РП01.468823.001 ПЗ 17-18.06.2014 final

Підп. і дата

Інв.№ правн. Підп. і дата Взам. інв. № Інв.№

чвертьхвильових шари; г — чвертьхвильовий шар і шар завтовшки l. Варіанти Т- областей: а — тунельний бар’єр; б-г — KC в режимі забороненої зони.

Розглянемо РТа-структуру (рис. 1.4а). Для PTE в Р- області мають виконуватися умови балансу амплітуд і фаз. За умовами балансу амплітуд r =| r1 |, де r і r1 — коефіцієнти відбиття відповідно від лівої та правої площин резонатора. Згідно умови балансу фаз 2ka 1 2 n , де і 1 — фази коефіцієнтів відбиття r і r1 відповідно; n=1,2,....

Рисунок 1.4 — Потенціальна (а) і імпедансні (б-г) залежності РТ-

симетричному T- бар’єру, з умов балансу амплітуд і фаз відповідно отримаємо:

Підп. і дата

Інв.№ правн. Підп. і дата Взам. інв. № Інв.№

N 17 , імпеданси шарів Z1 1 і Z2 1,68. Значення імпедансу Z2 для резонатора Фабрі-Перо відповідає збігу значень мінімумів залежностей коефіцієнтів проходження РТб-структури і резонатора Фабрі-Перо. Ширина характеристик за рівнем 0,5 для цих структур приблизно однакова. На відміну від резонатора Фабрі-Перо, характеристики РТ-структур у діапазоні частот від

0 до 2 f0 мають однорезонансний характер, що суттєво розширює смуги подавлення.

Рисунок 1.5 — Частотні залежності коефіцієнта проходження РТ-структур варіантів б-г (1-З) і резонатора Фабрі-Перо (4).

Параметри P-області: б — Z=15; в — Z=4; г—Z=15, l 0 / 2

Введення додаткового напівхвильового шару в РТг-структурі дозволило звузити характеристику відповідно в 1,8 рази і в 1,6 рази у порівнянні з РТб- і

РТв-структурами. При розширенні цього шару відбувається подальше звуження характеристики. Можливість синтезу вузькосмугових характеристик становить значний інтерес, оскільки такі характеристики забезпечують високу локалізацію частинок-хвиль.

1.2 Фотонні та фононні кристали

На теперішній момент розвиток обчислювальної техніки неможливий без одночасного розвитку елементної бази. В основу майбутньої елементної бази

Підп. і дата

Інв.№ правн. Підп. і дата Взам. інв. № Інв.№

для ЕОМ будуть покладені фотонні кристали, так як вони являються найбільш вдалим рішенням для реалізації оптичних інтегральних схем.

Фотонні кристали — це штучні, періодичні діелектричні або напівпровідникові структури (матеріали) із забороненою зоною, що перешкоджає поширенню світла в визначеному частотному діапазоні.

Створюючи точкові дефекти у такого роду структурах, можна реалізувати так звані «фотонні пастки», у яких поширення світла не можливе за їх межами.

Створюючи комбінації точкових дефектів, стає можливим реалізації основних елементів сучасних електричних схем у фотонних кристалах, що дозволить значно підвищити продуктивність та якість обчислень [3]. В залежності від кількості напрямків неоднорідності ФК поділяються на одновимірні,

двовимірні та тривимірні фотонні кристали.

Одновимірний фотонний кристал можна отримати почерговим нанесенням діелектричних шарів із різним показником заломлення, так зване Брегівське дзеркало. Наприклад пара діелектриків при нанесені 5 парних шарів дає коефіцієнт відбиття близько 99%.

Двовимірний ФК отримують формуючи періодичну структуру із вертикальних стержнів кремнію (Si), яка посаджена на підкладку із діоксину кремнію (SiO2), або з використанням макропористого кремнію у структурі якого прибирають "зайві" макропори.

Тривимірні фотонні кристали являють собою регулярно-симетричну структуру, яка складається із кубів, або сфер розташованих у кубічному порядку. На рис. 1.6 представлено схематичне зображення фотонних кристалів.

