МОДУЛЯТОР СВЧ ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ АНТИНАПРАВЛЕННОГО ОТВЕТВИТЕЛЯ, УПРАВЛЯЕМОГО МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

Полезная модель относится к области сверхвысокочастотной оптоэлектроники.
Известны оптоэлектронные устройства, использующие свойства «левых» сред - структур, которые могут в определенном спектральном диапазоне иметь отрицательные значения диэлектрической и магнитной проницаемости и, соответственно, отрицательный показатель преломления. (Веселаго В.Г. // УФН. 92, 3, 517 (1967)). В качестве примера таких устройств можно привести рефлекторы (Patent US 7,580,604 В2, 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 электрооптические, акустооптические, магнитооптические модуляторы излучения, основанные на туннельно-связанных волноведущих структурах [Р.Хансперджер «Интегральная оптика: теория и технология», М.: ″Мир″, 1985].
Известна полезная модель рефлектора СВЧ излучения, включающая антинаправленный ответвитель на основе туннельно-связанной структуры планарных волноводов, один из которых изготовлен из магниточувствительного «левого» материала. [Патент №118445 от 20.07.2012 г, И.О.Золотовский, Д.А.Коробко, С.Г.Новиков, Д.И.Семенцов]. Данная полезная модель взята за прототип.
1
2
1
2
Принцип действия известной полезной модели основан на том, что в волноводной структуре антинаправленного ответвителя при распространении в «правой» среде прямой волны, в «левой» среде происходит формирование связанной обратной волны. При отстройках от синхронизма между связанными волнами δ<2σ, где σ - коэффициент туннельной связи, структура работает как зеркало, и распространяющаяся прямая волна практически полностью отражается, переходя в связанный волновод. Переключение между волноводами осуществляется при помощи изменения магнитного поля. Его изменение влечет за собой изменение показателя преломления «левой» среды и соответственное изменение отстройки от фазового синхронизма δ=(n-|n|)ω/c; здесь n>0, n<0 - действительные части показателей преломления первого и второго волноводов, ω - частота излучения. Добиваясь δ<2σ, можно переключить излучение из первого канала во второй.
Недостатком известной полезной модели является отсутствие возможности модулирования СВЧ излучения и генерации его импульсов.
Для устранения указанного недостатка предлагается данная полезная модель.
Цель: при помощи рефлектора СВЧ излучения, включающего в себя антинаправленный ответвитель на основе туннельно-связанной структуры планарных волноводов, один из которых изготовлен из магниточувствительного «левого» материала создать модулятор СВЧ излучения.
Технический результат: изменение амплитуды проходящего и отраженного СВЧ излучения в структуре из двух планарных туннельно-связанных волноводов, один из которых изготовлен из метаматериала с отрицательной действительной частью показателя преломления, при модуляции внешнего магнитного поля.
Технический результат достигается введением в схему антинаправленного ответвителя модулируемого источника магнитного поля с возможностью быстрой модуляции величины поля.
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 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 A.M., 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)].
Модулятор микроволнового излучения на основе антинаправленного ответвителя (Фиг.1) представляет собой два планарных туннельно-связанных волновода и источник магнитного поля, причем, материал одного из волноводов является обычной «правой» средой с положительным показателем преломления. 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…3800) Э в микроволновом диапазоне 3·10 с<8.2·10 с 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». Модулятор содержит также источник магнитного поля, при помощи которого можно управлять показателем преломления метаматериала.
-1
-1
1
В СВЧ диапазоне, в котором метаматериал проявляет свойства «левой» среды, данная структура обладает резонансными свойствами. Излучение, передаваемое в «правый» волновод, в зависимости от отстройки от синхронизма между прямой и обратной волнами проходит через волновод, отражается в связанный волновод или делится между волноводами. На Фиг.2 для структуры с коэффициентом связи σ=100 м и длиной L=0.1 м показаны зависимости коэффициентов отражения R (сплошная) и пропускания Т (пунктирная линия) от отстройки от фазового синхронизма δ в отсутствии поглощения. Отмечаем, что при δ<2σ структура работает как рефлектор, и излучение полностью отражается в обратную волну. Наличие узких пиков коэффициентов отражения и пропускания структуры подтверждает резонансный характер этих процессов. Отстройкой от фазового синхронизма можно управлять, изменяя показатель преломления метаматериала, при помощи магнитного поля. На Фиг.3 (а, b) для структуры с коэффициентом связи σ=100 м, длиной L=0.1 м и показателем преломления волновода из «правого» материала n=3.4 (что соответствует материалу волновода - GaAs) показаны зависимости коэффициентов отражения R (сплошная) и пропускания Т (пунктирная линия) от величины внешнего магнитного поля. На Фиг.3 (b) эти зависимости показаны более подробно в области резонансного пика коэффициента пропускания и соответствующего спада коэффициента отражения.
0
Обращает на себя внимание возможность глубокой модуляции амплитуды проходящего и отраженного СВЧ излучения небольшими изменениями магнитного поля. Для достижения данного технического результата в настоящей полезной модели источник магнитного поля предлагается выполнить из двух составных частей - перестраиваемого источника сильного поля H и источника слабого поля h, который позволяет осуществлять быстрые модуляции величины магнитного поля.
0
0
-6
Принцип работы модулятора можно пояснить следующим: при настройке источника сильного поля на значение пика коэффициента пропускания (на Фиг.3 H=2504 Э) при выключенном модуляционном поле h СВЧ излучение с постоянной интенсивностью I полностью проходит сквозь модулятор. Модулируя поле h, на выходе волноводов мы получаем амплитудно-модулированное СВЧ излучение. Осуществляя импульсную модуляцию h, на выходе обратной волны получаем последовательность импульсов СВЧ излучения, а на выходе прямой волны непрерывное излучение с соответствующими прерываниями. При использовании быстродействующего источника модулирующего поля, с помощью модулятора возможно получать импульсы длительностью 10 с и менее. Перестраивая поле H, можно перестраивать частоту модулируемого СВЧ излучения.
Таким образом, предложена полезная модель перестраиваемого модулятора СВЧ излучения (Фиг.1), представляющего собой антинаправленный ответвитель, состоящий из двух планарных туннельно-связанных волноводов и источника магнитного поля. Один из волноводов изготовлен из метаматериала с отрицательным значением показателя преломления, зависящим от внешнего магнитного поля. Источник магнитного поля состоит из источника сильного поля, необходимого для поддержания метаматериала в резонансном состоянии «левой» среды и источника слабого поля способного осуществлять быстрые модуляции.
При помощи изменений слабого магнитного поля возможно глубоко модулировать СВЧ излучение как в первом так и во втором волноводе и генерировать импульсы СВЧ излучения. Перестраивая источник сильного магнитного поля, можно изменять диапазон модулируемого СВЧ излучения.