Control of resonances in a one-dimensional bragg structure of the microwave range using a distilled water layer as an interface

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Background and Objectives: The methods to control the characteristics of microwave devices on photonic crystals are based on the high sensitivity of resonance states in the forbidden band to the creation of volume defect in the periodic structure and the features of its interface. The appearance of surface photonic Tamm states in microwave photonic crystals adjacent to the electromagnetic radiation absorber layer can be considered as interface states. Currently, there is an increasing interest in the possibility of using structures containing polar liquids, such as water, both in the form of continuous layers and in the form of individual periodically located drops as an absorber of electromagnetic energy in microwave technology, since water in the microwave range is characterized by both a significant value of the real part of the complex permittivity and an imaginary part of the complex permittivity. At the same time, microwave absorbers based on water-containing structures, compared to more traditional materials based on layers with high electrical conductivity, have a number of advantages, such as biocompatibility, availability, ease of adjustment, optical transparency. The appearance of analogs of photonic Tamm states is also possible in the presence of an interface in the form of a polar liquid layer characterized by a positive value of the real part of the complex permittivity and a significant value of the imaginary part of the complex permittivity. When choosing a polar liquid as an absorber, it is necessary to take into account that both the real and imaginary parts of the permittivity significantly depend on the frequency of the probing microwave signal. For the appearance of photonic Tamm states in a photonic crystal with an interface in the form of a polar liquid layer, the imaginary part of the complex permittivity of which is several orders of magnitude smaller than this value for metal nanolayers, the thickness of the liquid layer should be of the same order of the wavelength of electromagnetic radiation, unlike conducting nanolayers. In this case, the electric field of the electromagnetic wave turns out to be partially localized in the liquid layer. In this regard, it is of interest to carry out theoretical and experimental research of the resonance characteristics of microwave photonic crystals associated with the effect of the appearance of photonic Tamm states in the forbidden band, depending on the parameters of the interface based on a structure containing water in the form of a continuous layer. Materials and Methods: To carry out the research of Tamm states, a photonic crystal consisting of alternating layers of two types of dielectrics was created. Its last layer was separated from the distilled water layer by a thin dielectric film. The distance between the film and the last layer of the photonic crystal could be adjusted. A vector network analyzer was used to measure frequency characteristics in the frequency range of 7–13 GHz. Results: It has been established that with an increase of thickness of the distilled water layer, oscillations of the frequency and amplitude of the Tamm resonance are observed both in the first and in the second forbidden bands of the one-dimensional microwave Bragg structure, damping at a large thickness of the water layer. In this case, the greatest amplitude of the Tamm resonance is achieved for each thickness of the water layer at a certain value of the air gap. Conclusion: Based on the results of computer modeling using the transfer matrix method and experiment, the possibility to control photonic Tamm resonances by changing both the thickness of the distilled water layer and the size of the air gap between the photonic crystal and the water layer has been established.

About the authors

Alexander Vladimirovich Skripal

Saratov State University

ORCID iD: 0000-0001-7448-4560
SPIN-code: 2952-4725
410012, Russia, Saratov, Astrakhanskaya street, 83

Denis Viktorovich Ponomarev

Saratov State University

ORCID iD: 0000-0002-7822-937X
SPIN-code: 9572-1888
410012, Russia, Saratov, Astrakhanskaya street, 83

Maria A. Volshanik

Saratov State University

ORCID iD: 0009-0001-1726-8586
SPIN-code: 7381-3350
410012, Russia, Saratov, Astrakhanskaya street, 83

