ГЕНЕРАТОР МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ТУННЕЛЬНО-СВЯЗАННОЙ СТРУКТУРЫ

Полезная модель относится к области сверхвысокочастотной оптоэлектроники а также к области лазерной техники, в частности к технике лазеров с распределенной обратной связью.
Известна принципиальная модель лазерного источника, основанная на туннельно-связанных планарных волноводах, один из которых изготовлен из метаматериала с отрицательной действительной частью показателя преломления, а второй волновод состоит из материала с положительным показателем преломления и является усиливающим [Patent US 2009/0219623 A1, Shalaev et al.]. Теоретически предсказано [A.Alu, N.Engheta in "Negative-refraction Metamaterials: Fundamental Principle and Applications", eds. G.V.Elefteriades & K.G.Baltman (Wiley, New York, 2005)], что вследствие того, что потоки энергии в таких туннельно-связанных волноводах противоположны, подобная структура представляет из себя резонатор и при достаточном усилении может генерировать лазерное излучение.
Указанная принципиальная модель имеет следующие недостатки: во-первых, в ней не заданы четкие условия генерации излучения, т.е. не указаны частоты генерации и требуемые значения усиления, во-вторых, не показана даже принципиальная возможность перестройки частоты лазерной генерации.
Известна полезная модель перестраиваемого лазера с распределенной обратной связью 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 [Перестраиваемый лазер с распределенной обратной связью. Золотовский И.О., Коробко Д.А., Новиков С.Г., Семенцов Д.И., Василевская Т.М. Заявка: 2012122047. Дата подачи заявки: 28.05.2012 Решение о выдаче патента от 2012.10.10.]. Данная полезная модель взята за прототип.
Функционирование известной полезной модели базируется на преобразовании энергии непрерывного излучения накачки в энергию сигнала микроволнового диапазона, самовозбуждаемого при резонансе туннельно-связанной структуры. При этом в волноводе с положительным показателем преломления генерируется прямая, а в волноводе с отрицательным показателем преломления обратная волна, связанные друг с другом и обладающие критическим значением отстройки от фазового синхронизма. Регулируя магнитное поле, можно изменять показатель преломления магниточувствительного метаматериала и изменять тем самым частоту генерации структуры.
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 генерируемого 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 генератора микроволнового диапазона.
Цель: реализовать генератор микроволнового излучения на основе структуры из туннельно-связанных планарных волноводов, один из которых изготовлен из метаматериала с отрицательным показателем преломления, а второй состоит из материала с положительным показателем преломления и является усиливающим, в виде модели компактного функционального элемента интегральной сверхвысокочастотной оптоэлектроники.
Технический результат: обеспечение возможности исполнения перестраиваимого генератора микроволнового излучения в виде компактного элемента интегральной оптоэлектронной схемы.
Технический результат достигается реализацией усиления в волноводе с положительным показателем преломления за счет модуляционной неустойчивости вводимой в него мощной волны инфракрасного диапазона, при этом данный волновод должен быть изготовлен из материала с высоким коэффициентом керровской нелинейности, например, полупроводника GaAs и обладать отрицательной дисперсией групповых скоростей на частоте инфракрасной волны накачки.
Метаматериалы с отрицательным показателем преломления (NIM - negative index metamaterials) - это искусственные структуры, в которых действительная часть показателя преломления в определенном диапазоне частот является отрицательной. Это происходит только в том случае, если отрицательными одновременно являются действительные части диэлектрической проницаемости ε и магнитной восприимчивости µ. Отличительным свойством таких материалов в этом случае является то, что вектор Пойнтинга электромагнитной волны, распространяющейся в них противоположен волновому вектору, который образует с векторами электрического и магнитного полей левую тройку, т.е. волна переносит энергию в направлении противоположном своему распространению. Такие среды, изначально рассматривавшиеся только как теоретически возможный объект, получили название «левых» (Веселаго В.Г. // УФН. 1967. Т.92. №3. с.517).
