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 резонаторов микроволнового и оптического диапазонов.

Рефлектор микроволнового и оптического излучения, включающий антинаправленный ответвитель, состоящий из двух планарных туннельно-связанных волноводов и источника магнитного поля. Один из волноводов является усиливающим, а второй волновод изготовлен из метаматериала с отрицательным значением показателя преломления. При этом показатель преломления рассматриваемой структуры зависит от внешнего магнитного поля. Данный рефлектор позволяет получить отражение сигнала из одного волновода во второй, причем параметры рефлектора могут быть перестроены посредством варьирования величины внешнего магнитного поля, а также коэффициента связи волноводов.

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.

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 TE₂ 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 I₁, а в «левой» среде - обратная волна I₂. Направления продольных компонент волновых векторов 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.):

,

.

Здесь введены следующие параметры: - отстройка от фазового синхронизма, где , а _j - константы распространения на несущей частоте ₀; - коэффициент туннельной связи; ₁ и ₂ - 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_j=d²_j/² - параметры дисперсии групповых скоростей; _j и _j - параметры нелинейности и дисперсии нелинейности. Коэффициенты усиления и поглощения каждой из рассматриваемых сред определяются выражениями и , где k₀=/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):

, .

Параметры метаматериала выбирались следующими: _p=12.8 ГГц, 4M=1760 Гс, , =1.76·10⁷ (c·Э)^-1, b=b_µ=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.

На фиг.2 представлены частотные зависимости коэффициентов отражения R и прохождения T, полученные для структур с ₁=-0.4 м^-1, ₂=0.4 м^-1 и ₁=-0.8, ₂=0.4 (сплошная и пунктирная кривые) при значениях =10 м^-1 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=^-1, где L - длина взаимодействия (для выбранных значений длины волновода L=0.4 м и параметра связи =10 м^-1 имеет место эффективное отражение, при =5 м^-1 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 (₁0, ₂0) 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.

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 /2=10¹⁰ Гц при значении =10 м^-1. Выбранный интервал поля отвечает «левому» состоянию метаматериала. Видно, что на этом интервале возможно значительное изменение параметров b и 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.

Рефлектор микроволнового и оптического излучения, включающий антинаправленный ответвитель, состоящий из двух планарных туннельно-связанных волноводов и источника магнитного поля, отличающийся тем, что один из волноводов является усиливающим, а второй волновод изготовлен из метаматериала с отрицательным значением показателя преломления, зависящим от внешнего магнитного поля.