Прозрачная структура для модуляции СВЧ-сигнала Российский патент 2023 года по МПК G12B17/02 

Область техники

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и может быть использовано в электрически управляемых устройствах для модуляции проходящего электромагнитного излучения, в том числе для параметрического зашумления с целью предотвращения удаленного считывания информации.

Уровень техники

Известна пленочная магнитная структура, описанная в патенте на изобретение РФ №2575123, H01F 10/12, G11C 11/14, дата 10/02/2016, которая содержит тонкопленочные металлические ферромагнитные слои, каждый из которых электрически изолирован от соседнего металлического ферромагнитного слоя слоем немагнитного диэлектрика. При этом все тонкопленочные металлические ферромагнитные слои разбиты на множество электрически изолированных участков, размеры которых меньше одной восьмой части от длины электромагнитной волны в слое немагнитного диэлектрика. Металлические ферромагнитные слои изготавливаются из магнитомягкого материала, например, Fe, Со, Ni-Fe (пермаллой) или Co-Zr-Pt. Слои имеют толщину порядка толщины скин-слоя материала на рабочей частоте, то есть толщина попадает в интервал 0,1-1,0 мкм.

Управляющее магнитное поле устройства, приложенное в плоскости пленочной магнитной структуры, однородно поворачивает направление вектора равновесной намагниченности в участках ферромагнитных слоев и/или меняет частоту ферромагнитного резонанса. В результате изменяется величина эффективной магнитной проницаемости подложки микрополоскового элемента, приводящая к требуемому изменению в нем фазовой скорости и/или затухания электромагнитной волны, что обеспечивает изменение режима работы управляемого устройства СВЧ.

Существенным недостатком данной структуры является ее непрозрачность в видимом диапазоне длин волн.

Известна волноводная структура с фазовой модуляцией, описанная в патенте на изобретение США US 8014636 B2, G02F 1/035; H01L 29/06; Н04В 10/04, дата 06/09/2011, которая включает в себя либо слои р- и n-легированного кремния, между которыми располагается слой оксида, либо р- и n-легированные слои SiGe, эпитаксиально выращенные на Si-подложке, между которыми также располагается слой оксида. В первом случае, когда прикладывается напряжение между слоями р- и n-легированного кремния, на обеих сторонах тонкого оксидного слоя, выполняющего роль затвора, происходит накопление носителей заряда, что приводит к изменению показателей преломления данных областей и, соответственно, к модуляции проходящего через волновод сигнала. Во втором случае напряжение прикладывается к легированным слоям SiGe, в результате чего энергия связанных состояний внутри тонкого оксидного слоя (квантовой ямы) уменьшается за счет кулоновского взаимодействия электронно-дырочных пар. Эффективная ширина запрещенной зоны модулируется, и в межзонном поглощении наблюдается красный сдвиг, что приводит к уменьшению пикового значения поглощения. В результате этого происходит модуляция интенсивности лазерного света, проходящего через квантовую яму. Свет при этом может направляться через границы раздела оксид/SiGe и SiGe/Si. К недостаткам предложенных структур можно отнести то, что применяемые материалы являются непрозрачными в видимом диапазоне длин волн. Также в патенте не рассматривается возможность применения данных структур для модуляции сигнала в диапазоне СВЧ длин волн.

Известен компактный электрооптический модулятор, описанный в патенте на изобретение США US 10732441 В2, G02F 1/025, 04/08/2020. В основе данного модулятора лежит интегральный конденсатор со структурой «металл-оксид-полупроводник» (МОП), прозрачный для видимого диапазона длин волн с одномерной кремниевой фотонной нанополостью. МОП-конденсатор представляет собой последовательность слоев ITO/SiO₂/Si. Электрооптическая модуляция достигается путем переключения напряжения на обкладках данного конденсатора, в результате чего происходит изменение показателя преломления полупроводниковых слоев.

