CC BY
60
УДК: 535.421
О ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ МЕЗОМАСШТАБНОЙ КВАЗИОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧ НА ОСНОВЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КУБИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ, ФОРМИРУЮЩИХ ФОТОННЫЕ ТЕРАСТРУИ
Игорь Владиленович Минин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, e-mail: prof.minin@gmail.com
Олег Владиленович Минин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, заведующий кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, e-mail: kaf.metrol@ssga.ru
Никита Анатольевич Харитошин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант, тел. (952)940-84-49, e-mail: Kharitoshin.N.A@mail.ru
В работе предложено построение квазиоптической линии передач на основе квазипериодического индуцирования фотонных тераструй с помощью одномерной решетки диэлектрических кубоидов.
Ключевые слова: фотонная наноструя, тераструя, волновой фронт, диэлектрический волновод.
CREATION OF THE POSSIBILITY MESOSCALE QUASI-OPTICAL TRANSMISSION LINE ON DIELECTRIC CUBIC ELEMENT, FORMED BY THE PHOTONS TERASTRUI
Igor V. Minin
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., doctor of technical sciences, professor of the department of metrology and optical technology, tel. (383)361-07-45, e-mail: prof.minin@gmail.com
Oleg V. Minin
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., doctor of technical sciences, head of a department of metrology and optical technology, tel. (383)361-07-45, e-mail: kaf.metrol@ssga.ru
Nikita A. Kharitoshin
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., graduate student, tel. (952)940-84-49, e-mail: Kharitoshin.N.A@mail.ru
Construction of quasioptical transmission line proposed in this paper we use a one-dimensional lattice of dielectric cuboids based on a quasiperiodic photonic induction terajets.
Key words: photonic nanojet, terajet, the wave front, the dielectric waveguide.
Для работы в диапазоне субмиллиметровых волн наиболее подходящим является обычный диэлектрический волновод, представляющий собой стержень круглого или овального сечения, выполненный из высококачественного (неполярного) диэлектрика. Затухание в диэлектрическом волноводе при постоянной фазовой скорости растет пропорционально частоте, тогда как в стандартных металлических волноводах затухание пропорционально частоте в степени три вторых. Отсюда следует, что с укорочением длины волны относительные преимущества диэлектрического волновода возрастают. Однако при переходе в терагерцовый диапазон возникает ряд существенных трудностей использования диэлектрических волноводов. [1]
Линзовый микроволновый лучевой волновод впервые был предложен Губо [2].
Рис. 1. Квазиоптическая линия Губо [2]
Назначение линз в линии Губо - периодически корректировать распределение фазы по сечению пучка без заметного изменения его амплитудного распределения. Поэтому линзу в такой линии рассматривают как фазовый корректор. Расстояния между линзами таковы, что при распространении волн между линзами проявляются два конкурирующих эффекта: фокусировка пучка волн линзами, сужающая пучок, и дифракционное расширение пучка вследствие конечности размеров линз. При этом в линии, как в волноводе, при интерференции волн в пучке образуются волновые структуры, подобные волноводным модам.
Однако количество линз на единицу длины при этом велико, и линзовая линия передач имеет большие потери на отражение.
В работе [3] была рассмотрена линия передач на диапазон 100 ГГц из пе-нополистироловых сферических линз диаметром 30 мм, установленных на одной оси вплотную друг к другу. Коэффициент преломления материала линзы составлял 1.02.
Рис. 2. Линия передач на диапазон 100 ГГц из пенополистироловых
сферических линз [4]
В оптическим диапазоне сейчас исследования таких волноводов ведутся в направлении применения цепочек диэлектрических сферических частиц размером порядка нескольких микрон [4-7]. В оптическом диапазоне частот такие частицы обладают резонансными "шепчущими" модами с большими временами жизни [8]. Таким образом, такие цепочки представляют собой волноводы, состоящие из слабо взаимодействующих между собой оптических резонаторов высокой добротности (coupled resonator optical waveguides - CROW). Идея таких волноводов была предложена в работе [9]. Если частицы выстроены в цепочку, то взаимодействие между ними приводит к формированию коллективных мод, образующих узкие зоны в окрестности частот резонансных мод уединенной частицы [4, 8-9]. Таким образом, такие волноводы способны эффективно передавать лишь такие оптические возбуждения, частоты которых близки к резонансным частотам частиц, благодаря чему их можно использовать как оптические фильтры высокой точности. В работе [10] было получено распространение вдоль волновода оптического возбуждения, затухающего в е раз на расстоянии порядка 1 - 1,5 частиц. Однако их поперечные размеры многократно превышают длину волны видимого света, что затрудняет их использование в области ТГЦ диапазона и нанооптики.
В коротковолновой части миллиметрового диапазона волн, субмиллиметровом (ТГц) диапазоне перспективными дифракционными элементами, формирующими аналог фотонной струи - тераструю, являются диэлектрические кубические мезомасштабные структуры [11, 12]. Однако в указанных работах рассмотрены одиночные кубические элементы.
В настоящей работе приведены результаты предварительного моделирования системы кубических элементов, формирующих фотонные тераструи и предназначенные для линий передачи энергии в миллиметровом и ТГц диапазонах.
На рис. 3 приведены результаты трехмерного моделирования распространения излучения частотой 300 ГГц через систему из трех диэлектрических кубиков, расположенных на оптимальном расстоянии друг от друга.
Рис. 3. Трехмерная модель распространения излучения частотой 300 ГГц через систему из трех диэлектрических кубиков, расположенных на оптимальном
расстоянии друг от друга
На рис. 4 показано распределение интенсивности поля вдоль направления распространения излучения для указанной на рис.3 конфигурации.
роиег (^300) (р«)_АЬ5 (г)
0.010845111 ^ 0.013039638 0 011750939
-4 -2 0| 0.683331 2 14,15 6 [7б]в 10 12 14
I / тт
Рис.4. Распределение интенсивности поля вдоль направления распространения излучения для указанной на рис.3 конфигурации.
Приведенные результаты свидетельствуют о возможности создания мезо-масштабной квазиоптической линии передач миллиметрового и тератерцового диапазонов на основе кубических диэлектрических структур, формирующих фотонные тераструи.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Вайнштейн Л. А. Электромагнитные волны. - М.: Радио и связь, 1988.
2. CHRISTIAPT J. R., GOUBAU G. Experimental Studies on a Beam Waveguide for Millimeter Waves//IRE Trans., 1961, AP-9, No. 3. - pp. 256-263.
3. Князьков Л. Б., Руженцев Н. В. Пенодиэлектрическая линзовая линия передач миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн // Письма в ЖТФ, 2008, т. 34, вып. 20. - С. 59-64.
4. Агранович В. М., Дубовский О. А. Влияние запаздывающего взаимодействия на спектр экситонов в одномерных и двумерных кристаллах // Письма в ЖЭТФ, 1966, № 3. -С. 345.
5. Deych L. I., Roslyak О.. Photonic band mixing in linear chains of optically coupled microspheres // Phys. Rev., 2006, E 73. - С. 036606.
6. Seungmoo Yang, Astratov V. N.. Photonic nanojet-induced modes in chains of size-disordered microspheres with an attenuation of only 0.08 dB per sphere. // Appl. Phys. Lett., 2008, 92. - С. 261111.
7. Yoshiko Hara, Takashi Mukaiyama, Kenji Takeda, Makoto Kuwata-Gonokami. Heavy Photon States in Photonic Chains of Resonantly Coupled Cavities with Supermonodispersive Microspheres.// Phys. Rev. Lett., 2005, 94. - С. 203905.
8. Highly efficient optical coupling and transport phenomena in chains of dielectric micro-spheres / Zhigang Chen, Taflove Allen, Backman Vadim. // Optics Letters, 2006, 31. - С. 389.
9. Observation of Structure Resonances in the Fluorescence Spectra from Microspheres / R. E. Benner, P.W. Barber, Owen J. F., Chang R. K.. //. Phys. Rev. Lett., 1980, 44. - С. 475 (1980).
10. Coupled-resonator optical waveguides doped with nanocrystals. / Björn M. Möller, Woggon Ulrike, Artemyev M. V. // Optics Letters, 2005, 30. - С. 2116.
11. Terajets produced by 3D dielectric cuboids / Pacheco-Peña V., Beruete M., Minin I. V., and Minin O. V.// Appl. Phys. Lett., 2014, 105. - С. 084102.
12. Multifrequency focusing and wide angular scanning of terajets / Pacheco-Peña V., Beruete M., Minin I. V., and Minin O. V.. // Optics letters, 2015, Vol. 40, Iss. 2.
© И. В. Минин, О. В. Минин, Н. А. Харитошин, 2015
