RU129308U1

RU129308U1 - A MICROWAVE RADIATION GENERATOR BASED ON A TUNNEL-BINED STRUCTURE

Info

Publication number: RU129308U1
Application number: RU2013102026/28U
Authority: RU
Inventors: Игорь Олегович Золотовский; Дмитрий Александрович Коробко; Сергей Геннадьевич Новиков; Владимир Александрович Остаточников; Дмитрий Игоревич Семенцов
Priority date: 2013-01-16
Filing date: 2013-01-16
Publication date: 2013-06-20

Abstract

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.A tunable microwave radiation generator based on a tunnel-coupled structure, consisting of a magnetic field source, a pump source supplying radiation to a planar waveguide with a positive refractive index, and a tunnel-coupled planar waveguide from a metamaterial with a negative refractive index depending on the external magnetic field, characterized in that the planar waveguide with a positive refractive index is made of a material with a high coefficient of Kerr n linearity.

Description

Полезная модель относится к области сверхвысокочастотной оптоэлектроники а также к области лазерной техники, в частности к технике лазеров с распределенной обратной связью.The utility model relates to the field of microwave optoelectronics and also to the field of laser technology, in particular to the laser technology with distributed feedback.

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.A known model of a laser source based on tunnel-coupled planar waveguides is known, one of which is made of metamaterial with a negative real part of the refractive index, and the second waveguide consists of a material with a positive refractive index and is amplifying [Patent US 2009/0219623 A1, Shalaev et al.]. Theoretically predicted [A.Alu, N. Engheta in "Negative-refraction Metamaterials: Fundamental Principle and Applications", eds. G.V. Elefteriades & K.G.Baltman (Wiley, New York, 2005)], because due to the fact that the energy flows in such tunnel-coupled waveguides are opposite, such a structure is a resonator and can generate laser radiation with sufficient amplification.

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.The indicated principal model has the following disadvantages: firstly, it does not specify clear conditions for the generation of radiation, i.e. the lasing frequencies and the required amplification values are not indicated, and secondly, even the fundamental possibility of tuning the laser frequency is not shown.

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.A useful model of a tunable distributed feedback laser based on the tunnel-coupled structure of planar waveguides is known, one of which is made of a magnetically sensitive metamaterial with a negative refractive index in the microwave region, and the second is a material with a positive refractive index, the second waveguide being amplifying [Tunable laser with distributed feedback. Zolotovsky I.O., Korobko D.A., Novikov S.G., Sementsov D.I., Vasilevskaya T.M. Application: 2012122047. Application filing date: 05/28/2012 Decision on the grant of a patent dated 2012.10.10.]. This utility model is taken as a prototype.

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.The functioning of the known utility model is based on the conversion of the energy of continuous pump radiation into the energy of a microwave signal, which is self-excited during resonance of a tunnel-coupled structure. In this case, a direct wave is generated in a waveguide with a positive refractive index, and a backward wave is connected in a waveguide with a negative refractive index, which are related to each other and have a critical value of the detuning from phase synchronism. By adjusting the magnetic field, one can change the refractive index of the magnetically sensitive metamaterial and thereby change the frequency of generation of the structure.

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.The disadvantage of the prototype is that it does not specify the mechanism for implementing amplification in a waveguide with a positive refractive index, i.e. the frequency, power, and possible source of pump radiation, which provides the necessary amplification at the frequency of the generated microwave signal in a tunnel-coupled planar waveguide with a positive refractive index, are not indicated. Meanwhile, amplification of the microwave signal in a solid-state planar waveguide is a separate technical problem. The absence of its solution makes it impossible to use this generator as a compact element of integrated microwave optoelectronics. This utility model is aimed at solving this technical problem for improving the circuit of the microwave optoelectronic generator.

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.Purpose: to implement a microwave radiation generator based on a structure of tunnel-coupled planar waveguides, one of which is made of a metamaterial with a negative refractive index, and the second consists of a material with a positive refractive index and is amplifying, in the form of a model of a compact functional element of integrated microwave optoelectronics.

Технический результат: обеспечение возможности исполнения перестраиваимого генератора микроволнового излучения в виде компактного элемента интегральной оптоэлектронной схемы.EFFECT: provision of the possibility of executing a tunable microwave radiation generator in the form of a compact element of an integrated optoelectronic circuit.

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.The technical result is achieved by implementing amplification in a waveguide with a positive refractive index due to modulation instability of a powerful infrared wave introduced into it, while this waveguide must be made of a material with a high Kerr nonlinearity, for example, a GaAs semiconductor and have a negative dispersion of group velocities at a frequency infrared pump wave.

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).Negative refractive index metamaterials (NIM) are artificial structures in which the real part of the refractive index in the certain frequency range is negative. This only happens if the real parts of the dielectric constant ε and magnetic susceptibility μ are simultaneously negative. A distinctive property of such materials in this case is that the Poynting vector of the electromagnetic wave propagating in them is opposite to the wave vector, which forms the left triple with the vectors of electric and magnetic fields, i.e. a wave carries energy in the direction opposite to its propagation. Such media, initially considered only as a theoretically possible object, were called “leftists” (Veselago VG // UFN. 1967. V.92. No. 3. p. 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)].In recent years, a large number of materials have been created that demonstrate the properties of the “left” medium in a certain frequency range. Currently known metamaterials with negative values of the refractive index in the microwave, infrared, and even in the optical spectral regions [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).]. Magnetically sensitive materials are also obtained that demonstrate the properties of the “left” medium in a rather wide frequency range of the microwave range. The position of this region depends on the magnitude of the external magnetic field [H. García-Miquel, J. Carbonell, V.E. Boria, and J. Sanchez-Dehesa, Appl. Phys. Lett., 94, 054103 (2009), Zhao H., Zhou J., Kang L., Zhao Q. Opt. Express, 17, No. 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).]Phenomena associated with negative refraction are most effective when a wave passes the interface between the “left” and “right” media. Of great interest are studies on the creation of tunnel-coupled waveguides with different signs of the refractive index of various resonator devices. In such waveguides, a direct wave propagates in the “right” medium, and a coupled wave with the Poynting vector opposite to its wave vector propagates in the “left” medium. This wave is called the reverse. This structure transfers part of the energy of the electromagnetic wave from one channel to another, which in turn returns part of the energy to the first channel, thus realizing resonant feedback. [Shadrivov I.V., Sukhorukov A.A., Kivshar Y.S. Phys. Rev. E. 69, 016617 (2004), Maimistov A.I., Kazantseva B.E. Wholesale and spectrum. 112, No. 2. 264 (2012), Barykina E.I., Zolotovsky I.O., Sementsov D.I. Radio Engineering and electron., 57, No. 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.].A feature of the “left” media is the presence of significant absorption, so the strong attenuation in them must be compensated by the gain in the “right” medium. With full compensation of losses and a certain additional gain in the structure considered above, from two tunnel-coupled waveguides with different refractive indices, self-excitation of coupled waves with a certain resonant detuning from phase synchronism occurs. Thus, such tunnel-coupled waveguides can be considered as a distributed feedback laser [Patent US 2009/0219623 A1, Shalaev et al, Application: 2012122047. Date of application: 28.05.2012 Decision to grant a patent dated 2012.10.10. Zolotovsky I.O., Korobko D.A., Novikov S.G., Sementsov D.I., Vasilevskaya T.M.].

Описание полезной моделиUtility Model Description

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.The microwave radiation generator consists of two planar tunnel-coupled waveguides and a magnetic field source (Fig. 1), moreover, one of the waveguides is made of a semiconductor material, for example, GaAs, i.e. It is an ordinary “right-handed” medium with a positive refractive index and a high coefficient of Kerr nonlinearity. The second waveguide is made of a magnetically sensitive metamaterial with a negative refractive index in the microwave range.

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…3·800) кЭ в микроволновом диапазоне 3·10¹⁰c^-1<ω<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.This metamaterial is based on the periodic structure of yttrium iron garnet plates (about 1 mm thick) and the structure of copper conductors built in it with a period of 1.3 mm, while the width of the conductor is 0.2 mm and the thickness is 0.018 mm [Zhao N. , Zhou J., Zhao Q. et al. Appl. Phys. Lett, 91, 131107 (2007)]. When the external field is off, the metamaterial is an ordinary “right” medium and has a positive refractive index, including in the microwave frequency range. When an external field is switched on in a wide range of its values H = (400 ... 3 · 800) kOe in the microwave range of 3 · 10 ¹⁰ s ^-1 <ω <8.2 · 10 ¹⁰ s ^{-1 the} metamaterial has simultaneously negative effective dielectric and magnetic permeabilities. In this case, the medium has a negative sign of the real part of the refractive index and is considered “left” in accordance with the accepted terminology. The generator also contains a magnetic field source, varying which you can change the refractive index of the metamaterial, and a pump source of the IR range, for example, a semiconductor laser with a tunable generation frequency, connected to a semiconductor waveguide layer.

