научная статья по теме ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЕ ФОТОННЫЕ КРИСТАЛЛЫ НА ОСНОВЕ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ С НАНОРАЗМЕРНЫМИ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПЛЕНКАМИ Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук

Текст научной статьи на тему «ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЕ ФОТОННЫЕ КРИСТАЛЛЫ НА ОСНОВЕ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ С НАНОРАЗМЕРНЫМИ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПЛЕНКАМИ»

ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА Том 11, № 3, 2015, стр. 38-45

ФИЗИКА

УДК 06;09;12

ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЕ ФОТОННЫЕ КРИСТАЛЛЫ НА ОСНОВЕ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ С НАНОРАЗМЕРНЫМИ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПЛЕНКАМИ

© 2015 г. В.М. Мухортов1, С.В. Бирюков1, С.И. Масычев1

Поступила 31.03.2015

Проведены теоретические и экспериментальные исследования частотных характеристик одномерных аналогов фотонных кристаллов в сверхвысокочастотном и миллиметровом диапазоне длин волн. Расчет характеристик микрополосковых аналогов фотонных кристаллов проводили электродинамическим методом моментов. Адекватность использованной для расчетов модели доказана сравнением характеристик фотонных кристаллов, полученных как теоретически, так и экспериментально. Экспериментальные кривые измерены с помощью анализаторов схем Agilent E5071 C и Agilent PNA-X Network Analyzer N5244A. Предложены конструкции фотонных кристаллов, реализованных на линиях передачи с наноразмерными сегнетоэлектрическими пленками. На примере конструкции фотонного кристалла на основе копланарного волновода показана возможность эффективного электрического управления его амплитудными и фазочастотными характеристиками. Фотонный кристалл образован последовательным, периодически повторяющимся соединением отрезков копланарного волновода с волновыми сопротивлениями 50 и 20 Ом. Проводники копланарного волновода с толщиной металлизации 2 мкм нанесены на гетероструктуру, состоящую из монокристалла MgO толщиной 0,5 мм и монокристаллической пленки Ba08Sr02TiO3 толщиной 40 нм. Перестройка характеристик фотонного кристалла осуществлялась путем подачи на сегнетоэлектрическую тонкую пленку напряжения смещения, плавно изменявшегося от 0 до 40 В. Предложена конструкция на основе микрополосковой линии на диэлектрической подложке с сегнетоэлектрической пленкой наноразмерной толщины с подключенными к ней по Т-образной схеме открытыми резонансными шлейфами, которая обеспечивает минимальные вносимые потери в полосе прозрачности, на отдельных участках не превышающих 0,5 дБ, в то время как изменение фазы коэффициента передачи при подаче электрического смещения не более 40 В на сегнетоэлектрическую пленку способно достигать 800° в диапазоне частот от 30 до 40 ГГц. Совокупность представленных теоретических и экспериментальных результатов показывает, что использование сегнетоэлектрических тонких пленок наноразмерной толщины в конструкциях одномерных фотонных кристаллов в сверхвысокочастотном и миллиметровом диапазонах длин волн позволяет путем подачи напряжения смещения, не превышающего 40 В, эффективно осуществлять перестройку фотонных запрещенных зон в частотном спектре фотонно-кристаллических структур. Реализация устройств обработки сигналов на основе предложенных конструкций позволит значительно улучшить их характеристики.

Ключевые слова: фотонный кристалл, фотонная запрещенная зона, сегнетоэлектрическая тонкая пленка, микрополосковая линия, копланарный волновод.

ВВЕДЕНИЕ

Фотонные кристаллы (ФК) - это искусственные среды, в которых благодаря периодическому изменению какого-либо физического параметра (это может быть, например, показатель преломления, диэлектрическая проницаемость, волновое

1 Южный научный центр Российской академии наук (Southern Scientific Centre, Russian Academy of Sciences, Rostov-on-Don, Russian Federation), 344006, г. Ростов-на-Дону, пр. Чехова, 41; e-mail: muhortov@rambler.ru

сопротивление) свойства распространяющихся электромагнитных волн становятся аналогичными свойствам электронов в реальных кристаллах. Квантование свойств фотонов приводит к тому, что в спектре электромагнитной волны, распространяющейся в ФК, могут возникать фотонные запрещенные зоны (ФЗЗ), в которых плотность состояний фотонов равна нулю [1]. Частотный спектр ФК представляет собой чередование ФЗЗ и полос прозрачности, в которых возможно существование бегущих электромагнитных волн блоховского типа.

Согласно общепринятым представлениям, механизм образования ФЗЗ состоит в интерференционном сложении парциальных волн, отраженных от периодически повторяющихся границ двух сред в пространственной системе, обладающей трансляционной симметрией. Как и при полном внутреннем отражении, во второй среде будет возникать неоднородная экспоненциально убывающая волна [2]. Однако есть основания полагать, что физический механизм возникновения зонной структуры спектра в ФК сложнее, чем это принято считать, и связан с коллективным взаимодействием фотонов [1; 3]. ФК по наличию и свойствам ФЗЗ подразделяют на проводники, полупроводники, изоляторы и сверхпроводники. В частности, сверхпроводники - это ФК, в которых благодаря коллективным явлениям фотоны способны распространяться практически на неограниченные расстояния [1; 3]. Это обстоятельство позволяет надеяться на создание устройств обработки сигналов с непревзойденными характеристиками в случае их реализации на основе ФК, относящихся к категории сверхпроводников, в которых в полосе прозрачности бегущая электромагнитная волна (а ее можно трактовать как некий фотонный газ) практически не испытывает диссипативных потерь. При этом в настоящее время наиболее востребованными устройствами обработки сигналов являются устройства с электрической перестройкой характеристик.

РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК И ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ОДНОМЕРНЫХ АНАЛОГОВ

ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛОВ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН

В сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне одномерный ФК может быть реализован с помощью мик-рополосковых линий (МПЛ) передачи с периодической модуляцией волнового сопротивления [4].

Микрополосковый аналог одномерного ФК с топологией, приведенной на рисунке 1а, был реализован на подложке, выполненной из материала TMM10i (диэлектрическая проницаемость е =9,8, тангенс угла потерь tgS = 0,002) толщиной 508 мкм. Толщина токопроводящего проводника равна 17 мкм.

Для теоретического анализа микрополосковых аналогов ФК использовалась коммерческая программа AWR (Version 9.01) компании Applied Wave Research. Расчет проводился электродинамическим методом моментов [5]. С помощью указанной программы получены частотные зависимости модулей коэффициентов матрицы рассеяния микрополоско-вого аналога ФК, топология которого приведена на рисунке 1 а.

1 32,52 î

0,48 Î 6,24 6,90 0,16 î

Частота, ГГц

Рис. 1. Топология одномерного ФК в микрополосковом исполнении, мм (а); частотные зависимости коэффициента передачи ФК (б) и коэффициента отражения ФК (в)

Fig. 1. The topology of one-dimensional photonic crystal in microstrip design, mm (a); frequency dependence of transmission coefficient of photonic crystal (б); frequency dependence of the reflection coefficient of photonic crystal (в)

На рисунках 1б и 1в приведены рассчитанные и экспериментально полученные частотные зависимости коэффициентов матрицы рассеяния ФК, изображенного на рисунке 1а. В ходе проведенного расчета размеры чередующихся микрополосковых проводников с волновым сопротивлением 50 и 90 Ом подобраны так, чтобы обеспечить равенство их электрических длин, причем набег фазы коэффициента передачи S21 для каждой из МПЛ с указанными волновыми сопротивлениями равен 90°.

Измерения проведены с помощью анализатора схем Agilent E5071 C. Хорошее совпадение экспериментальных и теоретических частотных характеристик, приведенных на рисунках 16 и 1в, свидетельствует об адекватности выбранной математической модели и позволяет использовать ее для анализа аналогичных микрополосковых структур.

Как следует из приведенных на рисунках 16 и 1в экспериментальных кривых, в диапазоне частот от 0,01 до 17,5 ГГц (что соответствует рабочей полосе частот использованного измерительного прибора) наблюдаются две четко различимые зоны запирания. Центральная частота первой зоны равна 4,5 ГГц, центральная частота второй - 13,5 ГГц. То есть центральная частота второй зоны равна утроенной центральной частоте первой зоны запирания, что свидетельствует о равенстве электрических длин образующих периодическую структуру отрезков МПЛ с разными волновыми сопротивлениями и соответствует изложенным в [3] критериям, определяющим ФК.

Одной из основных проблем, связанных с использованием микрополосковых ФК в практических приложениях, является их относительно большие геометрические размеры в СВЧ-диапазоне длин волн [1; 6]. Это обусловлено тем, что необходимым условием формирования ФЗЗ является требование равенства периода структуры ФК половине длины волны электромагнитного сигнала. Поскольку длина волны в полосковых линиях передачи обратно пропорциональна квадратному корню эффективной диэлектрической постоянной подложки, то в случае использования в конструкции ФК сегнетоэлектрических (СЭ) материалов с большой диэлектрической проницаемостью указанная проблема снимается и размеры ФК могут быть значительно уменьшены [6; 7].

ЭЛЕКТРИЧЕСКИ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЕ ФОТОННЫЕ КРИСТАЛЛЫ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО И МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА

При использовании тонких СЭ-пленок (например, титаната бария-стронция) в конструкциях микропо-лосковых аналогов ФК появляется возможность не только существенного уменьшения их размеров, но и создания ФК с перестраиваемыми ФЗЗ и частотными полосами пропускания. При этом, поскольку на границе ФЗЗ имеет место максимальное замедление электромагнитной волны, на базе таких ФК возможно создание перестраиваемых устройств СВЧ- и миллиметрового диапазона длин волн с очень высоким коэффициентом качества, что достигается выбором рабочего режима вблизи края ФЗЗ, где фазовая скорость электромагнитной волны будет минималь-

на. Для практической реализации таких конструкций необходимо предусмотреть возможность подачи небольшого напряжения смещения на СЭ-пленку.

Для осуществления эффективной перестройки диэлектрической проницаемости СЭ-пленки ширина зазора между электродами, на которые подается постоянное напряжение смещения, должна быть не более 5 мкм. В этом случае в диэлектрическом зазоре при небольших напряжениях смещения достигается требуемая величина напряженности электрического поля.

Реализацию указанных требований обеспечивает конструкция, топология которой приведена на рисунке 2а. ФК с

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком