Способ сопряжения набора вторичных плазмон-поляритонных каналов связи терагерцового диапазона с основным каналом

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.

 

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 ωp=59600 см-1 и столкновительной частоты свободных электронов ωτ=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.

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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технике связи и может использоваться в оптических системах связи. Технический результат состоит в повышении пропускной способности каналов передачи.

Изобретение относится к средствам вычислительной техники и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации при разработке и создании оптических вычислительных машин и приемопередающих устройств.

Изобретение относится к устройствам передачи данных в системах связи и может быть использовано при разработке защищенных от восстановления волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) со спектральным уплотнением (СП).

Изобретение относится к системам передачи информации, телеметрии и оптоэлектроники и может быть использовано для передачи конфиденциальной информации. .

Изобретение относится к способам передачи данных в системах связи и может быть использовано при разработке волоконно-оптических систем передачи данных со спектральным уплотнением.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, позволяющей осуществлять непрерывный контроль состояния работоспособности линейного тракта волоконно-оптической системы передачи (ВОСП) с мультиплексированием по длине волны (МДВ) и волоконно-оптическими усилителями (ВОУ).

Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться для обнаружения выхода в эфир радиостанций с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ) и определения их сетки используемых частот.

Изобретение относится к технике связи и предназначено для электросвязи по оптоволоконным линиям, которые могут использоваться для сверхплотного уплотнения больших групп городских и междугородных линий.

Изобретение относится к технике электросвязи по оптоволоконным линиям и может быть использовано для сверхплотного уплотнения больших групп городских и междугородных линий по длинам волн.

Предлагаемое изобретение относится к технике связи и может использоваться в телекоммуникационных технологиях. Технический результат состоит в повышении числа присоединяемых абонентов и обеспечении возможности реализации эффективных системно-сетевых решений в широкополосных мультимедийных услугах в оптических сетях доступа, в магистральных и других оптических телекоммуникационных сетях. Для этого изобретение содержит блок волнового уплотнения и разделения, устройство разделения направлений распространения светового потока, а также группу внешних коннекторов. Кроме этого, применение оптических мультиплексоров-демультиплексоров с разделением направлений распространения позволяет повысить число присоединяемых абонентов в одноволоконной сетевой инфраструктуре пассивной сети широкополосного доступа с волновым разделением, а также удвоить число каналов в одноволоконных системах передачи и в других оптических системах с волновым уплотнением, без изменения числа длин волн, используемых в данных системах. 1 ил.

Изобретение относится к телекоммуникационным технологиям и компьютерным сетям. Технический результат состоит в поышении эффективности и надежности связи в оптических сетях доступа к широкополосным мультимедийным услугам информационно-телекоммуникационных сетей при переходе к пакетным сетям следующего поколения, а также в высоконадежных локальных сетях передачи данных с расширенной зоной покрытия, используемых в транспортных инфраструктурах. Для этого на крупных распределенных объектах применяют высоконадежные оптические сети, представляющие самовосстанавливающиеся кольцевые сети передачи данных на базе одноволоконной оптической инфраструктуры, обеспечивающей безотказную связь пользователей при однократных обрывах оптических линий с использованием принципа волнового уплотнения, при этом максимальная скорость в оптоволоконных линиях таких сетей может составлять до 160 Гбит/с. 1 ил.

Изобретение относится к технике связи и может использоваться в сетях беспроводной связи. Технический результат состоит в повышении надежности связи. Для этого сеть (100; 200) связи включает в себя множество промышленных систем (110, 160; 210, 220, 250, 280). Каждая система включает в себя плату (120, 170; 212, 225, 255, 285) I/O, включающую в себя модули (130, 180; 235, 265, 295) I/O, по меньшей мере, одно из оптического излучателя (125; 215, 240, 270, 298) и оптического приемника (175; 230, 260, 290), и модуль (140, 190; 245) обработки. Модуль (140, 190; 245) обработки и плата (120, 170; 212, 225, 255, 285) I/O генерируют оптический сигнал, соответствующий информации и информации контроля циклическим избыточным кодом (CRC). Сеть (100; 200) включает в себя первую оптическую шину (150) и вторую оптическую шину (155), соединенные с платами (120, 170; 212, 225, 255, 285) I/O для передачи оптического сигнала и дополнения оптического сигнала между системами. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх