СПОСОБ СОПРЯЖЕНИЯ НАБОРА ВТОРИЧНЫХ ПЛАЗМОН-ПОЛЯРИТОННЫХ КАНАЛОВ СВЯЗИ ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА С ОСНОВНЫМ КАНАЛОМ Российский патент 2014 года по МПК H04J14/00 

Изобретение относится к области средств коммуникации, в которых перенос информации осуществляется поверхностными электромагнитными волнами, точнее поверхностными плазмон-поляритонами (ППП), терагерцового (ТГц) диапазона, направляемыми плоской поверхностью проводящей подложки, и может найти применение в плазменных сетях связи, а также в устройствах сбора и обработки информации с использованием электромагнитных волн ТГц диапазона. Применение заявляемого способа позволит не только создавать просто сопрягаемые интерфейсы плазменных каналов связи ТГц диапазона, но и осуществлять модуляцию сигналов в таких каналах, а также их коммутацию.

Одной из основных областей применения электромагнитных волн интенсивно осваиваемого в настоящее время ТГц диапазона (частота от 0,1 до 10 ТГц) являются средства передачи и обработки информации [Kleine-Ostmann Т., Nagatsuma Т. A review on terahertz communications research. // J. Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, 2011, v.32, p.143-171]. Плазмон-поляритонные каналы связи, реализуемые на основе планарных и цилиндрических металло-диэлектрических волноведущих структур, являются аналогом интегрально-оптических устройств обработки информации и волоконно-оптических линий связи видимого диапазона [Csurgay A.I., Porod W. Surface plasmon waves in nanoelectronic circuits. // Intern. J. of Circuit Theory and Applications, 2004, v.32, p.339-361], поскольку ТГц ППП способны распространяться на макроскопические расстояния, превышающие длину волны излучения на 4-5 порядков [Князев Б.А., Кузьмин А.В. Поверхностные электромагнитные волны: от видимого света до микроволн. // Вестник НГУ. Физика, 2007, т.2 (1), с.108-122].

Известен способ сопряжения основного и вторичных плазмон-поляритонных каналов связи ТГц диапазона, включающий размещение на пути исходного пучка ППП неоднородности в виде совокупности двух сопряженных вершинами геодезических призм, имеющих общую геометрическую ось, лежащую в плоскости общей подложки, направляющей ППП основного и вторичных каналов [Bogomolov G.D., Zhizhin G.N., Nikitin A.K., Knyazev B.A. Geodesic elements to control terahertz surface plasmons. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research (A), 2009, V.603, No.1/2, p.52-55]. Способ основан на факте поворота линейного волнового фронта пучка ППП при преодолении им сформированной в положке канавки в виде половины правильного конуса, ось которого лежит в плоскости подложки; поворот фронта является следствием различия геометрических путей, пройденными лучами пучка при преодолении ими конической канавки [Жижин Г.Н., Никитин А.К., Никитин П.А. Способ разделения совмещенных поверхностной и объемной электромагнитных волн терагерцового диапазона. // Патент РФ на изобретение №2352969. - Бюл. №11 от 20.04.2009 г.]. Размещение на пути пучка ППП двух таких канавок (геодезических призм), сопряженных вершинами в пределах поперечного сечения пучка, позволяет разделить исходный (основной) пучок на два новых (вторичных) пучка. Существенные недостатки известного способа сопряжения основного и вторичных плазмон-поляритонных каналов связи следующие: 1) формирование геодезических призм - достаточно трудоемкая операция; 2) наличие геодезических призм в подложке нарушает планарность канала; 3) дифракция ППП на краях призм приводит к значительным радиационным потерям; 4) необходимость общности подложки сопрягаемых каналов ограничивает возможность их оперативной архитектоники.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является способ сопряжения основного и вторичных плазмон-поляритонных каналов связи ТГц диапазона, включающий размещение на пути исходного пучка ППП неоднородности в виде уголкового зеркала, имеющего две плоские отражающие грани, линия пересечения которых находится в пределах исходного пучка и перпендикулярна поверхности подложки [Богомолов Г.Д., Жижин Г.Н., Кирьянов А.П., Никитин А.К., Хитров О.В. Определение показателя преломления поверхностных плазмонов. ИК-диапазона методом статической асимметричной интерферометрии // Известия РАН. Серия физическая, 2009, т.73, №4, с.562-565]. Основными недостатками известного способа являются: 1) порождение набора паразитных объемных волн при дифракции ППП на ребре зеркала; 2) большие энергетические потери, обусловленные дифракцией исходного пучка ППП на ребре и краях зеркала, а также трансформацией ППП в объемное излучение при малейшем отклонении отражающих плоскостей зеркала от нормали к поверхности подложки; 3) необходимость общности подложки сопрягаемых каналов, что ограничивает возможность их оперативной архитектоники; 4) необходимость механического контакта зеркала с оптической поверхностью подложки.

