«Наша задача — в создании лазеров как носителей информации»

© НИУ ВШЭ — Санкт-Петербург

Международная лаборатория квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ в Санкт-Петербурге занимается разработкой полупроводниковых микролазеров. Создаваемые лабораторией компоненты и системы также обеспечивают высокую скорость передачи и обработки данных. «Вышка.Главное» обсудила перспективы и направления исследований лаборатории с ее руководителем — доктором физико-математических наук Натальей Крыжановской.

— Когда была создана лаборатория?

— Лаборатория учреждена в январе 2020 года в рамках Санкт-Петербургской школы физико-математических и компьютерных наук НИУ ВШЭ распоряжением Ярослава Ивановича Кузьминова, который на тот момент занимал должность ректора.

Наталья Крыжановская

© НИУ ВШЭ — Санкт-Петербург

— Каковы главные направления исследований лаборатории?

— Основные приоритеты наших научных исследований сосредоточены на изучении свойств инновационных полупроводниковых материалов, применяемых в области оптоэлектронных устройств и систем и приборов на основе этих материалов.

— Что мы под этим подразумеваем?

— Изучение фундаментальных взаимодействий электромагнитного излучения (света) с различными полупроводниковыми структурами и создание новых оптоэлектронных устройств. К таким устройствам относятся:

 источники когерентного излучения — микролазеры, способные генерировать монохроматическое направленное излучение;

 фотодетекторы — приборы, предназначенные для регистрации интенсивности и энергии фотонов;

 модуляторы излучения — устройства, обеспечивающие изменение параметров излучения, таких как частота и амплитуда и т.д.

Основное внимание в нашей лаборатории уделяется изучению полупроводниковых материалов, обладающих прямыми межзонными переходами. Кремний, широко используемый в микроэлектронике благодаря своей доступности и технологичности, не обладает способностью эффективно испускать кванты света. Поэтому в наших исследованиях активно применяются прямозонные полупроводниковые соединения, состоящие из элементов III–V группы периодической таблицы Д.И. Менделеева: галлий, индий, алюминий и др. Такие полупроводники синтезируются передовыми методами молекулярно-пучковой эпитаксии и газофазной эпитаксии из металлорганических соединений, что позволяет формировать многослойные полупроводниковые структуры с точно контролируемыми свойствами на атомарном уровне.

— Нанотехнологии некогда были широко растиражированы, но что это такое с точки зрения ученого?

— Наука рассматривает нанотехнологии как междисциплинарную область исследований, направленную на разработку и управление материалами и устройствами на атомарном и молекулярном уровнях, размер которых составляет единицы нанометров (1 нм ≈ 10⁻⁹ м). В нашей лаборатории специфичность заключается именно в конструировании сложных многоуровневых устройств, начинающихся с атомарной точности. В модели будущей структуры учитывается распределение компонентов и толщина слоев вплоть до одной атомарной ячейки. Этот подход обеспечивает контроль свойств материала на наноуровне, позволяя варьировать состав каждого последующего нанослоя.

Далее специалисты-технологи синтезируют полупроводниковую гетероструктуру при помощи современных эпитаксиальных методов. После успешной стадии синтеза производится комплексное исследование полученной полупроводниковой гетероструктуры оптическими методами при помощи передового научного оборудования, которым обеспечена наша лаборатория. Исследуются спектральные характеристики выращенной гетероструктуры при помощи стационарной спектроскопии фотолюминесценции и спектроскопии фотолюминесценции с временным разрешением, а также исследуются спектры поглощения и пропускания света. Эти эксперименты помогают определить, достигнуты ли запланированные свойства структуры и соответствуют ли ее характеристики запланированным. Помимо разработки технологических подходов синтеза материалов с заданными свойствами, на данном этапе решаются фундаментальные задачи физики полупроводников. Например, выполняются исследования, связанные со скоростью возбуждения и релаксации носителей заряда, временем жизни и изменением концентрации носителей в объеме материала. Понимание этих аспектов служит отправной точкой для последующего проектирования и создания оптоэлектронных приборов, таких как полупроводниковые лазеры, отличающиеся высокой эффективностью и стабильностью работы.

— Что в вашем понимании означает высокая эффективность?

