Интерференционные явления в слоистых структурах и их применение в задачах приема сигналов и диагностики неоднородных сред, страница 21

Вотсутствие лазерной накачки или при малой ее интенсивности полупроводниковый образецнаходится в термодинамическом равновесии с окружающей средой, что обусловливаетстабильность его СВЧ-характеристик. При воздействии лазерного излучения, как показалипроведенные исследования, в рассматриваемом случае глубина скин-слоя оптическогоизлучения существенно меньше его толщины. В объеме полупроводника возникаетпространственно-неоднородное диффузионное распределение неравновесных носителей заряда,которое приводит к пространственно-неоднородному поглощению в образце СВЧ-энергии, чтов свою очередь создает в полупроводнике градиент температуры, вызывающий появлениеотносительно медленных (секунды или десятки секунд) процессов теплопередачи и, крометого, появляется дополнительный механизм термовозбуждения неравновесных носителей,носящий такой же пространственно-неоднородный характер как и температурный, который иподдерживает процесс нестационарного поглощения СВЧ-энергии после снятия оптическойнакачки.Как видно из рис.31а (численное моделирование) коэффициент отражения СВЧ-волны отполупроводниковой пластины начинает плавно увеличиваться при повышении проводимостиобразца в случае, когда длина СВЧ-волны близка к резонансной (полуволновая толщинаполупроводникового слоя).

Коэффициент поглощения, как видно из рис.31b резкоувеличивается при повышении проводимости и быстро достигает своего максимального дляданного случая значения на частоте, близкой к резонансной.75Рис.31Явление нестационарного поглощения может быть использовано при исследованиинеравновесных свойств полупроводниковых материалов, диагностики пространственных ивременных процессов. С другой стороны, оно может быть нежелательным приконструировании конкретных полупроводниковых устройств, в этих случаях, учитываярассмотренные выше физические механизмы его обусловливающие, можно обеспечитьрежимы работы устройства, при которых это явление не может проявляться.3. Фотоуправление СВЧ-мощностью на основе эффектов кросс-модуляции и волноводнойдисперсии.На основе развитых методов синтеза и анализа многослойных интерференционныхсогласующих структур (МИП, ТИС) нами было предложено несколько различных методовфотоуправления СВЧ-мощностью в волноведущих СВЧ-линиях. Все они основаны на эффектекросс-модуляции, когда в отсутствие оптического сигнала многослойная структура, один (илинесколько) из слоев которой обладает свойством фотопроводимости, является либо полностьюпропускающей СВЧ-излучение, либо отражающей, либо поглощающей.

При воздействииоптического излучения в фотопроводящем слое происходит изменение его проводимости, чтовлечет за собой нарушение амплитудно-фазовых условий установившейся интерференционнойкартины и соответственно изменение амплитуды СВЧ-волны, отраженной или прошедшейчерез многослойную структуру. Одними из важнейших факторов, обусловливающих приоритетв практическом применении таких устройств, является минимизация уровня оптическойнакачки для получения заданного уровня глубины амплитудной модуляции СВЧ-сигнала иразмеров устройства.В настоящем докладе рассмотрен один из реализованных нами вариантов решения задачифотоуправления СВЧ-мощностью, отличающийся максимальной простотой и, кроме того,работающий при относительно малых уровнях оптической накачки.

В основерассматриваемого метода лежит возможность в широких пределах изменять волновойимпеданс волноведущей СВЧ-линии либо за счет изменения длины СВЧ-волны, приближая еек значению критической (как было показано выше такой способ можно эффективноиспользовать для согласования высокоотражающих СВЧ-нагрузок), либо осуществляя подборсечения СВЧ-волновода таким образом, чтобы его импеданс на заданной длине волны былтребуемой величины.Воспользовавшись методом импедансных характеристик легко получить соотношение,связывающее коэффициент отражения СВЧ-волны от полупроводникового слоя в волноводе с76эго электрофизическими характеристиками: удельной проводимостью σ и относительнойдиэлектрической проницаемостью ε / , которое в случае полуволновой толщины слоя (как былопоказано в Ч I, оптимальной с точки зрения отклика СВЧ-схемы на вариацииэлектрофизических параметров полупроводниковой пластины в симметричной схеме еевключения в СВЧ-волновод) и при малых величинах его удельной проводимости (σ 〈〈ωε ε / ),0имеетвид:r≈проницаемостьпластине,λε ρ 08вакуума,λ -длина-СВЧ-частота,λ = λ / ε / − (λ λc )2εСВЧ-волнысопротивление вакуума,ωZ L2σ , гдевZ L =1 / 1− (λ λc )2-длинасвободномε0-абсолютнаяСВЧ-волнывдиэлектрическаяполупроводниковойпространстве, ρ = µ ε 00 0волновое- волновой импеданс волноведущей СВЧ-линии,λc-критическая длина волны для данного типа СВЧ-волновода (в частности, для прямоугольноговолновода, возбужденного на основном типе волны Н10 , λc = 2а , где a -размер широкой стенкиволновода).Таким образом, подобрав полупроводник с малой темновой проводимостью в отсутствиеоптической накачки, можно, варьируя величиной ZL обеспечить заданную малую величинукоэффициента отражения, т.е.