Известна фотонная интегральная схема, описанная в патенте на изобретение США US 9535308 B2, G02F 1/035; G02B 6/122; G02F 1/225, дата 03/01/2017, которая включает диод на основе полупроводник-диэлектрик-полупроводник структуры (ПДП-структура) в составе оптического волновода. Данный оптический волновод входит в состав оптического модулятора, например, интерферометра Маха-Цендера. Барьерный диэлектрический слой представляет собой оксид или материал с высоким показателем поглощения. Полупроводниковые слои в диоде на основе ПДП-структуры могут включать в себя геометрические элементы (такие как периодический узор из отверстий или канавок), которые формируют оптический волновод на фотонном кристалле со смещенной решеткой, имеющий более низкую групповую скорость света, чем групповая скорость света в другом полупроводниковом слое без геометрических особенностей. Приложение электрического напряжения к полупроводниковым слоям приводит к изменению показателя преломления части материала в оптическом волноводе, что в свою очередь вызывает модуляцию проходящего через волновод оптического сигнала.

К недостаткам данных технических устройств (компактного электрооптического модулятора и фотонной интегральной схемы) можно отнести то, что конструкции устройств предназначены для модуляции сигналов видимого и/или ближнего ИК-диапазонов длин волн, проходящих через волноводный тракт. Это приводит к маленькому размеру области, в которой осуществляется модуляция сигнала (порядка 1 мкм), а также невозможности применения данных структур для модуляции СВЧ-сигналов.

Таким образом, не было обнаружено технических решений, представляющих собой пленочную структуру, обеспечивающих модуляцию СВЧ-сигналов и прозрачных в видимом диапазоне длин волн.

Техническим результатом работы предлагаемого устройства является модуляция фазы проходящего через прозрачную многослойную пленочную структуру СВЧ-сигналов, когда на слои прозрачного проводящего покрытия и прозрачного проводящего полупроводникового покрытия, между которыми располагается слой прозрачного диэлектрического покрытия этой структуры, подают напряжение - разность потенциалов. В результате использования предлагаемого технического решения прозрачная многослойная пленочная структура позволяет обеспечить параметрическое зашумление СВЧ-сигналов с целью предотвращения удаленного считывания информации, вследствие изменения фазы.

Раскрытие изобретения

Оптически прозрачное устройство для модуляции СВЧ-сигнала представляет собой тонкопленочную многослойную структуру, состоящее из последовательно располагающихся тонких пленок: прозрачная проводящая пленка, прозрачная диэлектрическая пленка, прозрачная проводящая полупроводниковая пленка. Функционирование такого устройства заключается в подаче напряжения на слои электропроводящих покрытий, а именно, на прозрачную проводящую пленку и прозрачную проводящую полупроводниковую пленку, в результате чего происходит изменение энергетического спектра свободных носителей заряда в приграничных к прозрачной диэлектрической пленке областях проводящих покрытий под действием внешнего электрического поля, что приводит к изменению проводимости проводящих покрытий и, как следствие, к изменению фазы и амплитуды СВЧ-сигнала, прошедшего сквозь данное устройство или отраженного от него.

Тонкопленочная многослойная структура «прозрачное проводящее покрытие / прозрачное диэлектрическое покрытие / прозрачное проводящее полупроводниковое покрытие» может быть реализована в виде структуры «металл-диэлектрик-полупроводник» (МДП-структура, англ. metal-insulator-semiconductor (MIS) structure), структуры «металл-оксид-полупроводник» (МОП-структура, англ. metal-oxide-semiconductor (MOS) structure) или структуры «полупроводник-диэлектрик-полупроводник» (ПДП-структура, англ. semiconductor-insulator-semiconductor (SIS) structure). В качестве диэлектрического слоя могут применяться слои SiO₂, HfO₂, Al₂O₃ или других прозрачных в видимом диапазоне диэлектрических материалов. В качестве прозрачного проводящего слоя могут применяться слои прозрачных проводящих оксидов (англ. transparent conductive oxides (ТСО)), такие как оксид индия-олова (англ. indium tin oxide (ITO)), легированный цинком оксид алюминия Al₂O₃, оксид индия, оксид галлия, оксид цинка и оксид индия, галлия и цинка (англ. Indium gallium zinc oxide, сокр. IGZO), а также нанометровые (прозрачные для видимого диапазона длин волн) слои металлов, например, серебра или меди. Толщины слоев подбираются исходя из требований к величине модуляции сигнала и диапазону частот.

