Исследование полосно-пропускающих фильтров на слоистых диэлектрических структурах
Аннотация
Исследованы конструкции полосно-пропускающих фильтров на мультислойных диэлектрических структурах, состоящих исключительно из полуволновых резонаторов, а также с четвертьволновыми резонаторами по краям рассмотренных конструкций. Описаны принципы построения устройств с заданными характеристиками и объяснены основные закономерности поведения частотно-селективных свойств мультислойных структур от их конструктивных параметров. Впервые показано, что в многослойных полосно-пропускающих фильтрах на одномерных диэлектрических структурах амплитудно-частотные характеристики остаются неизменными при инверсии скачков волнового сопротивления между соседними слоями конструкции. Определены границы реализуемых характеристик фильтров с использованием имеющегося набора современных широко распространенных в радиотехнике материалов (1 ≤ ε ≤ 1000). Обнаружено, что достижимые значения относительных полос пропускания в конструкциях, состоящих исключительно из полуволновых слоев, составили от 21 до 93 %, при этом самые узкополосные фильтры можно реализовать с интерфейсными средами, обладающими характеристиками Z0 ≈ 85 Ом (ε ≈ 19,7) в случае прямого скачка и Z0 ≈ 53 Ом (ε ≈ 50,4) – в случае обратного. Показано, что для конструкций с крайними четвертьволновыми слоями (все внутренние слои – полуволновые) при прочих равных условиях селективные свойства становятся лучше, однако относительная ширина полосы пропускания может изменяться лишь от 45 до 115 %, при этом нижняя граница достижима только в случае с интерфейсными средами из воздуха (Z0 ≈ 377 Ом, ε = 1).
Волошин А. С., Ефимов А. Ю., Ходенков С. А. Исследование полоснопропускающих фильтров на слоистых диэлектрических структурах. Ural Radio Engineering Journal. 2022;6(3):231–258. DOI: 10.15826/ urej.2022.6.3.001.
Благодарности
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования России по госзаданию № FEFE-2020-0013 «Развитие теории самоконфигурирующихся алгоритмов машинного обучения для моделирования и прогнозирования характеристик компонентов сложных систем».
Ключевые слова
Полный текст:
PDFЛитература
Shirasaki M., Nakajima H., Obokata T., Asama K. Nonmechanical Optical Switch for Single-Mode Fibers. Applied Optics. 1982;21(23):4229–4234. DOI: 10.1364/AO.21.004229.
Withayachumnankul W., Fischer B., Mickan S., Abbott D. Transmission Characteristics of T-ray Multilayer Interference Filters. SPIE Proceedings Photonics: Design, Technology and Packaging III. 2007;6801:68011G-1–68011G-15. DOI: 10.1117/12.758811.
Markov Yu. Broadband Interference Filters. Optics and Spectroscopy. 2005;98(6):871–875. DOI: 10.1134/1.1953980.
Koyama S., Inaba Y., Kasano M., Murata T. A Day and Night Vision MOS Imager With Robust Photonic-Crystal-Based RGB-and-IR. IEEE Transactions on Electron Devices. 2008;55(3):754–759. DOI: 10.1109/ TED.2007.914828.
Horie Y., Han S., Lee J.-Y., Kim J., Kim Y., Arbabi A., Shin C., Shi L., Arbabi E., Kamali S. M., Lee H.-S., Hwang S., Faraon A. Visible Wavelength Color Filters Using Dielectric Subwavelength Gratings for Backside-Illuminated CMOS Image Sensor Technologies. Nano Letters. 2017;17(5):3159–3164. DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00636.
Ji C., Yang C., Shen W., Lee K.-T, Zhang Y., Liu X., Guo L. J. Decorative near-infrared transmission filters featuring high-efficiency and angular-insensitivity employing 1D photonic crystals. Nano Research. 2019;12(3):543–548. DOI: 10.1007/s12274-018-2249-8.
Vassiliev V. V., Zibrov S. A., Vas’kovskaya M. I., Chuchelov D. S., Tsygankov E. A., Kuzmich S. V., Velichansky V. L. Vibration-proof ECDL with an Intracavity Interference Filter. Bulletin of the Lebedev Physics Institute. 2019;46(10):309–313. DOI: 10.3103/S1068335619100038.
