RU185571U1 - Устройство для замедления поверхностных электромагнитных волн терагерцового диапазона на основе тонкой сверхпроводящей пленки - Google Patents
Устройство для замедления поверхностных электромагнитных волн терагерцового диапазона на основе тонкой сверхпроводящей пленки Download PDFInfo
- Publication number
- RU185571U1 RU185571U1 RU2017127845U RU2017127845U RU185571U1 RU 185571 U1 RU185571 U1 RU 185571U1 RU 2017127845 U RU2017127845 U RU 2017127845U RU 2017127845 U RU2017127845 U RU 2017127845U RU 185571 U1 RU185571 U1 RU 185571U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electromagnetic waves
- superconducting film
- frequency
- terahertz range
- waveguide structure
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 13
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract 2
- 239000010408 film Substances 0.000 description 28
- 239000002887 superconductor Substances 0.000 description 8
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 6
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 5
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 5
- 241001443531 Pea enation mosaic virus 1 Species 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910021521 yttrium barium copper oxide Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- 229910009203 Y-Ba-Cu-O Inorganic materials 0.000 description 1
- BTGZYWWSOPEHMM-UHFFFAOYSA-N [O].[Cu].[Y].[Ba] Chemical compound [O].[Cu].[Y].[Ba] BTGZYWWSOPEHMM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005520 electrodynamics Effects 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N60/00—Superconducting devices
- H10N60/80—Constructional details
Landscapes
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Abstract
Использование: для снижения фазовых и групповых скоростей электромагнитных поверхностных волн. Сущность полезной модели заключается в том, что устройство для замедления поверхностных электромагнитных волн терагерцового диапазона включает в себя источник излучения, поляризатор, устройство ввода излучения, блок управления, волноводную структуру, состоящую из тонкой сверхпроводящей пленки, толщина которой превышает глубину залегания поверхностной волны, диэлектрической подложки и покровной среды, плазменная частота сверхпроводящей пленки соответствовала терагерцовому диапазону и вся волноводная структура помещена в устройство охлаждения, способное поддерживать низкие и сверхнизкие температурные режимы. Технический результат - обеспечение возможности снижения фазовых и групповых скоростей электромагнитных волн. 3 ил.
Description
Устройство для замедления поверхностных электромагнитных волн терагерцового диапазона на основе тонкой сверхпроводящей пленки
Изобретение относится к области оптоэлектроники и плазмоники, в частности к разработке и созданию планарных многослойных волноведущих структур, предназначенных для снижения фазовых и групповых скоростей распространяющихся в них поверхностных электромагнитных волн.
В настоящее время планарные металлодиэлектрические волноводы и компоненты на их основе являются перспективными объектами исследований современной фотоники и оптоэлектроники. Повышенный интерес к изучению их волновых свойств обоснован прежде всего тем, что на границах раздела металла с диэлектриком, в частотной области, где диэлектрическая проницаемость металла отрицательна, могут возбуждаться поверхностные электромагнитные волны (ПЭМВ) плазмон-поляритонного типа, представляющие собой коллективные колебания электромагнитной волны в диэлектрике и волны электронного газа в металле. Вследствие значительного поглощения в металле длина пробега ПЭМВ в структуре является крайне малой величиной, не превышающей несколько десятков длин волн. Данное обстоятельство накладывает существенные ограничения на применение ПЭМВ в устройствах оптоэлектроники, а вопрос компенсации потерь становится ключевым. Одно из решений данной проблемы заключается в создании волноведущих структур на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), в которых при температурах, ниже критических, поглощение распространяющихся волн отсутствует. В таких структурах, наряду с большими длинами пробега, возможно существенное замедление волн и создание условий их эффективного взаимодействия с волнами дрейфового тока. Такие структуры могут использоваться в современной радиофизике в качестве усилителей и генераторов дальнего инфракрасного и терагерцового диапазонов, работающих по принципу усиления электромагнитных волн при их взаимодействии с заряженными частицами (D.Yu. Fedyanin, А.V. Arsenin. Surface plasmon polariton amplification in metal-semiconductor structures. Opt. Express. 2011. V. 19. Iss. 13. P. 12524).