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 (σ>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.This generator can be implemented as a compact element of an integrated circuit of microwave microwave optoelectronics. In this case, for efficient generation of microwave radiation at medium pump powers (P ₀ <1 W), the structure under consideration should be characterized by a high tunnel coupling coefficient (σ> 100 m ^-1 ), which can be achieved using epitaxial build-up of a semiconductor waveguide layer on a substrate integrated with metamaterial. The output of the generated microwave radiation is carried out using planar waveguides. In this case, the radiation is removed both from the semiconductor layer and from the metamaterial.

Техническая задача по реализации необходимого уровня усиления в полупроводниковом слое решается, используя модуляционную неустойчивость непрерывной волны накачки ИК-диапазона частоты ω₀ 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 |ω-ω₀|<(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 ω₀ должен быть отрицательным. Достигаемый коэффициент усиления сигнала в полупроводниковом слое на частоте со равен:The technical problem of realizing the necessary gain level in the semiconductor layer is solved using the modulation instability of the continuous pump wave of the infrared frequency range ω ₀ with constant power P ₀ . The microwave noise inevitably present in the system modulates the pump wave, the instability of which increases the spectral components with frequencies ω in the region | ω-ω ₀ | <(4RP ₀ / | D |) ^1/2 , where R is the coefficient of the Kerr nonlinearity of the semiconductor, and D is the dispersion value of the group velocities of the semiconductor waveguide. It is important to note that the parameter D at the indicated frequency ω ₀ must be negative. The achieved signal gain in the semiconductor layer at a frequency c is equal to:

.

На фиг.2 (a, b) представлены частотные зависимости коэффициента усиления в полупроводниковом слое при длине волны накачки λ=6 мкм,коэффициенте дисперсии волновода D=-1·10^-27с²/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.Figure 2 (a, b) shows the frequency dependence of the gain in the semiconductor layer at a pump wavelength of λ = 6 μm, the dispersion coefficient of the waveguide D = -1 · 10 ^-27 s ² / m (solid lines), D = -2 · 10 ^-27 s ² / m (dashed lines), non-linearity coefficient R = 100 W ^-1 m ^-1 at various pump powers. In FIG. 2 (b), the dependency data is presented in more detail in the microwave range. As you can see, the gain in this range, depending on the pump power, can vary over a wide range. The use of pump sources with a shorter wavelength requires an increase in pump power. It should also be noted that the gain can be adjusted by changing the frequency of the tunable pump laser.

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 α₂<0 и поддержания общего усиления в системе Δα=α_]+α₂>0, наличие которого является обязательным условием генерации.Thus, using the mechanism of modulation pump instability, a technical result is achieved: a method for amplifying a microwave signal in a semiconductor planar waveguide is obtained. Amplification is necessary to compensate for the losses in the metamaterial α ₂ <0 and maintain the overall gain in the system Δα = α _] + α ₂ > 0, the presence of which is a prerequisite for generation.

Обратная связь в структуре приводит к тому, что в некоторых резонансных точках, характеризующихся определенными значениями отстройки от синхронизма δ и общего усиления Δα, коэффициенты отражения и пропускания стремятся к бесконечности. В результате происходит спонтанное самовозбуждение резонансных мод структуры и начинается процесс генерации излучения.The feedback in the structure leads to the fact that at some resonance points characterized by certain values of the detuning from the phase matching δ and the overall gain Δα, the reflection and transmission coefficients tend to infinity. As a result, spontaneous self-excitation of the resonance modes of the structure occurs and the process of radiation generation begins.

