Современная электроника №9/2025

СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ 55 WWW.CTA.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 9 / 2025 рых во многом базировалось на идеях Алфёрова, представляют собой имен- но одномерные фотонные кристаллы. Одномерные фотонные кристаллы – это многослойные структуры из чере- дующихся слоёв материалов с высоким и низким показателями преломле- ния. Типичная структура DBR на осно- ве GaAs/AlAs содержит 20–40 пар слоёв, причём толщина каждого слоя точно составляет λ/4n (где λ – длина волны све- та, n – показатель преломления мате- риала). Такие структуры способны обе- спечить коэффициент отражения более 99,9% в определённом диапазоне длин волн. Об этоммы достаточно подробно писали в СОЭЛ № 1–2, 2025. Фотонные кристаллы 1D не обеспечи- вают полной фотонной запрещённой зоны, но находят широкое применение благодаря простоте изготовления [28]. Двумерные фотонные кристаллы (2D PhC) характеризуются периодич- ностью в двух направлениях при одно- родности в третьем. Существуют два основных типа таких структур: стерж- невого типа, где диэлектрические эле- менты (стержни) расположены в возду- хе, и «пустотного» типа с воздушными отверстиями, созданными в диэлектри- ческой матрице. Каждый тип оптими- зирован для определённой поляриза- ции света. Стержни лучше работают для TE-поляризации, а отверстия – для TM-поляризации. Введение линейных дефектов в такие структуры создаёт волноводы, демон- стрирующие эффект замедления све- та, который используется в сенсорных приложениях и устройствах обработки оптических сигналов. Трёхмерные фотонные кристаллы (3D PhC) с периодичностью во всех трёх измерениях способны создавать полную фотонную запрещённую зону. Несмотря на преимущества, 3D- структуры оставались сложными в изготовлении. В конце 1980-х Яблонович продолжал поиски идеального материала для твер- дотельных лазеров, поддерживающих излучение на одной определённой вол- не и запрещающих на других частотах. В 1987 он со своим немецким коллегой Т. Гмиттером опубликовал чисто теоре- тическую статью с описанием возмож- ной конструкции фотонного кристалла в трёхмерно-периодической диэлектри- ческой структуре с ГЦК-решёткой (Three Dimensionally Periodic Face Centered Cubic – FCC) [29]. Они предлагали ЦК из пластика, в котором равномерно по все- му объёму были расположены сфери- ческие полости, занимавшие по объё- му более 86%. Однако тщательный теоретический анализ и попытки повторить экспери- мент другими группами показали, что в этой конструкции с FCC обнаружен- ные Яблоновичем аномалии относи- лись скорее к «псевдощели», где рас- пространение света затруднено, но не запрещено полностью. Причина неу- дачи Яблоновича (1989) заключалась в так называемом вырождении в точ- ке W зоны Бриллюэна, которое озна- чает, что две энергетические полосы в зонной структуре соприкасаются друг с другом. Поскольку между ними нет ФЗЗ, свет может проходить между соприка- сающимися зонами. В 1990 году Чан, Хо и Соколис, исполь- зуя метод PWE – Plane-Wave Expansion (разложения по плоским волнам), решили уравнения Максвелла для рас- пространения электромагнитных волн в периодической решётке диэлектри- ческих сфер. Их теоретические расчё- ты показали неожиданный резуль- тат. В то время как FCC-структуры из диэлектрических сфер, использован- ные Яблоновичем, не обладают полной трёхмерной фотонной запрещённой зоной, диэлектрические сферы, распо- ложенные в узлах алмазной решётки (но масштабированной до оптических размеров), действительно демонстри- руют полнуюфотонную запрещённую зону. В первом приближении их идея структуры заключалась в том, чтобы взять кристаллическую решётку алма- за и адаптировать её под длины волн электромагнитного излучения. Они показали, что в таких конструк- циях запрещённая зона может воз- никать уже при достаточно низком контрасте показателей преломления (всего 2:1) [30]. Основной целью этой работы была демонстрация преиму- ществ алмазной геометрии: низкий порог контраста диэлектрической про- ницаемости, необходимый для откры- тия полной запрещённой зоны (ε = 4); высокая устойчивость к структурным дефектам; большая относительная ширина запрещённой зоны 15% (по сравнению с 5% для FCC). Учитывая свои неудачные расчё- ты конструкций, а также работы дру- гих авторов, Эли Яблонович со своими коллегами Т. Гмиттером и теоретиком К.М. Лиёнгом предложили в 1991 году новую конструкцию фотонного кри- сталла, в которой сферические поло- сти были заменены на цилиндриче- ские [31]. В отличие от изотропной сферы, ани- зотропный цилиндр имеет одно огра- ничение вдоль оси. В результате пони- женная симметрия цилиндра приводит к снятию вырождения в точке W зоны Бриллюэна. В этой конструкции важ- но было то, что форма и геометрия кри- сталла были выбраны в соответствии с алмазной схемой решётки. Предложенная Яблоновичем теоре- тическая структура представляла собой две взаимопроникающие FCC-решетки, смещённые друг относительно друга на четверть диагонали куба. Однако такую структуру было не очень просто изгото- вить. Для работы в микроволновом диа- пазоне Яблонович предложил «метод трёх наклонных сверлений», схема которого показана на рис. 5. Фотонный кристалл с такой структу- рой позже получил название «яблоно- вит» (Photonic Crystal Yablonovite). При изготовлении «яблоновита» в кристалле диэлектрика с диэлектриче- ской проницаемостью около 12 (близ- кой к кремнию) сначала высверлива- лись отверстия диаметром 6 мм под угломмежду диагональю куба и одной из его граней 35,26°. В каждой точке про- сверливаются три отверстия, направле- ния которых при взгляде сверху образу- ют углы 120° друг относительно друга. В результате эти наклонные цилиндри- ческие отверстия пересекались внутри материала, образуя сложную трёхмер- ную структуру. Геометрия этих пересе- чений создавала решётку, напоминаю- щую структуру алмаза. В результате эксперимента был полу- чен фотонный кристалл, для которого Рис. 5. Схема изготовления первого квантового кристалла «яблоновит»