Електродинамічні властивості хвилеводу з шарувато-періодичними стінками - Автореферат

Періодичні структури широко використовуються в техніці міліметрового та субміліметрового діапазону довжин хвиль, оптиці та оптоелектроніці, в рентгенівській техніці. Поріг пробиття газу, який заповнює серцевину такого хвилеводу, істотно перевищує поріг пробиття діелектрика, а потік енергії на стінках хвилеводу, як правило, на декілька порядків нижче потоку енергії на осі хвилеводу. Хвилеводний режим поширення електромагнітних хвиль в серцевині таких хвилеводів забезпечується за рахунок високої відбивної спроможності шарувато-періодичних структур в області заборонених зон. В даній роботі буде проведено дослідження модового складу хвилеводів двох типів (з максимальним та мінімальним значеннями діелектричної проникності хвилеведучого шару порівняно з проникностями шарів періодичних структур). Усикова НАН України: “Дослідження взаємодії електромагнітних та акустичних полів, а також електронних пучків з твердотільними та біологічними структурами” (номер ДР 0102U003139); “Дослідження регулярних та стохастичних явищ, що обумовлені взаємодією електромагнітних хвиль і потоків заряджених часток з речовиною” (номер ДР 0103U002260); “Дослідження лінійних та нелінійних властивостей твердотільних структур із застосуванням електромагнітних хвиль НВЧ діапазону і заряджених часток” (номер ДР 0106U011978); “Теорія нелінійних хвильових процесів в активних та пасивних періодичних структурах” (номер ДР 0106U011597); “Електронний транспорт в магнітних наноструктурах в електромагнітних полях” (номер ДР 0107U003985), в яких автор був виконавцем.В статтях, де було досліджено хвилевід з шарувато-періодичними стінками (наприклад [11, 12]), автори розглядали тільки хвилеводне поширення в хвилеводах з порожнистою серцевиною. В даному розділі описано метод аналізу хвилеводу, який ґрунтується на методі матриці перетворення, що повязує поля на початку координат з полями на кінці періоду. За допомогою метода матриці перетворення з урахуванням граничних умов та теореми Флоке отримано дисперсійне співвідношення для хвилеводу з шарувато-періодичними стінками. Таким чином, наявність зонної структури приводить до того, що хвилевід, що досліджується, має властивості фільтра, що залежать від ширини заборонених зон, керувати якими можна, змінюючи параметри шарів періодичних структур. 1а для хвилеводу першого типу (хвилеводу з максимальним значенням діелектричної проникності хвилеведучого шару порівняно з шарами періодичних стінок, ), подібний до розподілу в звичайному діелектричному хвилеводі.В роботі представлено розвязання актуальної наукової задачі теоретичного дослідження нових властивостей хвилеводної системи, що створена проміжком між двома шарувато-періодичними структурами. Показано, що у хвилеводі з шарувато-періодичними стінками можливе хвилеводне поширення для випадків найбільшого та найменшого значень діелектричної проникності хвилеведучого шару порівняно з діелектричними проникностями шарів періодичних стінок. Отримано, що в даному хвилеводі вздовж меж хвилеведучого шару можуть поширюватися поверхневі хвилі. Також показано можливість виникнення ситуації, коли потік енергії в хвилеведучому шарі відсутній, а вся енергія переноситься в періодичних структурах, що обмежують хвилевід. Встановлено, що у такому хвилеводі можливе як хвилеводне поширення, так і поширення поверхневих хвиль вздовж меж хвилеведучого шару.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В роботі представлено розвязання актуальної наукової задачі теоретичного дослідження нових властивостей хвилеводної системи, що створена проміжком між двома шарувато-періодичними структурами. Основні результати роботи полягають у наступному: 1. Показано, що у хвилеводі з шарувато-періодичними стінками можливе хвилеводне поширення для випадків найбільшого та найменшого значень діелектричної проникності хвилеведучого шару порівняно з діелектричними проникностями шарів періодичних стінок. Отримано, що в даному хвилеводі вздовж меж хвилеведучого шару можуть поширюватися поверхневі хвилі. В цьому випадку потік енергії має максимальне значення поблизу стінок хвилеведучого шару. Також показано можливість виникнення ситуації, коли потік енергії в хвилеведучому шарі відсутній, а вся енергія переноситься в періодичних структурах, що обмежують хвилевід. Крім того, встановлено, що в такому хвилеводі можливе ефективне розділення ТМ- та ТЕ-мод.

2. Розвязано задачу про генерацію другої гармоніки в нелінійному хвилеведучому шарі, що розділяє дві діелектричні періодичні структури. Отримано систему рівнянь для амплітуд хвиль, що взаємодіють, розвязанням якої є функція еліптичного синусу. Отримано ряд резонансних умов, виконання яких приводить до істотного збільшення інтенсивності другої гармоніки. Проведено порівняння з результатами експериментальної статті [14] та пояснено наявність одного з максимумів інтенсивності другої гармоніки, що отримані в цій роботі.