Показатель преломления GaAs n₁≈3.4, показатель преломления метаматериала в зависимости от частоты ω и величины приложенного поля варьируется в пределах -2<n₂<0. В данных условиях отстройка от синхронизма между прямой и обратной волнами δ=(n₁-|n₂|)·ω/c>2σ и значительно превосходит коэффициент усиления Δα. В этом случае для частот генерации можно записать выражение The GaAs refractive index is n ₁ ≈ 3.4, the refractive index of the metamaterial depending on the frequency ω and the magnitude of the applied field varies within -2 <n ₂ <0. Under these conditions, the detuning from the synchronism between the forward and backward waves is δ = (n ₁ - | n ₂ |) · ω / c> 2σ and significantly exceeds the gain Δα. In this case, for the generation frequencies, we can write the expression

.

Здесь L - длина структуры и m - порядковый номер моды. Отмечаем, что ростом номера моды пороговое усиление Δα, необходимое для возбуждения генерации возрастает.Here L is the length of the structure and m is the serial number of the mode. We note that, with an increase in the mode number, the threshold gain Δα needed to excite the generation increases.

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 σ=200 м^-1, L=0.2 м, мощности накачки Р₀=0.05 Вт и частоты сигнальной волны ω=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 α₁ □ 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 Ω=ω₀-ω. Величиной усиления в структуре можно управлять, изменяя мощность и частоту волны накачки. На фиг.4 для структуры с коэффициентом связи σ=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 µ₂и, 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.Figure 3 shows the level lines of transmittance T of Figure 3 (a) and reflection R of figure 3 (b) for a tunnel-coupled waveguide structure, obtained depending on the magnitude of the external field and the offset from the pump frequency. For the calculation, the following structure parameters were selected: σ = 200 m ^-1 , L = 0.2 m, pump power P ₀ = 0.05 W and signal wave frequency ω = 5.9-10 ¹⁰ s ^-1 Level lines T = 2.5.10 and R = 2, 4, 6 correspond to dashed, dashed, and solid lines. Signal wave amplification increment realized in a semiconductor material with parameters

, R = 100 (W · m) ^-1 , D = -1 · 10 ^-27 s ² / m due to the MN of the pump wave in the considered range is close to α ₁ □ 10 m ^-1 . Level lines highlight points with infinite values of reflection and transmission coefficients - points of structure generation. You can see the presence of critical points for two values of the detuning from the pump frequency, which corresponds to the dependence of the gain on the detuning frequency Ω = ω ₀ -ω. The gain in the structure can be controlled by changing the power and frequency of the pump wave. In Fig. 4, for a structure with a coupling coefficient σ = 200 m ^-1 and a length L = 0.2 m, the dependences of

frequencies

1, 2, etc. lasing mode depending on the external magnetic field. The principle of laser tuning can be explained as follows: variation of the magnetic field changes the magnetic permeability μ ₂ and, accordingly, the refractive index

metamaterial, which leads to a change in detuning

forward and backward waves. When the detuning reaches a resonance value and a sufficient gain in the system, the generation process begins. Thus, by changing the external magnetic field, it is possible to efficiently carry out the tuning of the generation frequency.

На фиг.1 показана принципиальная схема предлагаемой модели лазера с распределенной обратной связью.Figure 1 shows a schematic diagram of the proposed laser model with distributed feedback.

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.Thus, a useful model of a frequency tunable compact microwave generator is proposed, consisting of two planar tunnel-coupled waveguides, one of the waveguides made of magnetically sensitive metamaterial, which in the wide range of the external magnetic field in the microwave range represents the “left” medium with a negative refractive index. This structure is a feedback waveguide system, in the resonance points of which, with sufficient external amplification, microwave radiation is generated. The difference of this model is that the amplification is provided due to the modulation instability of a powerful infrared wave, introduced into the waveguide with a positive refractive index. This waveguide must be made of a material with a high Kerr nonlinearity coefficient, for example, a GaAs semiconductor and have a negative dispersion of group velocities at the frequency of the infrared pump wave.

Изменяя внешнее магнитное поле, можно перестраивать частоту генерации.By changing the external magnetic field, one can tune the generation frequency.

Claims

A tunable microwave radiation generator based on a tunnel-coupled structure, consisting of a magnetic field source, a pump source supplying radiation to a planar waveguide with a positive refractive index, and a tunnel-coupled planar waveguide from a metamaterial with a negative refractive index depending on the external magnetic field, characterized in that the planar waveguide with a positive refractive index is made of a material with a high coefficient of Kerr n linearity.