Особенностью данного устройства является то, что оно позволяет выполнять модуляцию сигнала в СВЧ-диапазоне частот, при этом являясь прозрачным в видимом диапазоне длин волн. Кроме того, размер активной области устройства можно сделать достаточно большим (например, площадью в несколько квадратных метров). Ограничения по размеру определяются технологическими возможностями установки, на которой производится нанесение слоев МДП-структуры.

Сущность изобретения поясняется рисунком.

На фиг. 1 изображена упрощенная структура устройства для модуляции СВЧ-сигнала.

1 - прозрачная подложка;

2 - прозрачное проводящее покрытие;

3 - прозрачное диэлектрическое покрытие;

4 - прозрачное проводящее полупроводниковое покрытие;

5 - верхняя контактная площадка;

6 - нижняя контактная площадка.

При подаче разности потенциалов на проводящие слои структуры через контактные площадки происходит изменение концентрации свободных носителей (обеднение или обогащение) в приграничных к диэлектрическому слою областях проводящих покрытий. То есть под действием электрического поля образуются области пространственного заряда.

Изменение концентрации электронов и дырок происходит с двух сторон диэлектрического слоя. Это может быть описано следующим выражением:

где Δn_c и Δn_p - изменение концентрации электронов и дырок под действием прикладываемой разности потенциалов V_D; ε - диэлектрическая проницаемость; е - элементарный заряд; t_D - толщина диэлектрического слоя; t_eff - толщина области пространственного заряда; B_FB - напряжение плоских зон МДП-структуры.

Это приводит к изменению электрической удельной проводимости о приграничных к слою диэлектрика слоев, что может быть описано следующей формулой:

где ne и μ_e - концентрация и подвижность электронов, соответственно; n_p и μ_p - концентрация и подвижность дырок, соответственно.

В результате этого происходит изменение проходящей через предлагаемое устройство электромагнитной волны.

Для расчета свойств многослойных «одномерных» систем (таких, как экранирующий слой на толстой подложке или многослойные оптические покрытия) удобно использовать матрицы переноса (далее в тексте они также будут называться передаточными матрицами), так как матрица переноса системы последовательно соединенных подсистем с двумя портами может быть найдена путем матричного умножения матриц переноса подсистем в порядке, соответствующем последовательности их соединения.

Дальнейшие выкладки основаны на следующих уравнениях Максвелла (записанных для системы СИ) и граничных условиях:

где Н - напряженность магнитного поля, Е - напряженность электрического поля, D - электрическая индукция, В - магнитная индукция, j - плотность тока, обусловленного макроскопическим переносом заряда - векторы, кроме того, ρ - плотность заряда, n - нормаль поверхности раздела сред, а нижние индексы (1 и 2) обозначают номер среды, ∇ - дифференциальный оператор набла, при этом:

В случае расчета многослойных «одномерных» систем, когда учитываются только линейные эффекты, уравнения (3)-(6) сводятся к:

где - относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости (тензоры второго ранга). Для изотропных сред вместо этих тензоров могут использоваться скалярные относительные проницаемости ей ε и μ.

Из условий (7) и (8) в задаче об одиночной падающей плоской волне следует равенство набега фазы волн по обе стороны границы при смещении вдоль поверхности раздела сред, в связи с чем проекция волнового вектора на плоскость раздела сред должна быть одинакова по обе стороны границы. Вместе с тем, для изотропного материала, вне зависимости от ориентации волнового вектора, выполняется следующее равенство:

где k - волновой вектор, k₀ - волновое число (k₀≡ω/с), ω - частота электромагнитной волны, с - скорость света.

Выбрав систему координат таким образом, чтобы волновой вектор лежал в плоскости yz, находим:

где θ - угол падения волны относительно оси z в свободном пространстве.