Рисунок 1.6 — Типи фотонних кристалів

Підп. і дата

Інв.№ правн. Підп. і дата Взам. інв. № Інв.№

Фотонні кристали можуть бути використані для вирішення глобальних проблем, таких як створення надпотужних комп’ютерів на основі фотонних інтегральних схем. Також для ряду складних функціональних задач таких як:

поворот променя на 900 , перетин двох хвилеводів, фільтрація окремої світлової хвилі із загального потоку та багато інших.

Розглянемо проблему, яка виникає при прокладанні волоконних ліній зв’язку — це поворот волокна. Поворот оптичного хвилеводу, при якому втрати є мінімально можливими лише при умові, що радіус буде на багато більшим ніж довжина хвилі. Виконання цієї умови у інтегральній оптиці є досить складною задачею особливо для довжини хвилі 1550 нм. Поворот променю у такому випадку краще розглядати у площинні двовимірного фотонного кристалу (рис. 1.7).

Рисунок 1.7 — Схема повороту у ФК

Ідея повороту зводиться до видалення ряду стержнів по напрямку слідування променю, таким чином створюючи лінійний дефект. Матеріали для виготовлення обираються в залежності від довжини хвилі, що поширюватиметься даним каналом, зокрема для видимого діапазону використовується природній опал, для інфрачервоного діапазону використовується макропористий кремній. У даному випадку радіус повороту складає 2a, де a — період гратки.

Підп. і дата

Інв.№ правн. Підп. і дата Взам. інв. № Інв.№

Проблем із підключенням волоконного каналу до ФК реалізовуються як безпосередній контакт каналу та кристалу, скріпленого інтегральним виконанням (рис. 1.8). Єдиним недоліком такого методу є нероз’ємність.

Рисунок 1.8 — Підведення інтегрального хвилеводу до ФК

Така реалізація повороту дозволяє суттєво заощадити на ресурсах,

використовуючи замість волокна ФК, зменшує у декілька разів розміри схеми,

та мінімізує вірогідність втрати сигналу чи його послаблення.

Відомою властивістю фотонного кристалу є передача потужностей між двома суміжними каналами, що виникає в наслідок резонансних властивостей каналів. Ефект подібний до того, що виникає під час контакту двох жил оптичного волокна (рис. 1.9).

Рисунок 1.9 — передача потужностей у ФК

Підп. і дата

Інв.№ правн. Підп. і дата Взам. інв. № Інв.№

Така структура може бути використана для пасивної фільтрації, за довжиною хвилі. Тобто лише сигнал із довжиною хвилі, що відповідає параметрам суміжного каналу, може бути виділений із магістрального потоку.

Виділення сигналу проходить, за рахунок передачі потужності і повністю завершується при проходження сигналом ділянки довжиною L. Для кожної довжини хвилі параметр L є різною величиною, що дозволяє в одному кристалі виділяти декілька хвиль.

У представленого методу є ряд недоліків один з них — це відсутність керування при передачі потужності, та залежність від параметру L. Це впливає на ефективність використання простору кристалу та керування процесом обробки. Для зменшення довжини ділянки взаємодії доцільно використати керовану систему маршрутизації. Принцип керованої передачі потужності полягає у зовнішньому впливі на ділянку переходу, що зменшує розміри останньої (рис. 1.10).

Рисунок 1.10 — Схема керованої передачі потужності

Провівши аналіз можна визначити основні переваги та недоліки такої схеми. Серед переваг можна виділити наступні:

-висока швидкодія,

-зручна інтеграція,

-малі розміри;

Недоліки:

Підп. і дата

Інв.№ правн. Підп. і дата Взам. інв. № Інв.№

-висока вартість,

-складність виготовлення,

Незважаючи на перераховані недоліки експериментальні моделі таких систем можуть бути реалізовані. Для виготовлення кристалів оптимальним є метод тривимірної фотолітографії. Він дозволяє будувати будь-які структури із розмірами порядку десятків нанометрів. Нижче наведено фотографії отриманих

3D-фотонних кристалів виготовлених за методом тривимірної фотолітографії компанією NanoScribe. (рис. 1.11), та 2D-фотонних кристалів отриманих за методом двофотонної полімеризації (рис. 1.12) [4].