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., Cai V., Chettar U.K. et al. Optics Letters, 30, 3356 (2005). Zhang S., Fan W., Panoiu M.C. et al. Phys. Rew. 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.García-Miquel, J.Carbonell, V.Е.Boria, and J.Sánchez-Dehesa, Appl. Phys. Lett., 94, 054103 (2009), Zhao H., Zhou J., Kang L., Zhao Q. Opt. Express, 17, №16, 13373 (2009), Zhao H., 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. Данная структура, передает часть энергии электромагнитной волны из одного канала в другой, который в свою очередь возвращает часть энергии в первый канал, таким образом, реализуя резонансную обратную связь. [Shadrivov I.V., Sukhorukov А.А., Kivshar Y.S. Phys. Rev. E. 69, 016617 (2004), Маймистов А.И., Казанцева B.E. Опт. и спектр. 112, №2. 264 (2012), Барыкина Е.И., Золотовский И.О., Семенцов Д.И. Радиотехн. и электрон., 57, №2. 181 (2012).]
Особенностью «левых» сред является наличие существенного поглощения, поэтому сильное затухание в них должно быть компенсировано усилением в «правой» среде. При полной компенсации потерь и определенном дополнительном усилении в рассмотренной выше структуре из двух туннельно-связанных волноводов с различными по знаку показателями преломления происходит самовозбуждение связанных волн с определенной резонансной отстройкой от фазового синхронизма. Таким образом, подобные туннельно-связанные волноводы можно рассматривать как лазер с распределенной обратной связью [Patent US 2009/0219623 A1, Shalaev et al, Заявка: 2012122047. Дата подачи заявки: 28.05.2012 Решение о выдаче патента от 2012.10.10. Золотовский И.О., Коробко Д.А., Новиков С.Г., Семенцов Д.И., Василевская Т.М.].
Описание полезной модели
Генератор микроволнового излучения представляет собой два планарных туннельно-связанных волновода и источник магнитного поля (фиг 1), причем, один из волноводов изготовлен из полупроводникового материала, например GaAs, т.е. представляет собой обычную «правую» среду с положительным показателем преломления и высоким коэффициентом керровской нелинейности. Второй волновод изготовлен из магниточувствительного метаматериала с отрицательным значением показателя преломления в микроволновом диапазоне.
10
-1
10
-1
Данный метаматериал выполнен на основе периодической структуры 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 [Zhao Н., Zhou J., Zhao Q. et al. Appl. Phys. Lett, 91, 131107 (2007)]. 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…3·800) кЭ в микроволновом диапазоне 3·10c<ω<8.2·10c 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». Генератор содержит также источник магнитного поля, варьируя которое можно изменять показатель преломления метаматериала, и источник накачки ИК диапазона, например, полупроводниковый лазер с перестраиваемой частотой генерации, соединенный с полупроводниковым волноводным слоем.
0
-1
Данный генератор может быть реализован как компактный элемент интегральной схемы сверхвысокочастотной оптоэлектроники. При этом для эффективной генерации микроволнового излучения при средних мощностях накачки (Р<1 Вт) 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. Вывод генерируемого микроволнового излучения осуществляется при помощи планарных волноводов. При этом излучение выводится как из полупроводникового слоя так и из метаматериала.
0
0
0
0
0
1/2
Техническая задача по реализации необходимого уровня усиления в полупроводниковом слое решается, используя модуляционную неустойчивость непрерывной волны накачки ИК-диапазона частоты ω с постоянной мощностью Р. Неизбежно присутствующий в системе СВЧ шум модулирует волну накачки, неустойчивость которой приводит к усилению спектральных компонент с частотами со в области |ω-ω|<(4RP/|D|), где R - коэффициент керровской нелинейности полупроводника, a D - величина дисперсии групповых скоростей полупроводникового волновода. Важно отметить, что параметр D на указанной частоте ω должен быть отрицательным. Достигаемый коэффициент усиления сигнала в полупроводниковом слое на частоте со равен:
.
-27
2
-27
2
-1
-1
На фиг.2 (a, b) представлены частотные зависимости коэффициента усиления в полупроводниковом слое при длине волны накачки λ=6 мкм,коэффициенте дисперсии волновода D=-1·10с/м (сплошные линии), D=-2·10 с/м (штриховые линии), коэффициенте нелинейности R=100 Вт м при различных мощностях накачки. На фиг.2 (b) данные зависимости более подробно представлены в микроволновом диапазоне. Как можно видеть, коэффициент усиления в данном диапазоне в зависимости от мощности накачки может изменяться в широких пределах. Использование источников накачки с меньшей длиной волны требует повышения мощности накачки. Также необходимо отметить, что коэффициент усиления можно регулировать, изменяя частоту генерации перестраиваемого лазера накачки.
