Устройство для управления скоростью волновых пакетов

Полезная модель относится к области микроволновой техники и оптики, в частности к технике резонаторов и усилителей микроволнового и оптического диапазонов, а также технике оптических логических элементов. Устройство, состоящее из двух планарных туннельно-связанных волноводов и источника магнитного поля, причем один из волноводов является усиливающим с возбужденной бегущей волной показателя преломления, а второй волновод изготовлен из метаматериала с отрицательным значением показателя преломления. Показатель преломления метаматериала зависит от внешнего магнитного поля. Данное устройство позволяет получить волноведущую среду, в которой групповая скорость распространяющегося волнового пакета является функцией, зависящей как от параметров волноводов и вводимого излучения, так и от внешнего магнитного поля, влияющего на диэлектрическую и магнитную проницаемости волноводов. В предлагаемом устройстве изменяя значение магнитного поля в определенном диапазоне, можно управлять скоростью максимума огибающей волнового пакета.

Полезная модель относится к области микроволновой техники и оптики, в частности к технике резонаторов и усилителей микроволнового и оптического диапазонов, а также технике оптических логических элементов.

Устройства способные задерживать волновые пакеты являются ключевыми компонентами оптических коммуникационных сетей. Известны устройства задержки волновых пакетов (т.н. «slow light») основанные на электромагнитно- индуцированной прозрачности (Lukin M.D., Imamoglu А. // Nature, 413, р.273-276 (2001)), фотоннокристаллических волноводах (Patent US 7269313 В2, M.F.Yanik et al), связанных волноводах (Patent US 2011/0134432 Al M.A.Terrel et al), четырехволновом взаимодействии (Patent US 2010/0232792 Al B.Ham), поверхностных плазмонах (Patent US 2010/0110525 Al Q.Gan et al).

Известно также несколько схем задержки волновых пакетов, в основе которых лежит структура из связанных планарных волноводов, причем один из них изготовлен из метаматериала (Jiang Т. et al, // Optic Express, V. 17, (1), p.170 (2009), Savo S. et al //Appl. Phys. Lett. V. 98 (17) (2011)). Недостатками этих схем является следующее:

1) не реализована возможность управления скоростью волнового пакета,

2) не предусмотрена компенсация потерь в метаматериале.

Для устранения этих недостатков предлагается данная полезная модель.

Цель: управление скоростью частотно-модулированного волнового пакета в волноводе.

Технический результат: управление посредством внешнего магнитного поля скоростью волнового пакета в структуре из двух планарных туннельно-связанных волноводов, один из которых изготовлен из метаматериала с отрицательным значением показателя преломления, зависящим от внешнего магнитного поля.

Технический результат достигается за счет модуляции показателя преломления в усиливающем планарном волноводе с положительным показателем преломления, использования метаматериала с зависящим от внешнего магнитного поля показателем преломления и определения диапазона изменения внешнего магнитного поля, позволяющего управлять скоростью частотно-модулированного волнового пакета.

Метаматериалы (Shelby R.A., Smith D.R., Schultz S. // Science. 2001. V. 292. P. 77) - структуры с внедрением магнитных включений, которые в определенном диапазоне частот могут иметь одновременно отрицательные значения действительной части эффективных диэлектрической и магнитной проницаемостей. Такие среды получили название «левых» (Веселаго В.Г. // УФН. Т. 92. 3. с.517 (1967)).

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 структуре из двух туннельно-связанных волноводов с различными по знаку показателями преломления. Такая структура, 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. V. 88. p.211903 (2006), Zhang J., Chen H., Luo Y. et al. // Appl. Phys. Lett. V. 90. p.043506 (2007)) была экспериментально продемонстрирована возможность перекачки энергии волны в таком волноводе между каналами. В этих работах динамика излучения рассматривалась без учета затухания, которое в метаматериале 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 . В качестве первой среды используется диэлектрик с В качестве второй среды (2) используется метаматериал, созданный на основе пластин железо-иттриевого граната и медных проводников. Эффективные диэлектрическая и магнитная проницаемости такой среды сильно зависят от внешнего магнитного поля и в определенном диапазоне имеют одновременно отрицательные значения своих действительных частей, в этом случае (Zhao H., Zhou J., Zhao Q. et al //Appl. Phys. Lett. 2007.V.91, P.131107).

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 ТЕ₂ 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 в «правой» среде в положительном направлении оси OZ распространяется прямая волна, а в «левой» среде - обратная волна. Направления продольных компонент волновых векторов и векторов Пойнтинга S обеих волн приведены на фиг.1.