Рассмотрим два случая: падение под углом θ к нормали границы раздела сред s-поляризованной (ТЕ - от анг.Transverse Electric) волны и р-поляризованной (ТМ - от анг. Transverse Magnetic) волны. В дальнейших рассуждениях будем обозначать амплитуды прямо и обратно распространяющихся волн индексами «+» и «-», а обозначения величин, справедливых для одного из полупространств, снабжать апострофом (обозначения соответствующих величин для второго полупространства будут даны без апострофа).

В случае s-поляризации в выбранной системе координат вектор Е всюду направлен вдоль оси х. Таким образом, в соответствии с уравнением (4), для компоненты Н, направленной вдоль границы раздела сред, справедливо:

Принимая в расчет условия (7) и (8), находим:

Таким образом, матрица переноса электрической составляющей волн с s-поляризацией на границе раздела сред T_bsE имеет следующий вид:

Матрица переноса связывающая амплитуды волн (любой поляризации) у границ слоя толщины h с внутренней стороны, имеет следующий вид:

Таким образом, матрица переноса T_lse, связывающая электрические амплитуды 5-поляризованных волн снаружи от границ слоя толщины h, находящегося в вакууме, может быть вычислена следующим образом:

Перемножая матрицы в уравнении (20) и производя замены на основании приведенных выше равенств, находим:

Аналогичным образом могут быть получены матрицы переноса для магнитной составляющей /(-поляризованных волн на границе раздела сред и снаружи от границ слоя толщиной h

В однородном изотропном материале справедливо следующее соотношение между электрической и магнитной компонентами плоской электромагнитной волны:

где - волновое сопротивление вакуума.

Следовательно, переход от магнитных матриц (Т_м) переноса к электрическим (T_E) может быть осуществлен следующим образом:

Применяя выражение (25) к (22) и (23), получаем:

Таким образом, распространение плоской монохроматической волны, падающей под углом в к нормали, через находящийся в вакууме однородный изотропный слой материала толщиной h описывается следующими уравнениями:

где I - единичная матрица, μ - магнитная проницаемость вещества, i - мнимая единица;

где или - компоненты матрицы переноса (Т) для s- и р-поляризации падающей волны, соответственно.

Уравнения (28)-(31) используются для описания прохождения плоской монохроматической волны через непроводящие слои, такие как подложка и диэлектрический слой.

В случае тонкого электропроводящего слоя необходимо учитывать вклад электропроводности в эффективную диэлектрическую проницаемость. На частотах, существенно меньших плазменной частоты (в этом случае можно считать, что заряды в проводнике реагируют на поле мгновенно), это можно выразить следующим образом:

где ε₂ - мнимая часть эффективной диэлектрической проницаемости, σ - удельная электропроводность, ε₀ - электрическая постоянная.

Плотность тока максимальна у поверхности проводника. При удалении от поверхности она убывает экспоненциально, и на глубине δ становится меньше в е раз (примерно на 70%). Такая глубина δ называется толщиной скин-слоя.

На достаточно низких частотах, когда вклад сплошной электропроводности в эффективную диэлектрическую проницаемость оказывается превалирующим, толщина скин-слоя S может быть определена следующим образом:

где μ₀ - магнитная постоянная.

Если толщина скин-слоя оказывается больше, чем физическая толщина рассматриваемого слоя, электромагнитная волна будет проходить без затухания и основное влияние на ее прохождение будет оказывать только поверхностное сопротивление слоя R_S.

В соответствии с этим уравнение (28) для электропроводящего слоя переписывается следующим образом:

где

Если рассматривать матрицу М в зависимости от поляризации падающей плоской волны, учитывая, что В случае s-поляризованной волны, согласно (2), она будет иметь следующий вид:

В случае p-поляризованной волны зависимость от угла падения:

Прохождение электромагнитной волны через структуру для двухпортовой системы можно описать следующим выражением:

где а - вектор, описывающий поле на выходе из системы, b - вектор, описывающий поле на входе в систему, Т - матрица переноса.

где b[0] - напряженность падающей волны на входе, b[1] - напряженность отраженной волны на входе, а[0] - напряженность прошедшей волны на выходе, а[1] - напряженность обратно распространяющейся волны на выходе (если за рассматриваемой системой ничего нет, то а[1]=0).