На данный момент существует ряд материалов и пленочных волноводных структур на их основе, в которых реализуется распространение медленных волн и их последующее усиление. Обеспечение необходимого усиления волны при ее прохождении через активную среду требует пропускания больших критических токов, что приводит к значительному разогреву образца. В связи с этим, наиболее технологичными и перспективными материалами для изготовления подобных волноводов являются современные высокотемпературные сверхпроводники.
Известна пленочная волноводная структура на основе высокотемпературного сверхпроводника типа оксида иттрия-бария-меди - YBa2Cu3O7 (US Patent. М. Lelental, J. Agostinelli, H. Romanofsky. High TC superconductor Y-Ba-Cu-O thin films. US 1991/5059583), имеющего температуру перехода в сверхпроводящее состояние (критическую температуру) Tc = 92.4 К. Указанная волноводная структура может быть
положена в основу для создания новых устройств волноводного типа на основе современных ВТСП с более высокими критическими температурами (например, соединения HgBa2Ca2Cu3O8 с Tc = 133 К). Необходимо отметить, что от количества
циклов напыления пленки на диэлектрическую подложку зависит величина критической плотности тока, которую способна выдержать пленка в сверхпроводящей фазе. На электродинамические свойства структуры влияет температура отжига на начальном этапе создания пленки ВТСП (Н.В. Востоков, М.Н. Дроздов и др. Исследование электрофизических и структурных параметров YBCO-пленок, выращенных за несколько ростовых циклов. Письма в ЖТФ. 2011. Т. 37. С. 54). Известна также схема планарного сверхпроводящего волновода на кристаллической подложке, работающего в оптическом диапазоне длин волн (US Patent. R. Simon, С. Piatt et al. Superconductor coplanar waveguide. US 2002/6337149).
Недостатками известных схем являются:
1. Невозможность обеспечения требуемого замедления электромагнитных волн в волноводной структуре и, как следствие, невозможность реализации условий для дальнейшего усиления замедленных электромагнитных волн.
2. Известные волноводные структуры, в которых реализуется компенсация потерь, не предназначены для работы в терагерцовом диапазоне частот.
Для устранения указанных недостатков предлагается данная полезная модель.
Цель: для терагерцового диапазона частот обеспечить требуемое замедление поверхностной электромагнитной волны, при котором фазовая скорость волны меньше скорости света в вакууме более чем на два порядка. Снижение фазовой скорости поверхностной волны способствует значительному повышению эффективности ее дальнейшего взаимодействия с совместно распространяющейся в пленке ВТСП волной дрейфового тока.
Технический результат: создание условий для существования компактного плазмонного волновода, в котором реализуется значительное снижение фазовых и групповых скоростей электромагнитных волн.
Технический результат достигается за счет использования в качестве основного элемента волноводной структуры тонкой сверхпроводящей пленки с заранее заданной плазменной частотой терагерцового диапазона.
В состав полезной модели (фиг. 1) входят следующие конструктивные элементы:
1 - источник излучения,
2 - поляризатор,
3 - устройство ввода излучения в структуру,
4 - тонкая пленка ВТСП типа YBCO,
5 и 6 - диэлектрические обкладки,
7 - криогенная система охлаждения,
8 - блок управления.
Предлагаемая полезная модель (фиг. 1) состоит из источника излучения 1, поляризатора 2, выделяющего из падающего на него излучения ТМ-поляризацию, устройства ввода излучения в структуру 3, пленки высокотемпературного сверхпроводника типа YBCO 4, диэлектрическая проницаемость ε2 (ω, Т) которой отрицательна на рабочей терагерцовой частоте. Толщина пленки превышает глубину проникновения поверхностной волны. Данное условие выполняется для пленок с микронными толщинами, которые рассмотрены в описании данной полезной модели. Диэлектрические проницаемости (ДП) немагнитных диэлектрических обкладок 5 и 6 являются положительными ε1 = 1 и ε3 = 9. Криогенная система охлаждения 7 способна поддерживать рабочий диапазон температур от нуля до 100 градусов по абсолютной шкале. Блок управления 8 соединен с элементами 1, 2, 3, 7.