3. Розглянуто властивості хвилеводної системи, яка являє собою дві ідентичні періодичні структури напівпровідник-діелектрик, що розділені шаром діелектрика. Встановлено, що у такому хвилеводі можливе як хвилеводне поширення, так і поширення поверхневих хвиль вздовж меж хвилеведучого шару. Вивчено зонні спектри періодичної структури напівпровідник-діелектрик, поміщеної в магнітне поле, яке спрямовано вздовж осі періодичності. Отримано, що в шаруватій структурі даної конфігурації існує два спектри власних хвиль, які можуть взаємно доповнювати один одного або накладатися. Досліджено різноманітні типи хвиль, що виникають в такій структурі. Показано, що в зонному спектрі є специфічний тип електромагнітних хвиль - циклотронні хвилі, які створюють численні вузькі зони пропускання. Розташування цих зон на осі частот залежить від величини напруженості магнітного поля, що прикладається. Досліджено вплив частоти зіткнень у напівпровідниковому матеріалі на характер зонного спектру та на загасання власних хвиль в області циклотронних хвиль. Показано, що урахування втрат приводить до виникнення повороту дисперсійних кривих. При великих значеннях частоти зіткнень один з країв зон вироджується. Показано, що хвилевід з шарувато-періодичними стінками має властивості фільтра, якими можна керувати не тільки вибором матеріалів шарів періодичних структур, а і за допомогою зовнішнього магнітного поля.

4. Побудовано теорію неоднорідних (комплексних) хвиль, що поширюються у напівпровідниковій шарувато-періодичній структурі у відсутності та при наявності зовнішнього магнітного поля. Виявлено, що комплексні хвилі є власними модами хвилеводу, створеного проміжком між двома шарувато-періодичними структурами. Найбільш цікавою властивістю неоднорідних хвиль є локалізація енергії в певній області простору періодичної структури.

1. Булгаков А.А., Костылева О.В., Мериуц А.В. Электродинамические свойства волновода со слоисто-периодическими стенками // Изв. вузов. Радиофизика. - 2005. - Т. 48, № 1. - С. 53-62.

2. Булгаков О.О., Костильова О.В. Модовий склад хвиль для хвилеводу з шарувато-періодичними стінками // Науковий вісник Ужгородського університету. Серія Фізика. - 2005. - вип.17. - С. 56-59.

3. Булгаков А.А., Костылева О.В. Нелинейное взаимодействие гармоник в волноводе со слоисто-периодическими стенками // Изв. вузов. Радиофизика. - 2006. - Т.49, № 5. - С. 416-424.

4. Bulgakov A.A., Kostylyova O.V., Meriuts A.V. Electromagnetic waves propagation in waveguide with layered-periodic walls // Proc. of the Fifth International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter, and Submillimeter Waves. June, 21-26, 2004, Kharkov, Ukraine. - Vol.1. - P. 383-385.

5. Булгаков А.А., Костылева О.В. Нелинейное взаимодействие гармоник в волноводе со слоисто-периодическими стеками // Труды 15-ой Международной конференции “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологи”. 12-16 сентября, Севастополь, Украина. - С. 566-567.

6. Bulgakov A.A., Kononenko V.K., Kostylyova O.V. The investigation of the dissipation influence on the dispersion properties of the semiconductor superlattice electromagnetic waves in the magnetic field // Proc. of the 11th International Conference on Mathematical methods in electromagnetic theory. June 26-29, 2006, Kharkiv, Ukraine. - P. 222-224.

7. Bulgakov A.A., Kononenko V.K., Kostylyova O.V. Control of the electrodynamic properties of the waveguide formed by the gap between two periodic layered structure by means of the external fields // Proc. of Asia-Pacific Microwave Conference. December 12-15, 2006, Yokohama, Japan. - Vol. 1. - P. 349-351.

8. Bulgakov A.A., Kononenko V.K., Kostylyova O.V. Band spectrum of periodic semiconductor structure loaded in the magnetic field with taking into account of dissipation properties // Proc. of Mediterranean Microwave Symposium. September 18-21, 2006, Genova, Italy. - P. 327-330.

9. Bulgakov A.A., Kononenko V.K., Kostylyova O.V. Features of formation of dispersion spectrum of semiconductor-dielectric periodic structure in magnetic field // Proceedings of Sixth International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter, and Submillimeter Waves, and Workshop on Terahertz Technologies. June 25-30, 2007, Kharkov, Ukraine. - Vol.1 - P. 278-280.

10. Bulgakov A.A., Kononenko V.K., Kostylyova O.V. The external fields influence on the properties of the waveguide formed by the gap between two periodic layered structure // Proceedings of First International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics. October 22-24, 2007, Rome, Italy. - P. 465-468.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

11. Cho A.Y., Yariv A., Yeh P. Observation of confined propagation in Bragg waveguides. // Appl. Phys. Lett. - 1977. - Vol.30, № 9. - P. 471-472.

12. Tetsuya Kawanishi, Masayuki Izutsu. Coaxial periodic optical waveguide // Opt. Express. - 2000. - Vol. 7, № 1. - P. 10-22.

13. Булгаков А.А., Ханкина С.И., Яковенко В.М. Трехволновые процессы в ограниченных полупроводниках и диэлектриках // ФТТ. - 1980. - т. 22, вып.8. - С. 2536-2538.

14. Trull J., Vilaseca R., Martorell J., Corbalan R. Second-harmonic generation in local modes of a truncated periodic structure // Optics Letters. - 1995. - Vol.20, № 17. - P. 1746-1748.

15. Bulgakov A.A., Bulgakov S.A., Nieto-Vesperinas M. Inhomogeneous waves and energy localization in dielectric superlattices // Phys. Rev. B. - 1998. - Vol.15, № 8. - P. 4438-4448.