Технический результат изобретения направлен на обеспечение возможности оперативного сопряжения основного и вторичных плазменных каналов связи, не сопровождаемого возникновением паразитных объемных волн и большими дифракционными потерями.

Технический результат достигается тем, что в способе сопряжения набора вторичных плазмон-поляритонных каналов связи ТГц диапазона с основным каналом, включающим размещение в нем неоднородности, вторичные каналы создают на индивидуальных подложках с прямоугольными гранями, в качестве неоднородности используют ребро подложки основного канала, ориентированное перпендикулярно треку исходного ППП, и с помощью этого ребра преобразуют ППП в объемную волну (ОВ), которую разделяют на ряд пространственно разнесенных вторичных ОВ, число которых не меньше числа вторичных каналов, в каждом из которых соответствующая ОВ с помощью ребра подложки генерирует производный от исходного плазмон-поляритон.

Возможность оперативного сопряжения основного и вторичных плазмон-поляритонных каналов связи, не сопровождаемого возникновением паразитных объемных волн (ОВ) и большими дифракционными потерями, достигается в результате размещения подложек всех каналов в одной плоскости и высокой эффективности преобразования таких ОВ на ребре подложки с прямоугольными гранями в ППП вследствие малой расходимости ОВ, порождаемой ППП на таком ребре, а также аффинности распределения поля такой ОВ и поля ППП [Жижин Г.Н., Москалева М.А., Шомина Е.В., Яковлев В.А. Краевые эффекты при распространении поверхностных электромагнитных волн ИК- диапазона вдоль поверхности металла. // Письма в ЖЭТФ, 1979, т.29 (9), с.533-536; Zon V.B. Surface plasmons on a right angle metal wedge. // J. Opt. A: Pure Appl. Opt., 2007, v.9, P.S476-S480] и возможности размещения в зазоре между подложкой основного канала и подложками вторичных каналов делителя светового пучка с размером отражающей поверхности больше поперечного сечения пучка, что позволяет избежать порождения паразитных ОВ в процессе деления ОВ, излучаемой краем положки основного канала, и механического контакта с оптической поверхностью его подложки.

Изобретение поясняется чертежами: на рис.1 дана схема устройства, реализующего способ; на рис.2 - зависимость относительной интенсивности I/I₀ объемных волн, порождаемых ППП с длиной волны λ=100 мкм при их дифракции на прямоугольном ребре плоской медной подложки, от угла α, отсчитываемого от прямой, лежащей на поверхности подложки, и нормальной к ее ребру.

Предлагаемый способ может быть реализован с использованием устройства, схема которого приведена на рис.1, где цифрами обозначены: 1 - основной ППП канал связи; 2 - делитель светового пучка; 3, 4 - вторичные ППП каналы связи.

Способ реализуется следующим образом. Исходный пучок ППП распространяется по каналу 1. Дойдя до ребра подложки с прямоугольными гранями канала 1, пучок ППП, в результате дифракции на ребре, трансформируется в объемную волну (ОВ), имеющую узкую диаграмму направленности, вершина которой лежит на продолжении трека ППП, то есть в плоскости подложки [Wallis R.F., Maradudin A.A., and Stegeman G.I. Surface polariton reflection and radiation at end faces. // Applied Physics Letters, 1983, v.42 (9), p.764-766]. Кроме того, экспериментально установлено, что при размещении в плоскости поверхности подложки исходного ТГц ППП канала поверхности другой аналогичной подложки, отстоящей от первой на макроскопическое расстояние d>>λ, на ней дифрагированной объемной волной генерируется с высокой эффективностью новый ППП, распространяющийся в направлении OB [Nazarov M., Coutaz J.-L., Shkurinov A., Garet F. THz surface plasmon jump between two metal edges. // Optics Communications, 2007, v.277, p.33-39]. Это позволяет, разместив в зазоре между подложками светоделитель 2 (например, плоскопараллельную пластинку из прозрачного материала), разделить ОВ, излучаемую ППП с ребра подложки основного канала, на две новые ОВ без порождения паразитных ОВ и неприемлемых энергетических потерь. Новые ОВ, дифрагируя на ребрах пространственно разнесенных подложек с прямоугольными гранями вторичных каналов 3 и 4, генерируют на их поверхностях новые ППП, идентичные по своим характеристикам (кроме интенсивности) исходному ППП. Так достигается поставленная цель - оперативное сопряжение основного и вторичных плазмонных каналов связи, без порождения паразитных объемных волн и больших дифракционных потерь. Отметим, что, применив N светоделителей, подобным образом возможно сопряжение основного ППП канала связи с (N+1) вторичными каналами.