References

  1. Usanov D. A., Nikitov S. A., Skripal A. V., Ponomarev D. V. One-dimensional microwave photonic crystals: New applications. Boca Raton, FL, USA : CRC Press ; Taylor Francis Group, 2019. 154 p. https://doi.org/10.1201/9780429276231
  2. Беляев Б. А., Ходенков С. А., Галеев Р. Г., Шабанов В. Ф. Фильтр нижних частот на двумерном микрополосковом электромагнитном кристалле // Доклады Академии наук. 2019. Т. 485, № 1. С. 27–32. https://doi.org/10.31857/S0869-5652485127-32
  3. Беляев Б. А., Ходенков С. А., Шабанов В. Ф. Исследование частотно-селективных устройств, построенных на основе микрополоскового двумерного фотонного кристалла // Доклады Академии наук. 2016. Т. 467, № 4. С. 400–404. https://doi.org/10.7868/S086956521610008X
  4. Ozbay E., Temelkuran B., Bayindir M. Microwave applications of photonic crystals // PIER. 2003. Vol. 41. P. 185–209. https://doi.org/10.2528/pier02010808
  5. Fernandes H. C. C., Medeiros J. L. G., Junior I. M. A., Brito D. Photonic crystal at millimeter waves applications // PIERS Online. 2007. Vol. 3, № 5. P. 689–694. https://doi.org/10.2529/PIERS060901105337
  6. Усанов Д. А., Мещанов В. П., Скрипаль А. В., Попова Н. Ф., Пономарев Д. В., Мерданов М. К. Согласованные нагрузки сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн на СВЧ фотонных кристаллах // Журнал технической физики. 2017. Т. 87, вып. 2. С. 216–220. https://doi.org/10.21883/JTF.2017.02.44128.1794
  7. Усанов Д. А., Никитов С. А., Скрипаль А. В., Мерданов М. К., Евтеев С. Г. Волноводные фотонные кристаллы на резонансных диафрагмах с управляемыми n–i–p–i–n-диодами характеристиками // Радиотехника и электроника. 2018. Т. 63, № 1. С. 65–71. https://doi.org/10.7868/S0033849417010090
  8. Усанов Д. А., Никитов С. А., Скрипаль А. В., Пономарев Д. В., Рузанов О. М., Тимофеев И. О. Использование СВЧ коаксиальной брэгговской структуры для измерения параметров диэлектриков // Радиотехника и электроника. 2020. Т. 65, № 5. С. 495–503. https://doi.org/10.31857/S0033849420040099
  9. Усанов Д. А., Никитов С. А., Скрипаль А. В., Пономарев Д. В., Латышева Е. В. Многопараметровые измерения эпитаксиальных полупроводниковых структур с использованием одномерных сверхвысокочастотных фотонных кристаллов // Радиотехника и электроника. 2016. Т. 61, № 1. С. 45–53. https://doi.org/10.7868/S0033849416010137
  10. Скрипаль А. В., Пономарев Д. В., Шаронов В. Е. Резонансные характеристики сверхвысокочастотных фотонных кристаллов с включениями в виде проводящих нанослоев // Письма в ЖТФ. 2023. Т. 49, вып. 19. С. 27–30. https://doi.org/10.61011/PJTF.2023.19.56269.19645
  11. Фархутдинов Р. В., Насыбуллин А. Р., Морозов О. Г., Вазиев Т. О., Ишкаев Т. М., Садчиков В.В. Брэгговская СВЧ-структура в коаксиальном волноводе как датчик контроля диэлектрических параметров жидких сред // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2019. Т. 22, № 4–2. С. 114–120. https://doi.org/10.18469/1810-3189.2019.22.4.114-120
  12. Skripal A. V., Ponomarev D. V., Komarov A. A. Tamm resonances in the structure 1-D microwave photonic crystal/conducting nanometer layer // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2020. Vol. 68, iss. 12. P. 5115–5122. https://doi.org/10.1109/TMTT.2020.3021412
  13. Skripal Al. V., Ponomarev D. V., Komarov A. A., Sharonov V. E. Tamm resonances control in onedimensional microwave photonic crystal for measuring parameters of heavily doped semiconductor layers // Izvestiya of Saratov University. Physics. 2022. Vol. 22, iss. 2. P. 123–130. https://doi.org/10.18500/1817-3020-2022-22-2-123-130