Принцип действия предлагаемой полезной модели состоит в следующем. Излучение терагерцовой частоты ω от источника излучения 1 проходит через поляризатор 2, после которого становится ТМ-поляризованным. Далее полностью поляризованное излучение через устройство ввода 3 попадает в волноводную структуру и при выполнении условия ω<ωs преобразуется в поверхностную волну, распространяющуюся вдоль двух границ раздела сверхпроводящей пленки 4 и диэлектрических обкладок 5, 6. Здесь - плазменная частота сверхпроводящей пленки, определяющая собственную частоту колебаний электронного газа в сверхпроводнике. Плазменная частота зависит от концентрации носителей заряда n и их эффективной массы m, е - заряд электрона. Параметр n выбирается таким образом, чтобы плазменная частота лежала в пределах терагерцового диапазона. В этом случае диэлектрическая проницаемость сверхпроводящей пленки будет отрицательна и следовательно, ДП контактирующих сред для всех рассматриваемых терагерцовых частот будут иметь различный знак и удовлетворять условиям возбуждения поверхностной волны на границах волноводной структуры.
Связь между константой распространения ПЭМВ и ее частотой для высокочастотной и низкочастотной мод даются соответствующими дисперсионными соотношениями:
где d - толщина пленки, a - поперечные компоненты волнового вектора ПЭМВ в каждой из сред, k0 - волновое число в вакууме, β - константа распространения. Причем, если частота подаваемого изучения будет соответствовать максимальному значению постоянной распространения β, то в этом случае будет наблюдаться максимально возможное замедление поверхностной волны. Для сверхпроводниковьгх пленок разных толщин одна и та же частота будет соответствовать разным значениям постоянной распространения β, что позволяет управлять фазовыми и групповыми скоростями ПЭМВ. Более того на фиксированной толщине пленки также возможно управление фазовыми и групповыми скоростями волн за счет подбора определенного низкотемпературного режима.
Далее на основе численного моделирования приведем результаты, достигаемые при использовании данной полезной модели.
На фиг. 2 приведены зависимости константы распространения ПЭМВ в структуре от частоты, полученные для трех волноводов с пленками ВТСП толщиной 0.5 мкм (кривые 9,12), 1.0 мкм (кривые 10, 13) и 5.0 мкм (кривые 12, 14) при температуре Т<Tc.
Во всех случаях толщина пленки превышает глубину залегания волны в сверхпроводник. В волноводной структуре возможно распространение как высокочастотных, так и низкочастотных поверхностных волн. Сплошные кривые соответствуют высокочастотным модам (кривые 9-11), штриховые кривые - низкочастотным (кривые 12-14). Для указанных кривых замедление проявляется в разной степени. Для наиболее эффективного замедления волны в структуре константа распространения для высокочастотных мод должна соответствовать максимуму частоты. Замедление ПЭМВ также реализуется для высокочастотной и низкочастотной мод при значениях константы распространения β≥107 м-1 в узкой спектральной области с центральной частотой ω∞ = 0.77-1013 с-1. При этом, фазовая скорость распространяющихся волн Vph = ω/β на этой частоте может быть снижена более чем на два порядка. Так, для постоянной распространения β = 7.5-106 м-1 (кривые 10-13) составляет Vph≈106 м/с, что в 300 раз меньше скорости света в вакууме. Для меньших значений константы распространения замедление значительнее выражается для волноводов с большими толщинами пленки ВТСП на высоких частотах и для меньших толщин на низких частотах.
