РЕФЛЕКТОР МИКРОВОЛНОВОГО И ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ АНТИНАПРАВЛЕННОГО ОТВЕТВИТЕЛЯ, УПРАВЛЯЕМЫЙ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

Полезная модель относится к области микроволновой техники и оптики, в частности к технике оптических и микроволновых резонаторов.
Известны оптические устройства, использующие свойства метаматериалов - структур с внедрением магнитных включений, которые в определенном диапазоне частот могут иметь одновременно отрицательные значения действительной части эффективных диэлектрической и магнитной проницаемостей. Известно, что структуры, получившие наименование метаматериалов (Shelby R.A., Smith D.R., Schultz S. // Science. 2001. V.292. P.77.), могут в определенном спектральном диапазоне иметь отрицательные значения диэлектрической и магнитной проницаемости. Такие среды получили название «левых» (Веселаго В.Г. // УФН. 1967. Т.92. №3. С.517.).
В качестве примера таких устройств можно привести рефлекторы (Patent US 7,580,604 B2, D'Aguanno et al.), резонаторы (Patent US 2010/0027102 A1, Hyde et al), оптические соединения (Patent US 2008/0212921 A1, Th.K.Gaylord et al).
Известны устройства волноводных антинаправленных ответвителей (Patent US 5,016,967, Meltz et al), основанные на передаче сигнала из одного волновода в другой при помощи дифракционных решеток. К недостаткам устройств этого типа можно отнести отсутствие возможности управления коэффициентом передачи сигнала.
Для устранения этого недостатка предлагается данная полезная модель.
Цель: управление коэффициентами передачи и отражения сигнала волноводного антинаправленного ответвителя в составе рефлектора микроволнового и оптического излучения.
Технический результат: повышение эффективности управления коэффициентом передачи и отражения сигнала в волноводном антинаправленном ответвителе в заданном диапазоне частот.
Технический результат достигается за счет реализации рефлектора микроволнового и оптического излучения на основе волноводного антинаправленного ответвитела, один из волноводов которого, изготовлен из метаматериала с отрицательным значением показателя преломления, зависящим от внешнего магнитного поля, что позволяет варьировать коэффициент передачи сигнала между волноводами при помощи изменения магнитного поля.
Описание полезной модели
Явления, связанные с отрицательным преломлением, наиболее эффективно проявляются при прохождении волной границы раздела между «левой» средой и обычным диэлектриком с положительным преломлением. К подобным явлениям можно отнести процесс распространения волны в антинаправленном ответвителе - структуре из двух туннельно-связанных волноводов с различными по знаку показателями преломления. Такая структура, в отличие от направленного ответвителя, работает как отражатель, передавая часть энергии электромагнитной волны из одного канала в другой. В работах (Yuan Y., Ran L., Chen H. et al. // Appl. Phys. Lett. 2006. V.88. P.211903, Zhang J., Chen H., Luo Y. et al. // Appl. Phys. Lett. 2007. V.90. P.043506.) была экспериментально продемонстрирована возможность перекачки энергии волны в таком волноводе между каналами. В этих работах динамика излучения рассматривалась без учета затухания, которое в метаматериалах является существенным. Не менее, важным является также вопрос о возможности управления динамикой туннельно-связанных волн в таких структурах, что представляется возможным за счет использования метаматериала с управляемым внешним магнитным полем показателем преломления.
Авторами проанализировано распространение электромагнитной волны в планарной структуре, состоящей из двух туннельно-связанных волноводов. (фиг.1) При этом материалом первого волноводного слоя является «правая» среда (1) имеющая действительную часть показателя преломления больше нуля , . Среда второго слоя (2) является метаматериалом и в определенном диапазоне имеет одновременно отрицательные значения действительной части эффективных диэлектрической и магнитной проницаемостей, в этом случае , . В качестве метаматериала рассмотрена среда, созданная на основе пластин железо-иттриевого граната и медных проводников. Выбор соответствующего материала обусловлен сильной зависимостью действительной части показателя преломления от внешнего магнитного поля. В подобного рода структурах сильное межволновое взаимодействие реализуется для волн с противоположно направленными значениями групповых скоростей, что делает возможным добиться практически полного отражения вводимого в подобного рода структуру микроволнового либо оптического излучения.
2
1
2
Анализ показывает, что распространяющийся в структуре волновой пакет формируется двумя волноводными модами, для которых фазовый синхронизм выполняется наилучшим образом. В «левой» среде это может быть объемная мода низшего порядка TE на достаточном удалении от толщины отсечки, где отсутствуют прямые моды (Розанов Н.Н. Нелинейная оптика. Ч.1. СПб.: СПб. ГУИТМО. 2008.). В состоянии «левой» среды электрический и магнитный векторы распространяющейся волны образуют с волновым вектором левую ортогональную тройку векторов. Вектор Пойнтинга такой волны противоположен ее волновому вектору, в силу чего она получила название обратной волны. Таким образом, в волноводной структуре антинаправленного ответвителя (фиг.1) в «правой» среде в положительном направлении оси OZ распространяется прямая волна I, а в «левой» среде - обратная волна I. Направления продольных компонент волновых векторов β и векторов Пойтинга S обеих волн приведены на фиг.1. Вектор определяет действия магнитного поля на структуру, L - длина структуры.