Так как матрица переноса - квадратная 2x2, можно записать:

Поскольку а[1] - 0, то выражения (41) и (42) могут быть записаны следующим образом:

Для расчета изменения фазы проходящей через структуру волны необходимо определять изменение прошедшей волны по отношению к падающей, что описывает уравнение (43). Информация об изменении фазы заключена в Т₁₁.

Поскольку матрица Т комплексная, изменение фазы проходящей волны Δϕ может быть вычислено следующим образом:

Модуляция фазы проходящего сигнала в зависимости от прикладываемого напряжения может быть вычислена следующим образом:

где МФ - модуляция фазы, V₁ и V₂ - прикладываемые напряжения.

Рассмотрим влияние приложенного напряжения на изменение фазы прошедшего сигнала (нормально падающей электромагнитной волны) с частотой 10,1 ГГц. В качестве модельной структуры взята МДП-структура «ITO» (толщина 100 нм, поверхностное сопротивление 21 Ом/квадрат) / Al₂O₃ (толщина 50 нм, относительная диэлектрическая проницаемость 3,8) / Ag (толщина 10 нм, поверхностное сопротивление 1,6 Ом/квадрат)», нанесенная на стекло толщиной 500 мкм с относительной диэлектрической проницаемостью равной 1,4.

Результаты расчета поверхностного сопротивления слоя ITO и модуляции фазы прошедшего сигнала при различных значениях подаваемого напряжения V_D приведены в таблице 1.

Анализ полученных результатов, приведенных в таблице 1, позволяет сделать вывод о том, что при приложении напряжения на МДП-структуру проявляется эффект поля и появляется область пространственного заряда в слое полупроводника. В данной области изменяется концентрация носителей заряда, что приводит к увеличению поверхностного сопротивления слоя ITO (при приложении напряжения 4,2 В до 31 Ом/квадрат, при приложении 6,4 В - 41 Ом/квадрат). Это приводит к модуляции фазы прошедшей через МДП-структуру электромагнитной волны на 0,05 и 0,10 рад, соответственно.

Таким образом достигнут обозначенный выше технический результат.

Изобретение предназначено для модуляции проходящего электромагнитного излучения, в том числе для использования в составе элементов остекления и средств визуального отображения информации для обеспечения параметрического зашумления с целью предотвращения удаленного считывания информации, а также нарушения прохождения радиосигналов внутрь и извне защищенных помещений. Оптически прозрачное устройство представляет собой тонкопленочную многослойную структуру «прозрачное проводящее покрытие / прозрачное диэлектрическое покрытие / прозрачное проводящее полупроводниковое покрытие». Функционирование устройства заключается в подаче напряжения на слои электропроводящих покрытий, в результате чего происходит изменение энергетического спектра свободных носителей заряда в приграничных к диэлектрическому слою областях проводящих покрытий под действием внешнего электрического поля. Это приводит к изменению проводимости проводящих слоев и, как следствие, к изменению фазы и амплитуды СВЧ-сигнала, прошедшего сквозь данное устройство или отраженного от него. Изобретение позволяет обеспечить параметрическое зашумление СВЧ-сигнала с целью предотвращения удаленного считывания информации. 1 табл., 1 ил.

Оптически прозрачное устройство для модуляции электромагнитного излучения, представляющее собой тонкопленочную многослойную структуру, состоящее из последовательно располагающихся тонких пленок: прозрачная проводящая пленка, прозрачная диэлектрическая пленка, прозрачная проводящая полупроводниковая пленка, функционирование такого устройства заключается в подаче напряжения на слои электропроводящих покрытий, а именно, на прозрачную проводящую пленку и прозрачную проводящую полупроводниковую пленку, в результате чего происходит изменение энергетического спектра свободных носителей заряда в приграничных к прозрачной диэлектрической пленке областях проводящих покрытий под действием внешнего электрического поля, что приводит к изменению проводимости проводящих покрытий и, как следствие, к изменению фазы и амплитуды СВЧ-сигнала, прошедшего сквозь данное устройство или отраженного от него.