Управлять групповыми и фазовыми скоростями ПЭМВ, распространяющихся в волноводной структуре можно также и с помощью устройства охлаждения, которое обеспечивает требуемый низкотемпературный режим. На фиг. 3 представлена зависимость относительной групповой скорости vg/с, где с - скорость света в вакууме от константы распространения поверхностной волны, полученная для пленок ВТСП с толщинами 0.1 и 1 мкм. Приведенные зависимости отвечают высокочастотной и низкочастотной (сплошные и штриховые кривые) дисперсионным ветвям и температурам 10 и 50 K (а, б). Толщине пленки d = 0.1 мкм соответствуют кривые 15, 17, 19, 21, толщине d = 1 мкм - кривые 16, 18, 20 и 22. Видно, что выбор соответствующего температурного режима существенно влияет на частотные зависимости для групповых скоростей. Так, при выборе рабочей температуры T = 50 K (фиг. 3, б) частотная область, где реализуется отрицательная групповая скорость, значительно сужается, а изменения толщины пленки при этой температуре приводят к меньшим изменениям зависимостей Vgr(ω). В обоих случаях на высокочастотной ветви имеется значение константы распространения, для которого групповая скорость равна нулю. В непосредственной близости от этого значения имеются области, в которых групповая скорость намного меньше скорости света. В указанных областях константы распространения появляется возможность реализации в структуре медленных волн. Более того, для высокочастотных мод возможно распространение ПЭМВ с отрицательной групповой скоростью, т.е. обратной ПЭМВ (сплошные кривые 15, 16, 19, 20). Ширина этой частотной области уменьшается с увеличением толщины пленки. Наличие области отрицательной групповой скорости позволяет на основе рассматриваемой волноводной структуры создавать устройства генерации терагерцового излучения.
Таким образом, предлагаемая модель волновода на основе пленки ВТСП с необходимыми параметрами позволяет обеспечить достижение цели полезной модели - замедление ПЭМВ более чем на 2 порядка по отношению к скорости света в вакууме.
Заявленный технический результат достигается за счет:
1. Использования сверхпроводниковой пленки, плазменная частота которой лежит в терагерцовом диапазоне частот.
2. Использования в качестве основного слоя волноводной структуры пленок ВТСП с тремя различными толщинами, каждая из которых превышает глубину залегания поверхностной волны.
3. Настройки и поддержания требуемого низкотемпературного режима с помощью криогенной системы охлаждения.
Claims (1)
- Устройство для замедления поверхностных электромагнитных волн терагерцового диапазона включает в себя источник излучения, поляризатор, устройство ввода излучения, блок управления, волноводную структуру, состоящую из тонкой сверхпроводящей пленки, толщина которой превышает глубину залегания поверхностной волны, диэлектрической подложки и покровной среды, отличающееся тем, что плазменная частота сверхпроводящей пленки соответствует терагерцовому диапазону и вся волноводная структура помещена в устройство охлаждения, способное поддерживать низкие и сверхнизкие температурные режимы.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017127845U RU185571U1 (ru) | 2017-08-03 | 2017-08-03 | Устройство для замедления поверхностных электромагнитных волн терагерцового диапазона на основе тонкой сверхпроводящей пленки |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017127845U RU185571U1 (ru) | 2017-08-03 | 2017-08-03 | Устройство для замедления поверхностных электромагнитных волн терагерцового диапазона на основе тонкой сверхпроводящей пленки |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU185571U1 true RU185571U1 (ru) | 2018-12-11 |
Family
ID=64754217
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017127845U RU185571U1 (ru) | 2017-08-03 | 2017-08-03 | Устройство для замедления поверхностных электромагнитных волн терагерцового диапазона на основе тонкой сверхпроводящей пленки |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU185571U1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU189437U1 (ru) * | 2018-12-14 | 2019-05-22 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный университет" | Устройство для управления фазовой и групповой скоростью поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона на основе тонкой пленки полупроводника с графеновыми обкладками |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5059583A (en) * | 1988-06-20 | 1991-10-22 | Eastman Kodak Company | High TC superconducting Y-BA-CU-O thin films |
US6337149B1 (en) * | 1988-08-18 | 2002-01-08 | Trw Inc. | Superconductor coplanar waveguide |