Аналитическая модель, позволяющая рассчитать угловое распределение числа фотонов P(α), т.е. интенсивности ОВ, порождаемых при конверсии ППП на ребре металлической подложки с прямоугольными гранями, приведена в работе [Зон В.Б., Зон Б.А., Клюев В.Г., Латышев А.Н., Минаков Д.А., Овчинников О.В. Новый способ измерения поверхностного импеданса металлов в ИК-области. // Оптика и спектроскопия, 2010, Т.108, №4, с.677-679] и описывается выражением:

где α - отсчитывается здесь от прямой, совпадающей с треком ППП и нормальной к ребру подложки; - поверхностный импеданс металла, а µ и ε - магнитная и диэлектрическая проницаемости металла, соответственно. Из (1) следует, что распределение P(α) является лоренцовым, а его угловая ширина уменьшается с ростом λ, поскольку для металлов в ИК-диапазоне и имеет в ТГц-диапазоне (для таких металлов как золото, медь и алюминий) величину меньше 1°.

В качестве примера применения заявляемого способа рассмотрим возможность сопряжения ППП каналов связи на медных подложках при λ=100 мкм. Для расчета диэлектрической проницаемости меди используем модель Друде, с подстановкой в нее значений плазменной частоты ω_p=59600 см^-1 и столкновительной частоты свободных электронов ω_τ=73,2 см^-1 [Ordal M.A., Bell R.J., Alexander R.W. et al. Optical properties of fourteen metals in the infrared and far infrared: Al, Co, Cu, Au, Fe, Pb, Mo, Ni, Pd, Pt, Ag, Ti, V, and W. // Appl. Optics, 1985, v.24, No.24, p.4493-4499].

На рис.2 представлена рассчитанная по формуле (1) зависимость относительной интенсивности I/I₀ порожденной на ребре подложки ОВ от угла α, где I₀=I при α=0. Видно, что угловая ширина диаграммы направленности такой ОВ невелика и составляет примерно 20′ на уровне 0,5. Малая угловая расходимость ОВ, излученной ППП с ребра подложки, является одной из причин высокой эффективности преодоления инфракрасными ППП воздушных зазоров между подложками с прямоугольными краями. В работах [Тае-In Jeon and D. Grischkowsky. THz Zenneck surface wave (THz surface plasmon) propagation on a metal sheet. // Applied Physics Letters, 2006, v.88, 061113; Nazarov M., Coutaz J.-L., Shkurinov A., Garet F. THz surface plasmon jump between two metal edges. // Optics Communications, 2007, v.277, p.33-39] установлено, что потери ТГц ППП при преодолении сантиметрового зазора между медными (или алюминиевыми) подложками, расположенными в одной плоскости, не превышают 50%. Такого расстояния (1 см) вполне достаточно для размещения в зазоре светоделительной пластинки с размерами, превышающими глубину проникновения поля ППП в воздух.

Рассмотренный пример наглядно демонстрирует возможность оперативного сопряжения основного и вторичных плазменных каналов связи, не сопровождаемого возникновением паразитных объемных волн и большими дифракционными потерями.

Изобретение относится к области средств коммуникации, в которых перенос информации осуществляется поверхностными электромагнитными волнами, точнее поверхностными плазмон-поляритонами (ППП) терагерцового (ТГц) диапазона, направляемыми плоской поверхностью проводящей подложки, и может найти применение в плазмонных сетях связи, а также в устройствах сбора и обработки информации с использованием электромагнитных волн ТГц диапазона. Технический результат состоит в обеспечении возможности оперативного сопряжения основного и вторичного плазмонных каналов связи. Для этого способ включает размещение в нем неоднородности, создают каналы на индивидуальных подложках, грани всех подложек выбирают прямоугольными, в качестве неоднородности используют край подложки, ориентированный перпендикулярно треку исходного поверхностного плазмон-поляритона (ППП), с помощью этого края преобразуют ППП в объемную волну (ОВ), которую разделяют на ряд пространственно разнесенных вторичных ОВ, число которых не меньше числа вторичных каналов, в каждом из которых соответствующей ОВ с помощью края подложки генерируют производный от исходного ППП. 2 ил.

Способ сопряжения набора вторичных плазмон-поляритонных каналов связи терагерцового диапазона с основным каналом, включающий размещение в нем неоднородности, отличающийся тем, что вторичные каналы создают на индивидуальных подложках с прямоугольными гранями, в качестве неоднородности используют ребро подложки основного канала, ориентированное перпендикулярно треку исходного поверхностного плазмон-поляритона, и с помощью этого ребра преобразуют поверхностный плазмон-поляритон в объемную волну, которую разделяют на ряд пространственно разнесенных вторичных объемных волн, число которых не меньше числа вторичных каналов, в каждом из которых соответствующая объемная волна с помощью ребра подложки генерирует производный от исходного плазмон-поляритон.