УДК: 
621.372.2

СВЧ ФОТОННЫЕ КРИСТАЛЛЫ. НОВЫЕ СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ

Аннотация

Приведены результаты теоретического и экспериментального обоснования возможности применения СВЧ фотонных кристал-лов для создания широкополосных согласованных СВЧ-нагрузок. Показана возможность использования СВЧ фотонных кристаллов для измерения толщины и проводимости нанометровых полу-проводниковых слоистых структур. Экспериментально проде-монстрирована возможность электрического управления ампли-тудно-частотными характеристиками СВЧ фотонных кристаллов. Определены пути уменьшения размеров устройств на фотонных кристаллах.


The theoretical and experimental justifications of the possibility to use the microwave photonic crystals for the creation of broad-band loads have been presented. The possibility to simultane-ously determine the thickness and the conductivity of nanometer semiconductor layered structures by use of the microwave photonic crystals has been shown. The possibility of electrical control of the microwave photonic crystals amplitude-frequency characteristic has been experimentally demonstrated. The means to reduce the sizes of the devices based on the microwaves photonic crystals have been determined.

Литература

1. Joannopoulos I. D., Villenneuve Pierre R., Fan S. Pho-tonic crystals : putting a new twist on light // Nature. 1997. Vol. 386, № 13. P. 143–149.

2. Yablonovitch E., Gmitter T. J., Leung K. M. Photonic band structure : The face-centered-cubic case employing nonspherical atoms // The American Physical Society. 1991. Vol. 67, № 17. P. 2295–2298.

3. Силин Р. А., Сазонов В. П. Замедляющие системы. М. : Сов. радио, 1966. 631 с.

4. Бреховских Л. М. Волны в слоистых средах. М. : На-ука, 1973. 342 с.

5. Ozbay E., Temelkuran B., Bayindir M. Microwave ap-plications of photonic crystals // Progress in Electromag-netics Research. 2003. Vol. 41. P. 185–209.

6. Kuriazidou C. A., Contopanagos H. F., Alexopo-los N. G. Monolithic waveguide f lters using printed photonic-bandgap materials // IEEE Transactions on microwave theory and techniques. 2001. Vol. 49, № 2. P. 297–306.

7. Burns G. W., Thayne I. G., Arnold J. M. Improvement of Planar Antenna Eff ciency When Integrated With a Millimetre-Wave Photonic // Proc. of European Conf. on Wireless Technology. Amsterdam, Netherlands, 2004. P. 229–232.

8. Wu Hsien-Shun, Tzuang Ching-Kuang C. Miniaturized High-Gain Synthetic Rectangular Waveguide Antenna of Near-Omnidirectional Radiation // Proc. of 34rd Euro-pean Microwave Conf. Amsterdam, Netherlands, 2004. Vol. 2. P. 1189–1192.

9. Беляев Б. А., Волошин А. С., Шабанов В. Ф. Иссле-дование микрополосковых моделей полосно-пропу-скающих фильтров на одномерных фотонных кри-сталлах // Докл. АН. 2005. Т. 403, № 3. С. 319–324.

10. Helszajn J. Passive and Active Microwave Circuits. N.Y. ; Chichester ; Brisbane ; Toronto : John Wiley & Sons, 1978. 140 p.

11. Lee K. A., Guo Y., Stimson Ph. A., Potter K. A., Jung-Chih Chiao, Rutledge D. B. Thin-Film Power-Density Meter for Millimeter Wavelengths // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1991. Vol. 39, № 3. P. 425–428.

12. Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Абрамов А. В., Бого-любов А. С., Скворцов В. С., Мерданов М. К. Широ-кополосные волноводные согласованные нагрузки на основе фотонных кристаллов с нанометровыми металлическими слоями // Изв. вузов. Радиоэлектро-ника. 2009. № 1. С. 73–80.

13. Широкополосная волноводная согласованная нагруз-ка : пат. 2360336 Рос. Федерация : МПК H01P 7/00 / Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Абрамов А. В., Боголю-бов А. С., Скворцов В .С., Мерданов М. К.; заявитель и патентообладатель Государственное образователь-ное учреждение высшего профессионального обра-зования «Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского». – № 2008106244/09; заявл. 21.02.09; опубл. 27.06.09, Бюл. № 18. 8 с.

14. Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Абрамов А. В., Бого-любов А. С. Измерения толщины нанометровых слоев металла и электропроводности полупроводника в структурах металл–полупроводник по спектрам отражения и прохождения электромагнитного излу-чения // ЖТФ. 2006. Т. 76, вып. 5. С. 112–117.

15. Чаплыгин Ю. А., Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Абра-мов А. В., Боголюбов А. С. Методика измерения электропроводности нанометровых металлических пленок в слоистых структурах по спектрам отражения электромагнитного излучения // Изв. вузов. Электро-ника. 2006. № 6. С. 27–35.

16. Usanov D. A., Skripal Al. V., Abramov A. V., Bogolyu-bov A. S., Kalinina N. V. Measurements of thickness of metal f lms in sandwich structures by the microwave ref ection spectrum // Proc. of 36rd European Microwave Conf. Manchester, UK, 2006. P. 921–924.

17. Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Абрамов А. В., Бого-любов А. С., Скворцов В. С., Мерданов М. К. Ис-пользование волноводных фотонных структур для измерения параметров нанометровых металличе-ских слоев на изолирующих подложках // Изв. вузов. Электроника. 2007. № 6. С. 25–32.

18. Yablonovitch E. Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics // Phys. Rev. Lett. 1987. Vol. 58, № 20. P. 2059–2062.

19. Oliynik V., Makarov D., Danilov V. Dielectric perme-ability measurements with waveguide bragg structure usage // Proc. of 15th Int. Crimean Conf. «Microwave &Telecommunication Technology» (CriMiCo’2005). Sevastopol, Crimea, Ukraine, 2005. P. 785–786.

20. Usanov D., Skripal A., Abramov A., Bogolubov A., Skvortsov V., Merdanov M. Measurement of the Metal Nanometer Layer Parameters on Dielectric Substrates using Photonic Crystals based on the Waveguide Struc-tures with Controlled Irregularity in the Microwave Band // Proc. of 37rd European Microwave Conf. Mu-nich, Germany, 2007. P. 198–201.

21. Usanov D. A., Skripal A. V., Abramov A. V., Bogolu-bov A. S., Kulikov M. Y. Application of waveguide and microstrip photonic crystals for measurement of param-eters of materials and structures // XVII Intern. Conf. on Microwaves, Radar and Wireless Communications. Poland, Wroclaw, 2008. Vol. 3. P. 904–907.

22. Способ измерения электрофизических параметров структуры «нанометровая металлическая пленка–полупроводниковая или диэлектрическая подложка : пат. 2349904 Рос. Федерация : МПК G01N 22/00 / Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Абрамов А. В., Боголюбов А. С., Скворцов В. С., Мерданов М. К.; заявитель и патентообладатель Государственное образователь-ное учреждение высшего профессионального обра-зования «Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского». – № 2007134239/09; заявл. 13.09.07; опубл. 20.03.09, Бюл. № 8. 8 с.

23. Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Абрамов А. В., Боголю-бов А. С., Куликов М. Ю., Скворцов В. С., Мерда-нов М. К. СВЧ-фотонные структуры и их исполь-зование для измерения параметров материалов и создания функциональных устройств СВЧ-элек-троники // Физика волновых процессов и радиотех-нические системы. 2008. Т. 11, № 3. С. 51–59.

24. Способ определения электропроводности и тол-щины полупроводниковых слоев : пат. 2439541 Рос. Федерация : МПК G01N 22/00 / Усанов Д. А., Постельга А. Э.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение выс-шего профессионального образования «Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышев-ского». – № 2010128130/07; заявл. 08.07.10; опубл. 10.01.12, Бюл. № 1. 10 с.

25. Усанов Д. А., Постельга А. Э., Сысоев Н. Ю. Опре-деление электропроводности и толщины полу-проводниковых слоев по спектру отражения СВЧ-излучения // Изв. вузов. Электроника. 2011. № 4(90). C. 71–77.26. Гуляев Ю. В., Никитов С. А., Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Постельга А. Э., Пономарев Д. В. Определение параметров тонких полупроводниковых слоев с ис-пользованием одномерных СВЧ фотонных кристал-лов // Докл. АН. 2012. Т. 443, № 3. С. 1–3.

27. Способ определения электропроводности и толщи-ны полупроводниковых пластин или нанометровых полупроводниковых слоев в структурах «полупро-водниковый слой–полупроводниковая подложка» :пат. 2517200 Рос. Федерация : МПК G01N 22/00, B82B 3/00, H01L 21/66 / Усанов Д .А., Никитов С. А., Скрипаль А. В., Пономарев Д. В.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюд жетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский го сударственный университет имени Н. Г. Черны-шевского». – №  2012137649/07; заявл. 03.09.2012; опубл. 10.03.2014, Бюл. 15. 14 с.

