RU2526888C1

RU2526888C1 - Method of interfacing set of secondary terahertz plasmon-polariton links with main channel

Info

Publication number: RU2526888C1
Application number: RU2013114639/07A
Authority: RU
Inventors: Борис Александрович Князев; Алексей Константинович Никитин; Герман Николаевич Жижин
Priority date: 2013-04-01
Filing date: 2013-04-01
Publication date: 2014-08-27

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: invention relates to communication means in which information is transferred using surface electromagnetic waves, more precisely surface plasmon-polaritons in the terahertz (THz) range, directed by the flat surface of a conducting substrate, and can be used in plasmon-based communication networks and in information collection and processing devices using THz electromagnetic waves. The method includes arranging non-uniformities; forming channels on separate substrates; the faces of all substrates are rectangular; the non-uniformities used are the edges of the substrates directed perpendicular to the track of the initial surface plasmon-polariton (SPP); using said edge to convert the SPP into a volume wave which is divided into a series of spaced-apart secondary volume waves, the number of which is not less than the number of secondary channels, in each of which corresponding to the volume wave, a derivative of the initial SPP is generated using the edge of the substrate.

EFFECT: rapid interfacing of main and secondary plasmon links.

2 dwg

Description

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.The invention relates to the field of communication media in which information is transferred by surface electromagnetic waves, more precisely surface plasmon polaritons (SPT), of the terahertz (THz) band, guided by the flat surface of a conductive substrate, and can be used in plasma communication networks, as well as in devices collection and processing of information using electromagnetic waves of the THz range. The application of the proposed method will allow not only to create simply interfaced interfaces of the plasma communication channels of the THz range, but also to modulate the signals in such channels, as well as their switching.

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].One of the main applications of electromagnetic waves in the currently intensively developed THz range (frequency from 0.1 to 10 THz) is information transmission and processing [Kleine-Ostmann T., Nagatsuma T. A review on terahertz communications research. // J. Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, 2011, v. 32, p. 143-171]. Plasmon-polariton communication channels, implemented on the basis of planar and cylindrical metal-dielectric waveguide structures, are analogous to integrated optical information processing devices and visible optical fiber communication lines [Csurgay A.I., Porod W. Surface plasmon waves in nanoelectronic circuits. // Intern. J. of Circuit Theory and Applications, 2004, v.32, p. 339-361], since THz SPPs can propagate at macroscopic distances exceeding the radiation wavelength by 4-5 orders of magnitude [Knyazev B.A., Kuzmin A.V. . Surface electromagnetic waves: from visible light to microwaves. // Bulletin of NSU. Physics, 2007, v. 2 (1), pp. 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.A known method of pairing the primary and secondary plasmon-polariton communication channels of the THz range, including placing on the path of the original SPP beam an inhomogeneity in the form of a set of two geodetic prisms conjugated by vertices having a common geometric axis lying in the plane of a common substrate guiding the SPP of the main and secondary channels [Bogomolov GD, Zhizhin GN, Nikitin AK, Knyazev BA Geodesic elements to control terahertz surface plasmons. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research (A), 2009, V.603, No.1 / 2, p. 52-55]. The method is based on the fact that the linear wave front of the PPP beam rotates when it overcomes the grooves formed in the position in the form of a half of a regular cone whose axis lies in the plane of the substrate; front rotation is a consequence of the difference in geometric paths traveled by the beam of the beam when they overcome a conical groove [Zhizhin GN, Nikitin AK, Nikitin PA The method of separation of combined surface and volume electromagnetic waves of the terahertz range. // RF patent for the invention No. 2352969. - Bull. No. 11 dated 04/20/2009]. Placing two such grooves (geodesic prisms) on the path of the SPT beam, conjugated by vertices within the cross section of the beam, allows you to divide the original (main) beam into two new (secondary) beams. Significant disadvantages of the known method of pairing the primary and secondary plasmon-polariton communication channels are as follows: 1) the formation of geodetic prisms is a rather time-consuming operation; 2) the presence of geodetic prisms in the substrate violates the planarity of the channel; 3) diffraction of the SPP at the edges of the prisms leads to significant radiation losses; 4) the need for a common substrate of mating channels limits the possibility of their operational architectonics.