В области частот, где распространение волн происходит в условиях, близких к фазовому синхронизму (действительные части волновых векторов равны друг другу ), структура работает как зеркало и распространяющаяся прямая волна практически полностью отражается, переходя в связанный волновод. На фиг.2 представлены графики коэффициентов отражения R и прохождения Т рассматриваемой структуры в зависимости от частоты отстройки от несущей частоты ₀, полученные для структур с коэффициентами усиления в диэлектрике ₁=0.4 м^-1 и поглощения в метаматериале ₂=0.4 м^-1 (сплошная кривая) и ₁=0.8, ₂=-0.4 (пунктирная кривая) при значениях коэффициента связи волноводов =10 м^-1 и магнитном поле Н=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 Z=0.4 м и параметра связи =10 м^-1 имеет место эффективное отражение, при более низких коэффициентах связи эффективность отражения существенно понижается). Обращает также внимание асимметрия приведенных зависимостей относительно частоты фазового синхронизма, которая связана с проявлением дисперсии «левой» среды. Отметим, что 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.

В области значительной отстройки от фазового синхронизма, где коэффициент отражения практически равен нулю, в структуре распространяется только прямая волна. В этой области отраженную волну можно считать пренебрежимо малой по сравнению с падающей волной. Изменяя внешнее магнитное поле, можно менять величину показателя преломления метаматериала, что позволяет управлять отстройкой от фазового синхронизма и тем самым влиять на характеристики распространяющейся волны. Суть предлагаемой модели состоит в том, что на границе (по отстройке) зоны эффективного отражения данной структуры, наблюдается резкое замедление волнового пакета. Таким образом изменяя внешнее поле в достаточно узком диапазоне, можно в очень широких пределах управлять скоростью огибающей волнового пакета.

Важным моментом является тот факт, что метаматериал характеризуется довольно высоким коэффициентом потерь. Для их компенсации волновод с положительным коэффициентом преломления должен быть активным, т.е. усиливающим. При полной компенсации потерь, т.е. при ₁+₂=0 из вариационного анализа авторами получен следующий важный результат: если длительность волнового пакета не изменяется при прохождении волноведущей структурыrp _Р(z)=₀=const (последнее справедливо для пакетов с длительностью ₀ >> 10^-9 сек), то скорость максимума огибающей можно считать постоянной величиной и для нее с хорошей степенью точности верным оказывается следующее соотношение:

где D_ef, µ_ef - эффективные параметры дисперсии групповой скорости и дисперсии нелинейности, u_s - групповая скорость, I₀ -=W/₀, - смещение (модуляция) несущей частоты волнового пакета, W - его энергия. Следует отметить, что параметры D_{ef И} µ_ef сильно зависят от отстройки частоты и, следовательно, от величины задаваемого внешнего поля. Из полученного выражения следует, что средняя скорость максимума огибающей существенно зависит от начальных условий ввода излучения в волновод. В зависимости от значений ₀, I₀, , величина u_m может быть как больше, так и меньше групповой скорости пакета, а также больше скорости света в вакууме (Shalaev V.M. //Nature Photonics. V. 1. р.41 (2007)). Заметим, что сверхсветовая скорость максимума огибающей не противоречит основным принципам СТО, а объясняется известным эффектом переформирования волнового пакета (Шварцбург А.Б. // УФН. Т.170. 12. с.1297 (2000)).

Смещение несущей частоты может быть получено в результате возбуждения в среде бегущей волны показателя преломления n(t,z)=n₀[1+mcos(t-qz)], где параметры n₀. и m - невозмущенное значение показателя преломления и глубина его модуляции, и q - частота модуляции и константа распространения волны показателя преломления. При этом для сдвига несущей частоты справедливо соотношение =2V_f/, где =2/q - длина волны показателя преломления, a V_f - ee фазовая скорость. В планарной волноведущей структуре бегущий волновой фронт может быть получен с помощью лазерного «зайчика» (Киселев А.С., Розанов Н.Н., Сочилин Г.Б. // Оптика и спектроскопия. Т. 101. 1. с.124-136 (2006)).

Вышесказанное проиллюстрировано на фиг.3, где приведена зависимость относительной скорости максимума огибающей u_m/с от подмагничивающего поля при значениях параметров =10 м^-1, I₀=(0.1, 10) Вт (кривые 1, 2), =6·10⁷с^-1. Для выбранных параметров существенная зависимость скорости максимума огибающей от поля и входной интенсивности волнового пакета наблюдается на левой (по полю) границе зоны эффективного отражения (в области значений Н~2,40-2,42 кЭ). Именно в этой области наблюдается резкое замедление волнового пакета (вставка на рисунке). Пунктиром представлена полевая зависимость параметра q (константы распространения волны показателя преломления) выделяющая область эффективного отражения прямой волны от структуры.

Таким образом, показано, что система туннельно-связанных световодов один из которых изготовлен из метаматериала позволяет эффективно управлять скоростью максимума огибающей распространяющегося волнового пакета. Подобные особенности настоящей структуры могут быть использованы для разработки (на ее основе) оптических элементов и резонаторов принципиально нового типа.

Устройство для управления скоростью волновых пакетов, состоящее из двух планарных туннельно-связанных волноводов и источника магнитного поля, причем один из волноводов изготовлен из метаматериала с отрицательным значением показателя преломления, зависящим от внешнего магнитного поля, отличающееся тем, что волновод с положительным показателем преломления является усиливающим с возбужденной бегущей волной показателя преломления.