Izvestiya of Saratov University.

Physics

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)

For citation:

Usanov D. A., Merdanov M. K., Skripal A. V., Ponomarev D. V. Microwave Photonic Crystals. New Application Areas. Izvestiya of Saratov University. Physics , 2015, vol. 15, iss. 1, pp. 57-73. DOI: 10.18500/1817-3020-2015-15-1-57-73

This is an open access article distributed under the terms of Creative Commons Attribution 4.0 International License (CC-BY 4.0).
Published online: 
06.03.2015
Full text:
download
(downloads: 318)
Language: 
Russian
Heading: 
Physics
Article type: 
Article
UDC: 
621.372.2
DOI: 
10.18500/1817-3020-2015-15-1-57-73

Microwave Photonic Crystals. New Application Areas

Autors: 
Usanov Dmitry Aleksandrovich, Saratov State University
Merdanov Merdan Kazimagomedovich, JSC «RPA «Electronic Device Engineering»
Skripal Alexander Vladimirovich, Saratov State University
Ponomarev Denis Viktorovich, Saratov State University
Abstract: 

The theoretical and experimental justifications of the possibility to use the microwave photonic crystals for the creation of broadband loads have been presented. The possibility to simultaneously 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.

Key words: 
microwave photonic crystal
loads
measurements of thickness and conductivity
nanometer semiconductor structures
amplitude-frequency characteristic controlling
microwave microscope’s resonator
Reference: 
  1. Joannopoulos I. D., Villenneuve Pierre R., Fan S. Photonic 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. : Наука, 1973. 342 с.
  5. Ozbay E., Temelkuran B., Bayindir M. Microwave applications of photonic crystals // Progress in Electromagnetics Research. 2003. Vol. 41. P. 185–209.
  6. Kuriazidou C. A., Contopanagos H. F., Alexopolos N. G. Monolithic waveguide filters 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 European Microwave Conf. Amsterdam, Netherlands, 2004. Vol. 2. P. 1189–1192.
  9. Беляев Б. А., Волошин А. С., Шабанов В. Ф. Исследование микрополосковых моделей полосно-пропускающих фильтров на одномерных фотонных кристаллах // 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., Боголюбов А. С., Скворцов В. С., Мерданов М. К. Широкополосные волноводные согласованные нагрузки на основе фотонных кристаллов с нанометровыми металлическими слоями // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 2009. № 1. С. 73–80.
  13. Широкополосная волноводная согласованная нагрузка : пат. 2360336 Рос. Федерация : МПК H01P 7/00 / Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Абрамов А. В., Боголюбов А. С., Скворцов В .С., Мерданов М. К.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «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., Боголюбов А. С. Измерения толщины нанометровых слоев металла и электропроводности полупроводника в структурах металл–полупроводник по спектрам отражения и прохождения электромагнитного излучения // ЖТФ. 2006. Т. 76, вып. 5. С. 112–117.
  15. Чаплыгин Ю. А., Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Абрамов А. В., Боголюбов А. С. Методика измерения электропроводности нанометровых металлических пленок в слоистых структурах по спектрам отражения электромагнитного излучения // Изв. вузов. Электроника. 2006. № 6. С. 27–35.
  16. Usanov D. A., Skripal Al. V., Abramov A. V., Bogolyubov A. S., Kalinina N. V. Measurements of thickness of metal films in sandwich structures by the microwave reflection spectrum // Proc. of 36rd European Microwave Conf. Manchester, UK, 2006. P. 921–924.
  17. Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Абрамов А. В., Боголюбов А. С., Скворцов В. С., Мерданов М. К. Использование волноводных фотонных структур для измерения параметров нанометровых металлических 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 permeability 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 Structures with Controlled Irregularity in the Microwave Band // Proc. of 37rd European Microwave Conf. Munich, Germany, 2007. P. 198–201.
  21. Usanov D. A., Skripal A. V., Abramov A. V., Bogolubov A. S., Kulikov M. Y. Application of waveguide and microstrip photonic crystals for measurement of parameters 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 образовательное учреждение высшего профессионального образования «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., Боголюбов А. С., Куликов М. Ю., Скворцов В. С., Мерданов М. К. СВЧ-фотонные структуры и их использование для измерения параметров материалов и создания функциональных устройств СВЧ-электроники // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2008. Т. 11, № 3. С. 51–59.
  24. Способ определения электропроводности и толщины полупроводниковых слоев : пат. 2439541 Рос. Федерация : МПК G01N 22/00 / Усанов Д. А., Постельга А. Э.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского». – № 2010128130/07; заявл. 08.07.10; опубл. 10.01.12, Бюл. № 1. 10 с.
  25. Усанов Д. А., Постельга А. Э., Сысоев Н. Ю. Определение электропроводности и толщины полупроводниковых 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 использованием одномерных СВЧ фотонных кристаллов // Докл. АН. 2012. Т. 443, № 3. С. 1–3.
  27. Способ определения электропроводности и толщины полупроводниковых пластин или нанометровых полупроводниковых слоев в структурах «полупроводниковый 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 бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского». – №  2012137649/07; заявл. 03.09.2012; опубл. 10.03.2014, Бюл. 15. 14 с.
  28. Никитов С. А., Гуляев Ю. В., Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Пономарев Д. В. Определение проводимости 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., Скрипаль А. В., Посадский В. Н., Тяжлов В. С., Байкин А. В. Низкоразмерные волноводные СВЧ фотонные 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 неоднородностями 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 filters 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., Лексиков А. А., Галеев Р. Г. Новая конструкция миниатюрного микрополоскового резонатора на основе встречно-штыревой структуры // Письма в ЖТФ. 2014. Т. 40, вып. 22. С. 52–60.
  34. Беляев Б. А., Сержантов А. М., Бальва Я. Ф., Лексиков А. А., Галеев Р. Г. Новая конструкция микрополоскового фильтра на микрополосковых резонаторах со встречно-штыревой структурой проводников // Письма в ЖТФ. 2015. Т. 41, вып. 10. С. 89–96.
  35. Усанов Д. А., Никитов С. А., Скрипаль А. В., Фролов А. П., Орлов В. Е. Волноводы, содержащие рамочные 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 управления 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 зоной // Письма в ЖТФ. 2003. Т. 29, вып. 7. С. 27–32.
  39. Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Абрамов А. В., Боголюбов А. С., Скворцов В. С., Мерданов М. К. Волноводные фотонные кристаллы с характеристиками, управляемыми p–i–n-диодами // Изв. вузов. Электроника. 2010. № 1. С. 24–29.
  40. Усанов Д. А., Никитов С. А. Скрипаль А. В., Куликов 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., Vlahacos C. P., Wellstood F. C. Near-field microwave microscopy of materials properties // Microwave Superconductivity / eds. H. Weinstock, M. Nisenoff. Amsterdam, Netherlands : Kluwer, 2001. P. 239–269.
  42. Усанов Д. А., Никитов С. А. Скрипаль А. В., Фролов А. П. Ближнеполевой сверхвысокочастотный микроскоп на основе фотонного кристалла с резонатором и регулируемым элементом связи в качестве зонда // Радиотехника и электроника. 2013. Т. 58, № 12. С. 1071–1078.
Received: 
20.11.2014
Accepted: 
28.01.2015
Published: 
06.03.2015
  • 1742 reads