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.

Предлагается полезная модель перестраиваемого по частоте 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. Эта структура представляет собой волноведущую систему с обратной связью, в резонансных точках которой при достаточном внешнем усилении происходит генерация микроволнового излучения. Принципиальным отличием полезной 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.

Перестройку частоты генерации возможно осуществлять, управляя коэффициентом преломления метаматериала при помощи изменения магнитного поля.

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 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.

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=(4003·800) кЭ в микроволновом диапазоне 3·10 10c-1<<8.2·1010c-1 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.

Данный генератор может быть реализован как компактный элемент интегральной схемы сверхвысокочастотной оптоэлектроники. При этом для эффективной генерации микроволнового излучения при средних мощностях накачки (Р0<1 Вт) рассматриваемая структура должна характеризоваться высоким коэффициентом туннельной связи (>100 м-1), 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.

Техническая задача по реализации необходимого уровня усиления в полупроводниковом слое решается, используя модуляционную неустойчивость непрерывной волны накачки ИК-диапазона частоты 0 с постоянной мощностью Р0. Неизбежно присутствующий в системе СВЧ шум модулирует волну накачки, неустойчивость которой приводит к усилению спектральных компонент с частотами со в области |-0|<(4RP0/|D|)1/2, где R - коэффициент керровской нелинейности полупроводника, a D - величина дисперсии групповых скоростей полупроводникового волновода. Важно отметить, что параметр D на указанной частоте 0 должен быть отрицательным. Достигаемый коэффициент усиления сигнала в полупроводниковом слое на частоте со равен:

.

На фиг.2 (a, b) представлены частотные зависимости коэффициента усиления в полупроводниковом слое при длине волны накачки =6 мкм,коэффициенте дисперсии волновода D=-1·10 -27 с2/м (сплошные линии), D=-2·10 -27 с2/м (штриховые линии), коэффициенте нелинейности R=100 Вт-1 м-1 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.

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 2<0 и поддержания общего усиления в системе =]+2>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 и общего усиления , коэффициенты отражения и пропускания стремятся к бесконечности. В результате происходит спонтанное самовозбуждение резонансных мод структуры и начинается процесс генерации излучения.

Показатель преломления GaAs n13.4, показатель преломления метаматериала в зависимости от частоты и величины приложенного поля варьируется в пределах -2<n 2<0. В данных условиях отстройка от синхронизма между прямой и обратной волнами =(n1-|n2|)·/c>2 и значительно превосходит коэффициент усиления . 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 , необходимое для возбуждения генерации возрастает.

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 =200 м-1, L=0.2 м, мощности накачки Р0 =0.05 Вт и частоты сигнальной волны =5.9-1010 с-1 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)-1, D=-1·10-27 с2/м за счет МН волны накачки в рассматриваемом диапазоне близок к 1 10 м-1. 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 =0-. Величиной усиления в структуре можно управлять, изменяя мощность и частоту волны накачки. На фиг.4 для структуры с коэффициентом связи =200 м-1 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 µ2 и, 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.

Перестраиваемый генератор микроволнового излучения на основе туннельно-связанной структуры, состоящий из источника магнитного поля, источника накачки, подающего излучение в планарный волновод с положительным показателем преломления, и туннельно-связанного с первым планарного волновода из метаматериала с отрицательным значением показателя преломления, зависящим от внешнего магнитного поля, отличающийся тем, что планарный волновод с положительным показателем преломления изготовлен из материала с высоким коэффициентом керровской нелинейности.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к шахматным играм

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована при создании радиопоглощающих устройств, предназначенных для оснащения многофункциональных безэховых камер и защиты обслуживающего персонала от излучения СВЧ источников
Наверх