В приближении медленно меняющихся амплитуд туннельно-связанных волн система двух уравнений, описывающая импульсную динамику огибающих прямой и обратной волн в такой структуре с учетом дисперсионных эффектов первого и второго порядка, кубической нелинейности и дисперсии нелинейности этих сред, усиления «правой» и поглощения «левой» сред может быть представлена в виде (Кившарь Ю.С., Агравал Г.П. Оптические солитоны. От волоконных световодов к фотонным кристаллам. - М. Физматлит. 2005.):
,
.
j
0
1
2
j
j
j
j
0
2
2
Здесь введены следующие параметры:  - отстройка от фазового синхронизма, где , а β - константы распространения на несущей частоте ω; σ - коэффициент туннельной связи; α и α - коэффициенты усиления и поглощения прямой и обратной волн; параметры  в случае слабых поглощения и усиления сред (при ) можно интерпретировать как групповые скорости волн в каждом из волноводов; d=dβ/∂ω - параметры дисперсии групповых скоростей; γ и χ - параметры нелинейности и дисперсии нелинейности. Коэффициенты усиления и поглощения каждой из рассматриваемых сред определяются выражениями  и , где k=ω/c, а c - скорость света в вакууме.
Для численного анализа использованы в качестве «правой» среды материал с параметрами  и , не зависящие от частоты в исследуемом частотном диапазоне. Рассматриваемый метаматериал характеризуется следующими эффективными диэлектрической и магнитной воприимчивостями (Anderson D. // Phys. Rev.A. 1983. V.27, P.3135):
, .
p
ε
µ
7
-1
Параметры метаматериала выбирались следующими: ω=12.8 ГГц, 4πM=1760 Гс, , γ=1.76·10 (c·Э), b=b=20 МГц, H - напряженность внешнего магнитного поля. Зависимость показателя преломления метаматериала от магнитного поля позволяет управлять отстройкой от фазового синхронизма и тем самым влиять на характеристики распространяющихся в структуре волн.
1
2
1
2
σ
σ
1
2
-1
-1
-1
-1
-1
-1
На фиг.2 представлены частотные зависимости коэффициентов отражения R и прохождения T, полученные для структур с α=-0.4 м, α=0.4 м и α=-0.8, α=0.4 (сплошная и пунктирная кривые) при значениях σ=10 м и H=2.6 кЭ. Указанные зависимости получены на частотном интервале, где действительная часть показателя преломления метаматериала отрицательна и отвечает состоянию «левой» среды. Полное отражение вблизи частоты фазового синхронизма должно иметь место в случае выполнения неравенства L>>L=σ, где L - длина взаимодействия (для выбранных значений длины волновода L=0.4 м и параметра связи σ=10 м имеет место эффективное отражение, при σ=5 м эффективность отражения существенно понижается). Обращает также внимание асимметрия приведенных зависимостей относительно частоты фазового синхронизма, которая связана с проявлением дисперсии «левой» среды. При этом в структуре, слои которой не обладают усилением или поглощением, коэффициент прохождения T=1-R. Для активной структуры (α≠0, α≠0) отражение может быть как неполным, так и превышать единицу, хотя коэффициент прохождения на частоте фазового синхронизма практически равен нулю. Метаматериалы характеризуются высокими значениями коэффициента поглощения, поэтому наличие усиления в «правой» среде необходимо для их компенсации.
10
-1
Можно видеть, что в области частот, где распространение волн происходит в условиях, близких к фазовому синхронизму , структура работает как зеркало и распространяющаяся прямая волна практически полностью отражается, переходя в связанный волновод. В области значительной отстройки от фазового синхронизма, где коэффициент отражения практически равен нулю, в структуре распространяется только прямая волна. На фиг.3 приведены зависимости от подмагничивающего поля параметра отстройки  и отношения коэффициента связи к отстройке , полученные для несущей частоты ω/2π=10 Гц при значении σ=10 м. Выбранный интервал поля отвечает «левому» состоянию метаматериала. Видно, что на этом интервале возможно значительное изменение параметров b и δ и, следовательно, изменение режима распространения излучения в структуре.
При b=0, рассматриваемая структура перестает быть туннельно-связанной и волны в «правой» и «левой» средах распространяются независимо. Кроме того, имеется достаточно широкая область значений поля, где величина b близка к единице, что позволяет в данной области плавно регулировать коэффициент передачи сигнала, изменяя значения поля и коэффициента связи между волноводами.