WO2007149853A2 (en) * | 2006-06-23 | 2007-12-27 | Massachusetts Institute Of Technology | Efficient terahertz sources by optical rectification in photonic crystals and metamaterials exploiting tailored transverse dispersion relations |
-
2017
- 2017-08-03 RU RU2017127845U patent/RU185571U1/ru active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5059583A (en) * | 1988-06-20 | 1991-10-22 | Eastman Kodak Company | High TC superconducting Y-BA-CU-O thin films |
US6337149B1 (en) * | 1988-08-18 | 2002-01-08 | Trw Inc. | Superconductor coplanar waveguide |
WO2007149853A2 (en) * | 2006-06-23 | 2007-12-27 | Massachusetts Institute Of Technology | Efficient terahertz sources by optical rectification in photonic crystals and metamaterials exploiting tailored transverse dispersion relations |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
А.С. Абрамов, И.О. Золотовский, Д.Г. Санников, Д.И. Семенцов, Волновые свойства поверхностных поляритонов в структуре диэлектрик-высокотемпературный сверхпроводник- диэлектрик, Физика твердого тела, том 57, вып. 4, 2015. А.С. Абрамов, И.О. Золотовский, Д.И. Семенцов, Замедление и усиление поверхностных плазмон-поляритонов в труктуре ВТСП-диэлектрик, Труды школы-семинара "Волны-2015". Электродинамика., 2015. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU189437U1 (ru) * | 2018-12-14 | 2019-05-22 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный университет" | Устройство для управления фазовой и групповой скоростью поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона на основе тонкой пленки полупроводника с графеновыми обкладками |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Mu et al. | Tunable magneto-optical polarization device for terahertz waves based on InSb and its plasmonic structure | |
Faraon et al. | Local tuning of photonic crystal cavities using chalcogenide glasses | |
Liscidini et al. | Guided Bloch surface wave polaritons | |
Singh et al. | Optical tuning and ultrafast dynamics of high-temperature superconducting terahertz metamaterials | |
Zhang et al. | Tunable electromagnetically induced transparency from a superconducting terahertz metamaterial | |
Li et al. | Photonic crystal waveguide electro-optic modulator with a wide bandwidth | |
Navarro-Urrios et al. | Quantification of the carrier absorption losses in Si-nanocrystal rich rib waveguides at 1.54 μm | |
Raymond Ooi et al. | Temperature dependent resonances in superconductor photonic crystal | |
Zheng et al. | Enhanced and controllable Goos–Hänchen shift with graphene surface plasmon in the terahertz regime | |
Guo et al. | The asymmetric optical bistability based on the one-dimensional photonic crystals composed of the defect layers containing the magnetized ferrite and nonlinear Kerr dielectric under the transverse electric polarization | |
Memon et al. | High thermo-optic coefficient of silicon oxycarbide photonic waveguides | |
RU185571U1 (ru) | Устройство для замедления поверхностных электромагнитных волн терагерцового диапазона на основе тонкой сверхпроводящей пленки | |
Darinskii | Surface electromagnetic waves in bianisotropic superlattices and homogeneous media | |
Liu et al. | Tunable terahertz multichannel filter based on one-dimensional superconductor-dielectric photonic crystals | |
Sorianello et al. | Near-infrared absorption of germanium thin films on silicon | |
Wu et al. | Temperature-dependent optical properties of defect mode in dielectric photonic crystal heterostructure containing a superconducting layer | |
Savotchenko | Modes of suppression of a negative nonlinear response in near-surface layers controlled by electric field strength in a crystal with a screening coating | |
Wu et al. | Nonlinear terahertz superconducting plasmonics | |
Zhang et al. | Tuning electromagnetically induced transparency of superconducting metamaterial analyzed with equivalent circuit approach | |
RU175879U1 (ru) | Терагерцовый генератор электромагнитного излучения на основе тонкой сверхпроводящей пленки и фотонно-кристаллической подложки | |
Jiang et al. | Enhanced and tunable terahertz spin hall effect of reflected light due to tamm plasmons with topological insulators | |
Cortés-López et al. | Nonlocal optical response of a layered high-temperature superconductor slab | |
Wang et al. | Enhanced absorption study of one-way absorber based on magnetophotonic crystal combined with graphene | |
RU189437U1 (ru) | Устройство для управления фазовой и групповой скоростью поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона на основе тонкой пленки полупроводника с графеновыми обкладками | |
Nevou et al. | Ultrafast relaxation and optical saturation of intraband absorption of GaN/AlN quantum dots |