Введение к работе
Актуальность. В системах сверхбыстрой обработки информации на объемных интегральных схемах СВЧ и КВЧ диапазонов все больше привлекается элементная база оптико-микроволновой электроники, где на первое место выходят фотоуправляемые СВЧ устройства.
Данная работа посвящается математическому моделированию и физическим принципам проектирования оптико-микроволновых элементов, использующих для фотоуправления воздействие на фоточувствительный полупроводник (например, кремний) оптического излучения. В результате этого воздействия меняется комплексная диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала, а, следовательно, и электродинамические свойства СВЧ устройства.
Комплексность диэлектрической проницаемости порождает ряд математических проблем , обусловленных несамосопряженностью операторов краевых задач, возникающих при расчете фотоуправляемых СВЧ устройств. Эти задачи и пути их решения на примере конкретных опто-мик-роволновых элементов являются весьма актуальными.
Учет влияния мнимой части диэлектрической проницаемости на процесс распространения электромагнитных волн проводится обычно приближенно в предположении, что она намного меньше действительной части.
Исследование оптико-микроволновых свойств полупроводников, особенно в резонансных системах, требует решения задач в строгой электродинамической постановке.
Другой важной проблемой, решение которой необходимо для современной СВЧ радиотехники и электроники, является поиск тех физических условий, при которых фотовоздействие на полупроводниковое СВЧ устройство является наиболее эффективным.
По-прежнему остаются актуальными и не до конца решенными вопросы, связанные с защитой канала спутниковой связи, с повышением надежности базовых элементов объёмных интегральных схем СВЧ и КВЧ, а также с метрологией полупроводниковых элементов и созданием многофункциональных входных устройств СВЧ радиометров.
И, наконец,для СВЧ и КВЧ техники очень важным является поиск физических принципов фотоуправления конкретными оптико-микроволновыми устройствами СВЧ.
Таким образом, тема данной диссертационной работы, рассматривающей вопросы математического моделирования и конструирования много-
функциональных базовых элементов оптико-микрозолновой электроники на ОИС (фотоуправляемых фильтров-модуляторов, аттенюаторов, волновод-но-диэлектрических резонаторов и др.), является актуальной как в научном, так и в практическом отношении.
Целью работы является создание физико-математических моделей и расчет волноводно-резонаторных фотоуправляемых фильтров-модуляторов.
Основные задачи исследования:
1. Разработка математического аппарата, позволяющего адекватно описывать процесс распространения нормальных волн в многослойных полупроводниковых волноведущих системах (таких, как многослойный волновод с идеально проводящими стенками, слоистый волновод на металлической подложке и др.).
2.Решение задач дифракции электромагнитных волн на многослойном диэлектрическом (полупроводниковом) заполнении в прямоугольном волноводе.
3. Выяснение принципов эффективного фотоуправления оптико-микроволновыми устройствами с помощью оптического воздействия на полупроводниковые элементы.
4. Проектирование новых оптико-микроволновых устройств на основе принципов эффективного фотоуправления.
Научная новизна и практическая значимость диссертационной работы определяются кругом поставленных задач, методами их решения и полученными результатами.
В диссертации впервые в строгой электродинамической постановке рассмотрен и математически промоделирован целый ряд фотоуправляемых СВЧ устройств, являющихся базовыми элементами оптико-микроволновой электроники.
Научное и практическое значение имеет вывод о том, что наиболее чувствительной с точки зрения фотоуправления является резонансная СВЧ система.
Этот вывод позволил предложить ряд новых оптико-микроволновых устройств СВЧ техники и электроники: волноводно-резонаторные фильтры-модуляторы, аттенюатор, двухчастотный модулятор.
Предложенные устройства применены в решении важных научно-технических проблем: защиты канала спутниковой связи,микроволновой радиометрии, повышения надежности модуляторных элементов объемных интегральных схем СВЧ и КВЧ, определения удельного сопротивления полупро-
водников при световом воздействии.
Немаловажное практическое значение имеют созданные ЭВМ-программы, позволяющие решать широкий круг ключевых задач, связанных с расчетом рассматриваемых фотоуправляекых СВЧ-устройств.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1.Методы математического моделирования многофункциональных базовых элементов оптико-микроволновой электроники на ОИС - слоистых полупроводникозо-диэлектрических волноводно-резонаторных систем, на основе строгой электродинамической постановки и решения краевых задач на ЭВМ.
2. Принципы эффективного фотоуправления этими элементами с помощью оптического воздействия на фоточувствительный; полупроводник: выбор оптимальной толщины и положения полупроводника, резонансный режим и т.д.
3.Новые оптико-микроволновые многофункциональные устройства на основе полученных принципов эффективного фотоуправления:фотоуправля-емые волноводно-резонаторные фильтры-модуляторы, аттенюатор, двух-частотный модулятор и др.
4.Волноводно-резонансный метод измерения удельного сопротивления полупроводников, принципы защиты канала спутниковой связи и повышения надежности элементов ОИС СВЧ и КВЧ, проектирование входных элементов СВЧ радиометров с использованием предложенных фильтров-модуляторов.
5.Алгоритмы и ЭВМ-программы решения ключевых задач машинного проектирования многофункциональных элементов оптико-микроволновой электроники на ОИС.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на первой научно-технической конференции "Состояние и проблемы технических измерений"(г. Москва, 1994), 5-й Международной н/т конференции "Математическое моделирование и САПР систем сверхбыстрой обработки информации (ССОИ) на объемных интегральных схемах (ОИС) СВЧ и КВЧ"(г.Сергиев Посад, 1995),на YII Международной школе-семинаре "Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ"(п.Охотино, 1996), семинаре "ОИС СВЧ и биоэиергоинформационные технологии" МТОРЭС им. А.С.Попова, а также на семинаре кафедры ЛМИС Московского государственного института электроники и математики.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 6 пе-
чатных работах.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения . Общий объем составляет 135 стр., основной текст - 102 стр., 20 рисунков, 5 таблиц, список литературы из 138 наименований на 14 страницах.