2
]
2
Таким образом, используя механизм модуляционной неустойчивости накачки, достигнут технический результат: получен способ усиления микроволнового сигнала в полупроводниковом планарном волноводе. Усиление необходимо для компенсации потерь в метаматериале α<0 и поддержания общего усиления в системе Δα=α+α>0, наличие которого является обязательным условием генерации.
Обратная связь в структуре приводит к тому, что в некоторых резонансных точках, характеризующихся определенными значениями отстройки от синхронизма δ и общего усиления Δα, коэффициенты отражения и пропускания стремятся к бесконечности. В результате происходит спонтанное самовозбуждение резонансных мод структуры и начинается процесс генерации излучения.
1
2
1
2
Показатель преломления GaAs n≈3.4, показатель преломления метаматериала в зависимости от частоты ω и величины приложенного поля варьируется в пределах -2<n<0. В данных условиях отстройка от синхронизма между прямой и обратной волнами δ=(n-|n|)·ω/c>2σ и значительно превосходит коэффициент усиления Δα. В этом случае для частот генерации можно записать выражение
.
Здесь L - длина структуры и m - порядковый номер моды. Отмечаем, что ростом номера моды пороговое усиление Δα, необходимое для возбуждения генерации возрастает.
-1
10
-1
-1
-27
2
-1
-1
0
1
0
2
На фиг.3 приведены линии уровня коэффициентов пропускания Т фиг.3(а) и отражения R фиг.3(b) для туннельно-связанной волноводной структуры, полученные в зависимости от величины внешнего поля и отстройки от частоты накачки. Для расчета выбраны следующие параметры структуры σ=200 м, L=0.2 м, мощности накачки Р=0.05 Вт и частоты сигнальной волны ω=5.9-10 с Линиям уровней T=2,5,10 и R=2, 4, 6 отвечают пунктирная, штриховая и сплошная линии. Инкремент усиления сигнальной волны, реализуемый в полупроводниковом материале с параметрами , R=100(Вт·м), D=-1·10 с/м за счет МН волны накачки в рассматриваемом диапазоне близок к α  10 м. Линии уровня выделяют точки с бесконечными значениями коэффициентов отражения и пропускания - точки генерации структуры. Можно видеть наличие критических точек при двух значениях отстройки от частоты накачки, что соответствует зависимости коэффициента усиления от частоты отстройки Ω=ω-ω. Величиной усиления в структуре можно управлять, изменяя мощность и частоту волны накачки. На фиг.4 для структуры с коэффициентом связи σ=200 м и длиной L=0.2 м приведены зависимости частот 1, 2 и т.д. мод генерации в зависимости от внешнего магнитного поля. Принцип перестройки лазера можно пояснить следующим: вариация магнитного поля изменяет магнитную проницаемость µи, соответственно, коэффициент преломления  метаматериала, что приводит к изменению отстройки  прямой и обратной волн. При достижении отстройкой резонансного значения и достаточном усилении в системе начинается процесс генерации. Таким образом, меняя внешнее магнитное поле, можно эффективно осуществлять перестройку частоты генерации.
На фиг.1 показана принципиальная схема предлагаемой модели лазера с распределенной обратной связью.
Таким образом, предложена полезная модель перестраиваемого по частоте компактного генератора микроволнового излучения, состоящего из двух планарных туннельно-связанных волноводов, причем, один из волноводов изготовлен из магниточувствительного метаматериала, который в широкой области изменения внешнего магнитного поля в микроволновом диапазоне представляет собой «левую» среду с отрицательным значением показателя преломления. Данная структура представляет собой волноведущую систему с обратной связью, в резонансных точках которой при достаточном внешнем усилении происходит генерация микроволнового излучения. Отличием данной модели является то, что усиление обеспечивается за счет модуляционной неустойчивости 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 и обладать отрицательной дисперсией групповых скоростей на частоте инфракрасной волны накачки.
Изменяя внешнее магнитное поле, можно перестраивать частоту генерации.