Современная электроника №9/2025

СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ 54 WWW.CTA.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 9 / 2025 ные геометрически-оптические про- тяжённые состояния, разделённые «пограничной зоной» сильно локали- зованных фотонов (рис. 3). Эту зону Джон определяет как некий «псевдоза- зор» (Pseudogap – PG), в котором плот- ность фотонных состояний (Density of States – DOS) сильно подавлена. Размер псевдощели, в которой DOS существен- но отличается от DOS обычного ваку- ума, может составлять до 25% от цен- тральной частоты. Природа возникновения PG связана с остаточными брэгговскими резонан- сами. Как показано на рис. 3, вблизи крити- ческой частоты фазовое пространство, доступное для распространения фото- нов, ограничено аналогично тому, как это работает в «электронном карма- не» вблизи края зоны проводимости в физике полупроводников. Когерентное обратное рассеяние света должно про- исходить посредством индуцирован- ного беспорядком рассеяния внутри и между такими долинами в фазовом про- странстве. Направление фотонов вдоль определённых направлений этим остат- ком базовой геометрии сверхрешётки обеспечивает мощный механизм для сильной локализации света. Самым важным моментом этой работы было то, что Саджив Джон показал, как в принципе можно управлять сильной локализацией фотонов в частотном окне в некоторых неупорядоченных сверхрешёточных микроструктурах с достаточно высоким диэлектрическим контрастом. Такие материалы могли бы стать фотонным аналогом аморф- ных полупроводников, в которых вза- имодействие упорядоченных структур и искусственных нарушений приводит к ограничению когерентного обратно- го рассеяния определёнными брэггов- скими резонансными каналами. Это означает, что использование локали- зации в качестве триггерного механиз- ма для нелинейного или бистабильного отклика может открыть дорогу для соз- дания ряда полезных устройств, в кото- рых вместо электронов используются фотоны. Идеи Саджива Джона вдохновили научное содружество на поиски спосо- бов управления фотонами в новых кри- сталлических структурах. В конце 1980-х Эли Яблонович, рабо- тавший в Bell Communications Research, исследовал проблему борьбы с нежела- тельными частотами, генерируемыми в полупроводниковых лазерах. В частно- сти, его интересовали вопросы подавле- ния спонтанного излучения электрона в инверсном слое лазерной гетерострук- туры GaAs. В числе вопросов, которые рассматривал Яблонович, были процес- сы перехода между зонами, при кото- рых электрон проходит через новое локализованное энергетическое состо- яние. Подобные эффекты могут возни- кать в запрещённой зоне благодаря легирующей примеси или дефектам в кристаллической решетке [24]. В этой работе было показано, что при умерен- ных уровнях инжекции поверхностная, излучательная и оже-рекомбинация могут быть подавлены. В результате остаётся только рекомбинацияШокли- Рида-Холла (SRH), обусловленная дефек- тами кристаллографической структуры. В другой своей работе, опубликован- ной в этом же году в журнале Physical Review Letters, Яблонович продолжил исследования излучения фотонов в процессе рекомбинации электронов в лазерных гетероструктурах. Его идея заключалась в том, чтобы попытать- ся найти способ организации в кри- сталлической структуре каких-то зон, запрещавших распространение фото- нов определённых частот. Так, Яблонович показал, что если в трёхмерной модели кристаллической диэлектрической структуры имеется электромагнитная запрещённая зона, перекрывающую электронную кромку, то спонтанное излучение на этих часто- тах может быть строго запрещено. При этом с помощьюфазового сдвига можно формировать локальнуюмоду в фотон- нойщели, пригодную для конкретного лазерного режима. Например, в кристаллических струк- турах с периодически изменяющейся диэлектрической проницаемостью, период которой сравним с длиной вол- ны света, распространение фотонов с этими частотами будет просто невоз- можно [25]. Иными словами, Яблонович показал, что если в материале создать «фотон- ную запрещённую зону – ФЗЗ» (Photonic Band Gap – PBG), то можно управлять процессом излучения и поглощения света. 3. Фотонные кристаллы Поскольку Эли Яблонович и Саджив Джон работали над проблемой ФЗЗ с точки зрения разных приложений, они не только не конкурировали друг с другом, но часто встречались и вме- сте обсуждали проблему фотонных кри- сталлов (PhC) [26]. К началу 1990-х уже были понят- ны основные характеристики фотон- ных кристаллов (ФК) с размерностью 1D, 2D, 3D (рис. 4). В современной трак- товке фотонный кристалл (Photonic Crystal – PhC) представляет собой струк- туру, у которой диэлектрическая про- ницаемость периодически меняется в пространстве с периодом, сравнимым с длиной волны света и допускающим брэгговскую дифракцию. При этом периодические скачки коэффициента преломления могут быть вызваны как естественными особенностями струк- туры кристалла, так и искусственны- ми изменениями. Одномерные фотонные кристаллы (1D PhC) представляют собой периоди- ческое чередование слоёв материалов с различными диэлектрическими кон- стантами. Исторически к этому классу структур относятся распределённые брэгговские отражатели (Distributed Bragg Reflectors, DBR) – многослойные диэлектрические зеркала, которые сыграли ключевую роль в развитии полупроводниковой оптоэлектроники. Огромное значение в этом смысле имеют работыЖореса Ивановича Алфё- рова и его школы по созданию гетеро- структур на основе полупроводниковых соединений. Хотя классические гетерострукту- ры Алфёрова не являются фотонными кристаллами в строгом смысле, брэггов- ские отражатели в вертикально-излуча- ющих лазерах (VCSEL), развитие кото- Рис. 4. Фотонные кристаллы: a – 1D; b – 2D; c – 3D [27] a) b) c)