28. Никитов С. А., Гуляев Ю. В., Усанов Д. А., Скри-паль А. В., Пономарев Д. В. Определение прово-димости и толщины полупроводниковых пластин и нанометровых слоев с использованием одномерных СВЧ фотонных кристаллов // Докл. АН. 2013. Т. 448, № 1. С. 35–37.

29. Гуляев Ю. В., Никитов С. А., Усанов Д. А., Скри-паль А. В., Посадский В. Н., Тяжлов В. С., Бай-кин А. В. Низкоразмерные волноводные СВЧ фотон-ные кристаллы // Докл. АН. Т. 448, № 4. Январь 2014. С. 406–409.

30. Усанов Д. А., Горбатов С. С. Эффекты ближнего поля в электродинамических системах с неодно-родностями и их использование в технике СВЧ. Саратов : Изд-во Сарат. ун-та, 2011. 392 с.

31. Sung-Il Kim, Mi-Young Jang, Chul-Sik Kee, Ikmo Park, H. Lim. Characteristics of microwave flters based on microstrip photonic bandgap ring structures // Current Applied Physics. 2005. №. 5. P. 619–624.

32. Yablonovitch E., Gmitter T. J., Meade R. D., Rappe A. M., Brommer K. D., Joannopoulos J. D. Donor and acceptor modes in photonic band structure // Phys. Rev. Lett. 1991. Vol. 67, № 24. P. 3380.

33. Беляев Б. А., Сержантов А. М., Бальва Я. Ф., Лекси-ков А. А., Галеев Р. Г. Новая конструкция миниатюр-ного микрополоскового резонатора на основе встреч-но-штыревой структуры // Письма в ЖТФ. 2014. Т. 40, вып. 22. С. 52–60.

34. Беляев Б. А., Сержантов А. М., Бальва Я. Ф., Лекси-ков А. А., Галеев Р. Г. Новая конструкция микро-полоскового фильтра на микрополосковых резона-торах со встречно-штыревой структурой проводни-ков // Письма в ЖТФ. 2015. Т. 41, вып. 10. С. 89–96.

35. Усанов Д. А., Никитов С. А., Скрипаль А. В., Фро-лов А. П., Орлов В. Е. Волноводы, содержащие ра-мочные элементы с электрически управляемыми характеристиками разрешенных и запрещенных зон // Радиотехника и электроника. 2014. Т. 59, № 11. С. 1079–1084.

36. Усанов Д. А., Орлов В. Е., Безменов А. А. Рамочные элементы связи в волноводе // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1976. Вып. 5. С. 83–89.

37. Усанов Д. А., Орлов В. Е. Использование рамочной связи в полупроводниковых устройствах для управ-ления СВЧ-мощностью // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1975. Вып. 1. С. 35–37.

38. Бритун Н. В., Данилов В. В. Электронное управление параметрами структур с фотонной запрещенной зо-ной // Письма в ЖТФ. 2003. Т. 29, вып. 7. С. 27–32.

39. Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Абрамов А. В., Бого-любов А. С., Скворцов В. С., Мерданов М. К. Вол-новодные фотонные кристаллы с характеристиками, управляемыми p–i–n-диодами // Изв. вузов. Электро-ника. 2010. № 1. С. 24–29.

40. Усанов Д. А., Никитов С. А. Скрипаль А. В., Кули-ков М. Ю. Управляемые pin-диодами фотонные кристаллы и их применение // Антенны. 2012. № 3. С. 9–14.

41. Anlage S. M., Steinhauer D. E., Feenstra B. J., Vlaha-cos C. P., Wellstood F. C. Near-f eld microwave micros-copy of materials properties // Microwave Supercon-ductivity / eds. H. Weinstock, M. Nisenoff. Amsterdam, Netherlands : Kluwer, 2001. P. 239–269.

42. Усанов Д. А., Никитов С. А. Скрипаль А. В., Фро-лов А. П. Ближнеполевой сверхвысокочастотный микроскоп на основе фотонного кристалла с резона-тором и регулируемым элементом связи в качестве зонда // Радиотехника и электроника. 2013. Т. 58, № 12. С. 1071–1078.

Полный текст в формате PDF (на русском языке):