  14. Vinogradov A. P., Dorofeenko A. V., Erokhin S. G., Inoue M., Lisyansky A. A. Surface state peculiarities in one-dimensional photonic crystal interfaces // Phys. Rev. B. 2006. Vol. 74, № 4. P. 045128 (1–8). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.74.045128
  15. Виноградов А. П., Дорофеенко А. В., Мерзликин А. М., Лисянский А. А. Поверхностные состояния в фотонных кристаллах // УФН. 2010. Т. 180, № 3. С. 249–263. https://doi.org/10.3367/UFNe.0180.201003b.0249
  16. Belozorov D. P., Girich A. A., Nedukh S. V., Moskaltsova A. N., Tarapov S. I. Microwave analogue of Tamm states in periodic chain-like structures // PIER Letters. 2014. Vol. 46. P. 7–12. https://doi.org/10.2528/PIERL13122502
  17. Goto T., Dorofeenko A. V., Merzlikin A. M., Baryshev A. V., Vinogradov A. P., Inoue M., Lisyansky A. A. Granovsky A. B. // Phys. Rev. Lett. 2008. Vol. 101, iss. 11. P. 113902 (1–3). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.101.113902
  18. Kaliteevski M., Iorsh I., Brand S., Abram R. A., Chamberlain J. M., Kavokin A. V., Shelykh I. A. Tamm plasmon-polaritons: Possible electromagnetic states at the interface of a metal and a dielectric Bragg mirror // Phys. Rev. B. 2007. Vol. 76, iss. 16. P. 165415 (1–5). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.76.165415
  19. Sasin M. E., Seisyan R. P., Kalitteevski M. A., Brand S., Abram R. A., Chamberlain J. M., Egorov A. Yu., Vasilev A. P., Mikhrin V. S., Kavokin A. V. Tamm plasmon polaritons: Slow and spatially compact light // Appl. Phys. Lett. 2008. Vol. 92, iss. 25. P. 251112 (1–3). https://doi.org/10.1063/1.2952486
  20. Brand S., Kaliteevski M. A., Abram R. A. Optical Tamm states above the bulk plasma frequency at a Bragg stack/metal interface // Phys. Rev. B. 2009. Vol. 79, iss. 8. P. 085416 (1–4). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.79.085416
  21. Beletskii N. N., Borysenko S. A. On the spectrum of electromagnetic waves in one-dimensional defective photon crystal bordering on conducting medium // Radio Physics and Electronics. 2016. Vol. 7, iss. 16. P. 1457–1465. https://doi.org/10.1615/TelecomRadEng.v75.i16.40
  22. Bikbaev R. G., Vetrov S. Ya., Timofeev I. V. The optical Tamm states at the interface between a photonic crystal and nanoporous silver // J. Opt. 2017. Vol. 19, iss. 1. P. 015104 (1–6). https://doi.org/10.1088/2040-8986/19/1/015104
  23. Pankin P. S., Vetrov S. Ya., Timofeev I. V. Hybrid states formed by the optical Tamm and defect modes in a one-dimensional photonic crystal // Progress In Electromagnetics Research Symposium (PIERS). Shanghai, China, 2016. P. 4571–4574. https://doi.org/10.1109/PIERS.2016.7735688
  24. Fang Y., Chen L., Zhu N., Zhou J. Tamm states of one-dimensional metal-dielectric photonic crystal // IET Optoelectronics. 2013. Vol. 7, iss. 1. P. 9–13. https://doi.org/10.1049/iet-opt.2012.0064
  25. Wen J., Zhao Q., Peng R., Yao H., Qing Y., Yin J., Ren Q. Progress in water-based metamaterial absorbers: A review // Optical Materials Express. 2022. Vol. 12, № 4. P. 1461–1479. https://doi.org/10.1364/OME.455723
  26. Fan He, Kaixuan Si, Dace Zha, Rui Li, Yulu Zhang, Jianxiong Dong, Ling Miao, Shaowei Bie, Jianjun Jiang. Broadband Microwave Absorption Properties of a Frequency-Selective Surface Embedded in a Patterned Honeycomb Absorber // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. 2021. Vol. 63, iss. 4. P. 1290–1294. https://doi. org/10.1109/TEMC.2021.3050184