Підп. і дата

Інв.№ правн. Підп. і дата Взам. інв. № Інв.№

Рисунок 1.11 — Трьохвимірний кристал, отриманий методом тривимірної фотолітографії

Рисунок 1.12 — Двохвимірні фотонні кристали витравлені методом двофотонної полімеризації

1.3 Електромагнітні кристали

Кристалоподібні структури, що мають особливі спектральні характеристики, широко використовують для пристроїв обробки сигналів. Один з нових напрямків в конструюванні мікросмужкових пристроїв, що найбільш інтенсивно розвивається — використання мікросмужкових електромагнітних

Підп. і дата

Інв.№ правн. Підп. і дата Взам. інв. № Інв.№

кристалів. ЕК і окремі ЕК-неоднорідності мають високу частотну вибірковість,

що дозволяє на їх основі реалізувати ефективні мініатюрні частотно-вибірні пристрої.

Мініатюризація мікросмужкових пристроїв при використанні ЕК або окремих ЕК-неоднорідностей базується на суттєвому розширенні діапазону хвильових імпедансів в порівнянні з традиційними рішеннями. Подальше зменшення розмірів можливо при більш складній імпедансній характеристиці структури у порівнянні з природним кристалом. Так, у разі двофазної імпедансної характеристики ЕК менше приблизно вдвічі.

Штучні кристалоподібні структури становлять значний інтерес як основа різноманітних пристроїв обробки сигналів. Один з різновидів таких структур — ЕК — дозволяє значно поліпшити характеристики пристроїв радіодіапазоні.

Для моделювання ЕК необхідно використовувати тривимірне електромагнітне моделювання.

ЕК являє собою несиметричну мікросмужкові лінію передачі з періодично розташованими неоднорідностями. Для підвищення ефективності пристроїв на основі ЕК першорядне значення має підвищення зонної вибірковості таких структур.

Зонна вибірковість ЕК визначається розв'язкою сигналів в дозволених і заборонених зонах. Хвильові імпеданси неоднорідної (Z) і однорідної ( Z0 )

області ЕК істотно розрізняються. Традиційна неоднорідність ЕК-отвору,

розташоване під смужковим провідником і виконане зазвичай лише на металізованої поверхні. Будемо позначати високоімпедансне неоднорідності,

індекси їх параметрів і ЕК на їх основі буквою H, а низькоімпедансне-буквою

L. Розв'язка сигналів зростає із збільшенням відношення H ZH / Z0 для

H-неоднорідностей або із зменшенням відносини L ZL / Z0 для

L-неоднорідностей.

Підп. і дата

Інв.№ правн. Підп. і дата Взам. інв. № Інв.№

неоднорідності з поглибленням отворів значення H зростає приблизно з 2 до 4

при Z0 =50 Ом. Однак, оскільки заглиблення отворів обмежено товщиною основи, подальше збільшення H можна забезпечити комбінуванням неоднорідностей, об'єднуючою однорідності на металізованій поверхні, в

діелектричній основі та на сигнальній поверхні. Для комбінованих H-

неоднорідностей, які використовуються у фільтрі, H =7 при Z0 =50 Ом.

В [5] розглянуто ЕК с низькоімпедансними неоднорідностями. В роботі приведено структури та частотні характеристики ЕК на основі

L-неоднорідностей.

Розглянемо конструктивні можливості реалізації L-неоднорідності.

Характеристичний імпеданс мікросмужкові лінії зменшується при розширенні сигнального провідника, при зменшенні товщини діелектрика і збільшенні його діелектричної проникності. Виходячи з цього неоднорідністю може бути наскрізний металізований отвір в основі, пов'язаний з металізованою поверхнею, або отвір в основі, заповнений діелектриком з більш високою діелектричної проникністю, ніж основа.

На рис. 1.13 показаний ЕК з L-неоднорідностями у вигляді металізованих отворів. На одній стороні діелектричного основи 1 виконана металізація 2 і ряд періодично розміщених в шарі металізації і в основі металізованих отворів 3,

пов'язаних з металізацією основи. На іншій стороні основи розміщений смуговий провідник 4. Глибина отворів h' менше товщини основи h.