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.Closest to the claimed technical essence is a method of pairing the primary and secondary plasmon-polariton communication channels of the THz range, which includes placing an inhomogeneity in the form of an angular mirror on the path of the initial SPP beam, having two flat reflecting faces, the intersection line of which is within the original beam and is perpendicular surface of the substrate [Bogomolov GD, Zhizhin GN, Kiryanov AP, Nikitin AK, Khitrov OV Determination of the refractive index of surface plasmons. IR range by the method of static asymmetric interferometry // Bulletin of the Russian Academy of Sciences. Physical Series, 2009, vol. 73, No. 4, pp. 562-565]. The main disadvantages of this method are: 1) the generation of a set of spurious body waves during diffraction of the SPP on the edge of the mirror; 2) large energy losses due to diffraction of the initial SPP beam at the edge and edges of the mirror, as well as the transformation of the SPP into volume radiation at the slightest deviation of the reflecting planes of the mirror from the normal to the substrate surface; 3) the need for a common substrate of the mating channels, which limits the possibility of their operational architectonics; 4) the need for mechanical contact of the mirror with the optical surface of the substrate.

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.The technical result of the invention is aimed at providing the possibility of operational pairing of the primary and secondary plasma communication channels, not accompanied by the occurrence of spurious body waves and large diffraction losses.

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.The technical result is achieved by the fact that in the method of pairing a set of secondary plasmon-polariton communication channels of the THz range with the main channel, including the placement of inhomogeneities in it, the secondary channels are created on individual substrates with rectangular faces, the substrate edge of the main channel oriented perpendicular to the track is used as the inhomogeneity of the initial SPP, and with the help of this rib, the SPP is converted into a body wave (S), which is divided into a number of spatially separated secondary S, the number of which x is not less than the number of secondary channels, in each of which the corresponding OM generates a derivative of the initial plasmon polariton using the substrate edge.

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.The possibility of operational conjugation of the primary and secondary plasmon-polariton communication channels, which is not accompanied by the occurrence of spurious body waves (S) and large diffraction losses, is achieved by placing the substrates of all channels in one plane and the high conversion efficiency of such Ss on the edge of the substrate with rectangular faces in the SPT due to the small divergence of the OM generated by the SPP on such an edge, as well as the affinity of the distribution of the field of such an OB and the SPP field [Zhizhin GN, Moskaleva MA, Shomina EV, Yakovlev V.A . Edge effects in the propagation of surface electromagnetic waves of the infrared range along the metal surface. // Letters to JETP, 1979, v.29 (9), p.533-536; Zon V.B. Surface plasmons on a right angle metal wedge. // J. Opt. A: Pure Appl. Opt., 2007; radiated by the edge of the position of the main channel, and mechanical contact with the optical surface of its substrate.

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.The invention is illustrated by drawings: in Fig. 1 is a diagram of a device that implements the method; in Fig.2 - the dependence of the relative intensity I / I ₀ of bulk waves generated by the SPT with a wavelength λ = 100 microns at their diffraction on a rectangular flat copper substrate edge, the angle α, measured from a straight line lying on the substrate surface and normal to the her rib.

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.The proposed method can be implemented using a device, the circuit of which is shown in Fig. 1, where the numbers denote: 1 - the main SPT communication channel; 2 - light beam divider; 3, 4 - secondary RFP communication channels.

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.The method is implemented as follows. The original SPP beam propagates along channel 1. Having reached the edge of the substrate with the rectangular faces of channel 1, the SPP beam, as a result of diffraction by the edge, is transformed into a body wave (S) with a narrow radiation pattern, the top of which lies on the continuation of the SPP track, i.e. in the plane of the substrate [Wallis RF, Maradudin AA, and Stegeman GI Surface polariton reflection and radiation at end faces. // Applied Physics Letters, 1983, v. 42 (9), p. 764-766]. In addition, it was experimentally established that when the source THz channel of the SPT channel is placed in the plane of the substrate surface of the channel of the surface of another similar substrate, which is spaced apart from the first by a macroscopic distance d >> λ, a new SPP is generated with high efficiency by diffracted body wave and propagates in the OB direction [ 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]. This allows, by placing a beam splitter 2 (for example, a plane-parallel plate of transparent material) in the gap between the substrates, to divide the OM emitted by the SPP from the edge of the substrate of the main channel into two new OM without generation of spurious OM and unacceptable energy losses. New OMs, diffracting on the edges of spatially spaced substrates with rectangular faces of secondary channels 3 and 4, generate new SPPs on their surfaces that are identical in their characteristics (except for intensity) to the original SPP. Thus, the goal is achieved - the operational coupling of the primary and secondary plasmon communication channels, without generating spurious body waves and large diffraction losses. Note that by applying N beamsplitters, it is possible in such a way to pair the main SPT of the communication channel with (N + 1) secondary channels.

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:An analytical model that allows one to calculate the angular distribution of the number of photons P (α), i.e. the intensities of OM generated during the conversion of SPP on the edge of a metal substrate with rectangular faces are given in [Zon VB, Zon B.A., Klyuev V.G., Latyshev AN, Minakov D.A., Ovchinnikov O.V. A new way to measure the surface impedance of metals in the infrared region. // Optics and spectroscopy, 2010, Vol. 108, No. 4, p. 677-679] and is described by the expression:

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°.where α - is counted here from a straight line coinciding with the SPP track and normal to the substrate edge;

is the surface impedance of the metal, and μ and ε are the magnetic and dielectric constant of the metal, respectively. It follows from (1) that the distribution P (α) is Lorentzian, and its angular width decreases with increasing λ, since for metals in the IR range

and has in the THz range (for metals such as gold, copper and aluminum) a value of less than 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].As an example of the application of the proposed method, we consider the possibility of pairing the SPP communication channels on copper substrates at λ = 100 μm. To calculate the dielectric constant of copper, we use the Drude model, with the substitution of the plasma frequency ω _p = 59600 cm ^-1 and the collision frequency of free electrons ω _τ = 73.2 cm ^-1 [Ordal MA, Bell RJ, Alexander RW 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.Figure 2 shows the dependence of the relative intensity I / I ₀ generated on the edge of the substrate of the organic matter calculated by formula (1) from the angle α, where I ₀ = I at α = 0. It is seen that the angular width of the radiation pattern of such an OM is small and is approximately 20 ′ at the level of 0.5. The small angular divergence of the OM emitted by the SPP from the edge of the substrate is one of the reasons for the high efficiency of overcoming infrared SPP of air gaps between substrates with rectangular edges. In [Tae-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], it is established that the THz SPP losses when overcoming the centimeter gap between copper (or aluminum) substrates located in the same plane do not exceed 50%. Such a distance (1 cm) is quite sufficient for placement in the gap of a beam splitter plate with dimensions exceeding the depth of penetration of the SPP field into the air.

Рассмотренный пример наглядно демонстрирует возможность оперативного сопряжения основного и вторичных плазменных каналов связи, не сопровождаемого возникновением паразитных объемных волн и большими дифракционными потерями.The considered example clearly demonstrates the possibility of operational conjugation of the main and secondary plasma communication channels, which is not accompanied by the occurrence of spurious body waves and large diffraction losses.

Claims

A method of interfacing a set of secondary plasmon-polariton communication channels of the terahertz range with the main channel, including arranging inhomogeneities in it, characterized in that the secondary channels are created on individual substrates with rectangular faces, using the edge of the main channel substrate oriented perpendicular to the track of the original surface plasmon -polariton, and with the help of this rib transform the surface plasmon-polariton into a body wave, which is divided into a number of spaces spaced apart secondary body waves, the number of which is not less than the number of secondary channels, in each of which the corresponding body wave generates a derivative of the initial plasmon polariton using the substrate edge.