  27. Kuzhir P. P., Paddubskaya A. G., Volynets N. I., Batrakov K. G., Kaplas T., Lamberti P., Kotsilkova R., Lambin P. Main principles of passive devices based on graphene and carbon films in microwave–THz frequency range // J. Nanophoton. 2017. Vol. 11, № 3. P. 032504 (1–19). https://doi.org/10.1117/1.JNP.11.032504
  28. Zheng J., Zheng H., Pang Y., Qu B., Xu Z. Transparent broadband absorber based on a multilayer ITO conductive film // Optics Express. 2023. Vol. 31, № 3. P. 3731–3742. https://doi.org/10.1364/OE.482992
  29. Богацкая А. В., Кленов Н. В., Никифорова П. М., Попов А. М., Щеголев А. Е. Особенности распространения и поглощения электромагнитных сигналов в периодических структурах из проводящих и диэлектрических слоев // Оптика и спектроскопия. 2022. Т. 130, вып. 4. С. 481–487. https://doi.org/10.21883/OS.2022.04.52259.48-21
  30. Yoo Y. J., Ju S., Park S. Y., Kim Y. Ju., Bong J., Lim T., Kim K. W., Rhee J. Y., Lee Y. Metamaterial absorber for electromagnetic waves in periodic water droplets // Scientific Reports. 2015. Vol. 5, № 1. P. 14018 (1–8). https://doi.org/10.1038/srep14018
  31. Скрипаль Ал. В., Пономарев Д. В., Волшаник М. А. Резонансы в фотонных кристаллах сверхвысокочастотного диапазона при использовании в качестве интерфейса структуры, содержащей воду в виде сплошного слоя // Письма в ЖТФ. 2024. Т. 50, вып. 15. С. 30–33. https://doi.org/10.61011/PJTF.2024.15.58437.19880
  32. Sato T., Buchner R. Dielectric Relaxation Processes in Ethanol/ Water Mixtures // J. Phys. Chem. A. 2004. Vol. 108, iss. 23. P. 5007–5015. https://doi.org/10.1021/jp035255o
  33. Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Абрамов А. В., Боголюбов А. С. Измерения толщины нанометровых слоев металла и электропроводности полупроводника в структурах металл–полупроводник по спектрам отражения и прохождения электромагнитного излучения // ЖТФ. 2006. Т. 76, вып. 5. С. 112–117. https://doi.org/10.1134/S1063784206050173
  34. Fan S., Yanik M. F., Wang Z., Sandhu S., Povinelli M. L. Advances in theory of photonic crystals // Journal of Lightwave Technology. 2006. Vol. 24, № 12. P. 4493–4501. https://doi.org/10.1109/JLT.2006.886061
  35. Никитин Ал. А., Никитин Ан. А., Устинов А. Б., Lahderanta E., Калиникос Б. А. Сверхвысокочастотный фотонный кристалл на щелевой линии передачи с сегнетоэлектрической пленкой // ЖТФ. 2016. Т. 86, вып. 6. С. 115–120. https://doi.org/10.1134/S106378421606013X
  36. Meissner T., Wentz F. J. The complex dielectric constant of pure and sea water from microwave satellite observations // IEEE Transactions on Geoscience and remote Sensing. 2004. Vol. 42, № 9. P. 1836–1849. https://doi.org/10.1109/TGRS.2004.831888
  37. Садовский И. Н., Кузьмин А. В., Шарков Е. А., Сазонов Д. С., Пашинов Е. В., Ашеко А. А., Батулин С. А. Анализ моделей диэлектрической проницаемости водной среды, используемых в задачах дистанционного зондирования акваторий. М. : ФГБУН ИКИ РАН, 2013. 60 с.
  38. Бордонский Г. С., Гурулевa А. А., Орлов А. О. Диэлектрическая проницаемость глубоко переохлажденной воды по данным измерений на частотах 7.6 и 9.7 ГГц // Радиотехника и электроника. 2022. Т. 67, № 3. 259–267. https://doi.org/10.31857/S0033849422030044
  39. Zhu Y., Yang H. Defective microwave photonic crystals for salinity detection // Coatings. 2021. Vol. 11, iss. 10. P. 1243 (1–13). https://doi.org/10.3390/coatings11101243
  40. Богатин А. С. Релаксационные полязирации: сильные и слабые процессы // Физика твердого тела. 2012. Т. 54, вып. 1. С. 59–65. https://doi.org/10.1134/S1063783412010064

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».