Yoon Y.-T., Park C.-H., Lee S.-S. Highly Efficient Color Filter Incorporating a Thin Metal-Dielectric Resonant Structure. Applied Physics Express. 2012;5(2):022501. DOI: 10.1143/APEX.5.022501.
Lee S. U., Ju B.-K. Wide-gamut plasmonic color filters using a complementary design method. Scientific Reports. 2017;7(1):40649. DOI: 10.1038/srep40649.
Беляев Б. А., Волошин А. С., Шабанов В. Ф. Исследование микрополосковых моделей полосно-пропускающих фильтров на одномерных фотонных кристаллах. Доклады академии наук. 2005;400(2):181–185.
Беляев Б. А., Волошин А. С., Шабанов В. Ф. Исследование микрополосковых аналогов полосно-пропускающих фильтров на одномерных фотонных кристаллах. Радиотехника и электроника. 2006;51(6):694–701.
Беляев Б. А., Волошин А. С., Лексиков А. А., Шабанов В. Ф. Отражающее покрытие. Патент России № 2256942. БИ № 20, 2005. Режим доступа: https://rusneb.ru/catalog/000224_000128_0002256942_20050720_ C1_RU/?ysclid=l7rs80yymf180788001
Беляев Б. А., Волошин А. С., Лексиков А. А., Шабанов В. Ф. Узкополосное фильтрующее покрытие. Патент России № 2308062. БИ № 28, 2007. Режим доступа: https://rusneb. ru/catalog/000224_000128_0002308062_20071010_C1_RU/?ysclid= l7rshidb2104451468
Беляев Б. А., Волошин А. С., Лексиков А. А., Шабанов В. Ф. Управляемый фазовращатель. Патент России № 2257648. БИ № 21, 2005. Режим доступа: https://rusneb.ru/catalog/000224_000128_0002257648_20050727_ C1_RU/?ysclid=l7rsn6nlih94815669
Беляев Б. А., Лексиков А. А., Сержантов А. М., Шабанов В. Ф. Управляемый сверхвысокочастотный жидкокристаллический фазовращатель. Письма в Журнал технической физики. 2008;34(11):19–28. Режим доступа: http://journals.ioffe.ru/articles/12075
Беляев Б. А., Волошин А. С., Шабанов В. Ф. Исследование добротности резонанса примесной моды в микрополосковой модели одномерного фотонного кристалла. Доклады академии наук. 2005;403(3):319–324.
Беляев Б. А., Ходенков С. А., Шабанов В. Ф. Исследование полосно-пропускающих фильтров на одномерных диэлектрических фотонных кристаллах. Известия высших учебных заведений. Физика. 2008;51(9-2):150–153.
Khodenkov S. A., Yushkov I. A. Band-pass filters based on photonic crystal. Journal of Physics: Conference Series. 2017;917(6):062043. DOI: 10.1088/1742-6596/917/6/062043.
Burgos S. P., Yokogawa S., Atwater H. A. Color Imaging via Nearest Neighbor Hole Coupling in Plasmonic Color Filters Integrated onto a Complementary Metal-Oxide Semiconductor Image Sensor. ACS Nano. 2013;7(11):10038–10047. DOI: 10.1021/nn403991d.
Frey L., Masarotto L., El Melhaoui L., Verrun S., Minoret S., Rodriguez G., André A., Ritton F., Parrein P. High-performance silver-dielectric interference filters for RGBIR imaging. Optics Letters. 2018;43(6):1355–1358. DOI: 10.1364/ol.43.001355.
Belyaev B. A., Tyurnev V. V., Shabanov V. F. Design of optical bandpass filters based on a two-material multilayer structure. Optic Letters. 2008;39(12):3512–3515. DOI: 10.1364/o1.39.003512.
Беляев Б. А., Ларьков А. А., Бальва Я. Ф., Шабанов Д. А., Шумилов Т. Ю. Миниатюрный высокоселективный полосно-пропускающий фильтр на двухпроводниковых шпильковых резонаторах. Ural Radio Engineering Journal. 2022;6(2):129–139. DOI: 10.15826/ urej.2022.6.2.001.
Homes C. C., Vogt T., Shapiro S. M., Wakimoto S., Ramirez A. P. Optical Response of High-Dielectric Constant Perovskite-Related Oxide. Science. 2001;293(5530):673–676. DOI: 10.1126/science.1061655.
Баскаков С. И. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Либроком; 2017. 416 с.
Сазонов Д. М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Высшая школа; 1988. 432 с.