Современная электроника №9/2025

СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ 56 WWW.CTA.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 9 / 2025 в результате эксперимента была дей- ствительно продемонстрирована пол- ная трёхмерная фотонная запрещён- ная зона. Измерения подтвердили, что в определённом диапазоне частот элек- тромагнитные волны не могут распро- страняться внутри кристалла на задан- ном направлении. Как известно, важнейшее свойство электромагнитных волн заключается в инвариантности уравненийМаксвелла. Это означает, что если уменьшить все размеры структуры в N раз, то и длина волны, на которой работает фотонный кристалл, уменьшится в N раз. Это зна- чит, что структура, работающая на мил- лиметровых волнах, будет работать на инфракрасных волнах, если её период уменьшить до 1 мкм. Именно поэтому работа Яблоновича оказалась такой востребованной. Фак- тически он указал путь к созданию фотонных кристаллов для оптическо- го диапазона. Для того чтобы перейти к инфракрасному диапазону, нужно было просто заменить механическое сверле- ние на специальные методы, такие как, например: литография, ионное травле- ние, химическое травление под углом, химически-стимулированное ионное травление. Дальнейшее развитие фотонных кристаллов в основном было связано с поисками новых конструкций (3D PhC) с оптимальными полными фотонными запрещёнными зонами ФЗЗ (PBG). В работе [32] была предложена теоре- тическая концепция трёхмерной пери- одической диэлектрической структуры, состоящей из уложенных друг на друга слоёв параллельных диэлектрических стержней. Слои были смещены в повто- ряющейся последовательности, образуя структуру с полной запрещённой зоной. В этой статье приведены результаты численного моделирования зонной структуры такого фотонного кристал- ла. Было показано, что структура обла- дает полной фотонной запрещённой зоной значительной ширины и оста- ётся открытой для показателей пре- ломления n ≥ 1,9. Впервые реализовать практически такую конструкцию удалось только через четыре года. В 1998 году коллек- тив авторов под руководствомШонЮй Линя (Shawn Yu Lin) из «Национальной лаборатории Сандия» (Sandia National Laboratories) продемонстрировал пер- вый успешный 3D-фотонный кристалл, работающий в инфракрасном диапазо- не. Вероятно, уместно сказать, что это одна из крупнейших национальных лабораторий США, управляемая Мини- стерством энергетики США. В 1990-х годах Sandia была идеальным примером научно-производственной корпорации, обладая самыми передовыми техноло- гиями в мире и практически неограни- ченным бюджетом. Достаточно сказать, что Sandia была признанным лидером в области MEMS. Именно в этом НПК была разработана знаменитая техно- логия многослойной поверхностной микрообработки поликристаллическо- го кремния SUMMiT (Sandia Ultra-Planar Multi-Level MEMS Technology), позво- лившая создавать сложные трёхмер- ные микромеханические структуры. Кроме того, здесь была разработана и использовалась технология прецизион- ной химико-механической полировки микроизделий, необходимой для изго- товления планарных структур. К сере- дине 1990-х Sandia накопила огромный опыт в послойной литографии с точно- стью выравнивания слоёв лучше 50 нм и создании структур с размерами эле- ментов менее 10 нм. Такие возможно- сти позволили создать микрокристалл, состоящий из стопки стержней из поли- кремния шириной 1,2 мкм и высотой 1,5 мкм, напоминающий поленницу дров. Именно поэтому такая структу- ра получила название «Woodpile». Фотонные кристаллы были изготов- лены методом послойной литографии для создания канавок в кремниевых пластинах с последующим их запол- нением диоксидом кремния. На следу- ющем этапе проводилась полировка и добавление новых слоёв под прямым углом к предыдущим. Процесс закан- чивался травлением диоксида крем- ния и получением решётки из поли- кремниевых стержней. Шаг решётки составлял 4,8 мкм, а размеры элемен- тов были порядка ~180 нм. В результа- те экспериментов была зафиксирована запрещённая фотонная зона в диапазо- не среднего инфракрасного диапазона (10–14,5 мкм). Характерной особенно- стью было сильное затухание света (~12 дБ на элементарную ячейку). Важ- но то, что была доказана хорошая вос- производимость. Спектральный отклик был однороден с точностью лучше 1% по всей площади 6-дюймовой пласти- ны, на которой были синтезированы эти фотонные кристаллы. Типовая схема трёхмерного фотонно- го кристалла с 3D PBGWoodpile показа- на на рис. 6. Структура Woodpile формируется последовательной укладкой слоёв диэ- лектрических брусков, ориентирован- ных перпендикулярно в соседних слоях. Синие слои соответствуют основному периодическому стеку, создающему трёхмерную фотонную запрещённую зону. Красный слой показывает локали- зованный дефект (резонатор или волно- водный канал), возникающий при нару- шении периодичности в одном из слоёв и позволяющий формировать оптиче- ские моды внутри запрещённой зоны. Обзор базовых структур типа Woodpile приведён в работе [34]. В 2001 году Саджив Джон и Овидиу Тоадер предложили один из вариан- тов своих расчётов: архитектуру трёх- мерных фотонных кристаллов, полу- чившую название «Square Spiral Posts Structure – SSPS» (структура квадратных спиральных столбиков на тетрагональ- ной решётке) [35]. Структура SSPS напоминает винтовую лестницу. В отличие от предложенных ранее круговых спиралей, квадратные спирали не требуют фазового сдвига между соседними столбиками, что кри- тически важно для практической реа- лизации [36]. Структура SSPS (Square Spiral), предло- женная Джоном, базируется на модер- низированной алмазной решётке. Сама идея использования алмазной решет- ки основана на фактической аналогии между электронами в полупроводниках и фотонами в диэлектрических структу- рах. Эта аналогия позволила перенести на оптику некоторые базовые концеп- ции физики твёрдого тела, такие как, например: зонная структура, запрещён- ные зоны, дефектные состояния в запре- щённой зоне. Вместе с тем важно понимать грани- цы этой аналогии. Так, в полупроводни- ках запрещённая зона отделяет запол- ненную валентную зону от пустой зоны проводимости, что позволяет управ- лять электронным транспортом (дио- Рис. 6. Схема трёхмерного фотонного кристалла с 3D PBG Woodpile