осуществлялось достаточное количество переотражений плазмон-поляритонной волны в токовую волну, что, в свою очередь, позволяет обеспечить переход режима усиления в режим генерации.
Далее представим численные характеристики рассматриваемой полезной модели. В качестве экспериментальных образцов рассматривались два плазмонных волновода с одинаковыми толщинами пленки ВТСП , но с разными длинами . Подвижность носителей заряда в материале . Напряжение от источника питания варьируется в интервале . В этом случае скорость носителей в пленке  для выбранных длин волноводов будет изменяться в диапазоне , что сопоставимо со скоростью замедленной плазмон-поляритонной волны. Рабочая частота, соответствующая максимальному замедлению поверхностной волны, составила . Поддерживаемая системой охлаждения температура не превышает . Диэлектрическая проницаемость ВТСП при выбранных значениях частоты и температура принимает отрицательные значения . Верхней покровной средой является немагнитный диэлектрик с . Нижняя среда представляет собой фотонный кристалл, образованный чередованием двух параллельных друг другу слоев с различными положительными, но мало отличающимися значениями диэлектрической проницаемости: .
При подаче излучения на вход волновода и последующем взаимодействии в активной области резонатора бегущей токовой волны и плазмон-поляритонной волны и последующего ее переизлучения в обратную волну будем иметь две поверхностных волны: отраженную - на входе и прошедшую - на выходе из волновода. Причем амплитуды этих волн могут превышать амплитуду входящей волны, т. е. рассматриваемая структура может работать как усилитель по входящему и отраженному сигналам. На фиг. 2 представлены частотные зависимости коэффициентов усиления для прошедшей (а) и отраженной (б) плазмон-поляритонной волны при толщине пленки 0.1 мкм и длинах 1 (кривые 10,12) и 10 мкм (кривые 11,13). Анализ зависимостей показывает, что при выбранных расчетных параметрах коэффициенты R и T стремятся к бесконечности на частоте 25 ТГц, т.е. в системе реализуется генерация за счет распределенной обратной связи. Изменение длины активного элемента существенно влияет на сдвиг генерируемых частот и пиковые значения коэффициента усиления.
Таким образом, пленку ВТСП на периодической подложке можно рассматривать как безотражательный микрорезонатор, который может усиливать как прошедшее через волновод, так и отраженное от него излучение, имея в рабочей области ряд частот, для которых реализуется режим генерации поверхностных ЭМВ.