практически полное прохождение СВЧ-волны черезполуволновой полупроводниковый слой в волноводе. Изменяя удельную проводимостьполупроводниковой пластины σ оптической накачкой, и увеличивая, тем самым,коэффициент отражения СВЧ-волны от пластины, можно плавно регулировать уровеньпрошедшей через полупроводник СВЧ-мощности вплоть до режима практически полногоотражения.Экспериментальное исследование такого способа управления СВЧ-энергией вволноведущих линиях было осуществлено на различных полупроводниковых материалах и вразного типа волноведущих СВЧ-линиях. В настоящем докладе представим результаты одногоиз таких исследований.

В качестве полупроводникового материала в данном случае был взят Sic измеренными относительной диэлектрической проницаемостью ε = 10,3 ± 0,03 и удельнойпроводимостью σ = 0,01 ± 0,002 . Исследования проводились в прямоугольном СВЧ-волноводесечением 3,4X7,2 мм2 в диапазоне частот 17,4-24,6 ГГц. СВЧ-измерения проводились спомощью панорамного измерителя КСВН Р2-66 (генератор качающейся частоты ГКЧ ииндикатор КСВН и ослаблений Я2Р-67).

Открытый конец волновода, откуда происходилооблучение полупроводника оптической накачкой, был согласован со свободным пространствомСВЧ-рупором.В результате проведенных экспериментальных исследований на образце толщиной 4,85 мми длине СВЧ-волны λ = 14,2 мм было установлено, что в темновом режиме энергетическийкоэффициентотраженияСВЧ-волныотполупроводниковой−3пластинысоставилR ≈ 5 ⋅ 10 (энергетический коэффициент пропускания при этом составил Т=0,99), а приоблучении оптической накачкой от1 до 100 мкВт коэффициент пропусканя изменялся от 0,5 до2.10-2 . Проведенные оценки показали, что полученные экспериментально значенияотражательной способности полупроводниковой пластины при оптической накачке77превышают теоретические оценки, сделанные в предположении равномерного распределения вней избыточных носителей заряда.Теоретическийиэкспериментальныйанализдиффузионныхпроцессоввполупроводниках при оптической накачке показал, что в рассматриваемом случае, когда числофотовозбужденных (неравновесных) носителей заряда существенно превышает темновуюконцентрацию, в объеме полупроводниковой пластины возникает существенно неравномерноераспределение неравновесных носителей заряда, которое обусловливает пространственнуюлокализацию носителей заряда в существенно меньшем объеме (при равномерном освещениипередней грани образца, избыточные носители за счет процессов диффузии локализуются вслое, существенно меньшей толщины, чем толщина образца), что и служит причинойповышения эффективности отражения СВЧ-волны и, как следствие, предложенного методауправления СВЧ-мощностью на основе эффекта волноводной дисперсии.При практической реализации предложенного метода, для анализа характерадиффузионного распределения избыточных носителей заряда в полупроводниковой пластине внаправлении перпендикулярном освещаемой поверхности ∆n(z ) , можно воспользоватьсяформулой, полученной нами при аналитическом решении уравнения диффузии при условиях,соответствующих рассматриваемому случаю:−1Φ1⎛⎞∆n( z) = 3⋅n0 ⎜ sh 2 ( τD + arcsh(3⋅n0 /( 2Φ 0τn0 + n02 − n0 ))) ⎟ − 02 e −αz2Dα⎝⎠,где n0-темновая концентрация носителей заряда; τ - равновесное время жизни носителей; D коэффициент диффузии носителей заряда; α - коэффициент поглощения полупроводникомоптического излучения;Φ0- поток оптических фотонов в единицу времени.

Учетнеравномерного пространственного распределения избыточных носителей заряда позволилкорректно прогнозировать параметры устройства при различных уровнях оптическойнакачки.Следует также отметить, что в силу своей кросс-модуляционной природы, предложенноеустройство может быть использовано, также, в качестве амплитудного СВЧ-модулятора,перенося амплитудную модуляцию из оптического в СВЧ диапазон, причем, предельнаячастотная характеристика такого модулятора будет определяться временем жизнинеравновесных носителей заряда и добротностью Q СВЧ-схемы, которая в рассматриваемомπZ , гдеслучае может быть определена из соотношения:- волновойλQ= LZ ε =1 / ε / − ( ) 2r Zελcимпеданс отрезка СВЧ-волновода, полностью заполненного полупроводником, r - модулькоэффициента отражения СВЧ-волны от полуволнового полупроводникового слоя вотсутствие оптической накачки при отстройке СВЧ-частоты до уровня 0,7 по резонанснойкривой. Так, например, в рассмотренном случае инерционность СВЧ-схемы составляет ~5.10-9c,а время жизни неравновесных носителей в кремнии (в зависимости от конкретного образца иуровня оптической накачки) может варьироваться от 10-4 до 10-7 с.

Таким образом,возможность улучшения инерционных характеристик такого СВЧ-модулятора в большинствеслучаев будет зависеть от подбора полупроводникового материала с требуемымихарактеристиками.78V. Применение интерференционных явлений в биологии и медицине [68-70,76,85,87-89,9496,98].Взаимодействие электромагнитных излучений с биологическими объектами по своейфизической постановке может быть описано в рамках тех же физических моделей и методик, окоторых шла речь выше. Однако отличительной особенностью взаимодействияэлектромагнитных излучений с живыми организмами заключается в исключительно сложнойиерархической и функциональной структуре последних, что обусловливает во многих случаяхнепредсказуемую, в рамках современных представлений, реакцию живого организма налокальное (пространственное или временное) воздействие того или иного вида излучения.Построение общей функциональной теории взаимодействия излучений даже с простейшимибиологическими объектами на современном этапе не представляется возможным.