— Под высокой эффективностью подразумевается оптимальное сочетание свойств структуры, обеспечивающих максимальный коэффициент полезного действия устройства. В частности, это отсутствие дефектов в кристаллической структуре, которые могли бы негативно сказываться на рабочих характеристиках лазеров, таких как, например, квантовая эффективность и выходная мощность излучения. Для достижения данной цели мы систематически совершенствуем технологии изготовления, в том числе контролируем качество выращенных слоев, проводим серии экспериментов и статистический анализ результатов. Если материал не соответствует необходимым параметрам, мы детально исследуем выявленные недостатки и новые подходы для синтеза полупроводниковой гетероструктуры.

— Предположим, что полупроводник с требуемыми параметрами создан. Что дальше?

— Следующим этапом является разработка высокоэффективных миниатюрных светоизлучающих устройств, охватывающих широкий спектральный диапазон — от ультрафиолетового (УФ) до ближнего инфракрасного (ИК) излучения. Изначально, с момента открытия лаборатории в 2020 году, основное внимание уделялось исследованиям источников излучения в ближнем ИК-диапазоне. Однако благодаря проекту зеркальных лабораторий с Институтом физики НАН Беларуси у нас появилась возможность значительно увеличить разнообразие экспериментальных установок и успешно освоить создание миниатюрных излучателей света для видимого и УФ спектрального диапазона. Для создания лазеров используются специальные оптические резонаторы, обладающие способностью удерживать устойчивые резонансные состояния — замкнутые моды. Принцип работы любого лазера основан на усилении света в активной среде с помощью резонатора, обеспечивающего обратную связь и селекцию конкретных длин волн, определяющих характеристики выходного излучения.

Компактность создаваемых нами приборов достигается применением особого типа микрорезонаторов — резонаторов с модами шепчущей галереи.

— Что означает этот термин?

— Термин описывает особый вид резонансных колебаний в резонаторе лазера, называемых модами шепчущей галереи. Название заимствовано у физического явления, открытого в соборе Святого Павла в Лондоне английским ученым Джоном Уильямом Стреттом, известным также как лорд Рэлей. Этот акустический эффект проявляется в распространении звука вдоль внутренней поверхности круглой структуры (в данном случае шепчущей галереи купола собора) таким образом, что звук передается на значительное расстояние почти без потерь, т.е. даже тихий звук (шепот) слышен на другой стороне галереи. Аналогично этому в оптическом диапазоне короткие электромагнитные волны распространяются вдоль стенок кольцевого или дискового резонатора и поддерживают устойчивые колебания. Например, длина волны ультрафиолетового света в некоторых наших приборах составляет около 255 нанометров, инфракрасного — порядка 1300–1550 нанометров. Использование мод шепчущей галереи в резонаторах позволяет существенно уменьшить их размеры до размеров, сопоставимых с указанной длиной волны излучения в материале резонатора.

© НИУ ВШЭ — Санкт-Петербург

— Для чего нужны такие крошечные, незаметные человеческому глазу лазеры?

— Микролазеры представляют собой универсальные источники когерентного оптического излучения, обладающие уникальными свойствами, востребованными в различных областях науки и техники. Это передача и обработка данных, детектирование состояния окружающей среды с высокой чувствительностью. Еще, например, компактные сенсоры на основе микролазеров позволяют создавать высокочувствительные датчики, способные фиксировать мельчайшие изменения биомеханики тела, в частности изгиба суставов.

Но в основном наши исследования сосредоточены на разработке микролазеров для приема-передачи и обработки информации, а также интеграции оптических компонентов с интегральными оптоэлектронными схемами. Так, использование микролазеров в интегральной схеме позволяет повысить эффективность передачи данных путем замены традиционных металлических соединений (например, медных проводов) на оптоволоконные линии связи, обеспечивая значительное снижение потерь сигнала и повышение скорости передачи данных даже при повышенных рабочих температурах — до 80 °C.

Особое внимание уделяется реализации таких преимуществ наших лазеров в условиях ограниченных размеров интегральной схемы — например, в носимых устройствах и системах управления автономными роботами. Лазерный излучатель должен соответствовать ряду строгих требований: обеспечивать высокую эффективность преобразования электрической энергии в оптическую, сохранять стабильные рабочие характеристики при повышенной температуре эксплуатации, демонстрировать низкий уровень шумовых эффектов и точно попадать в заданный спектральный диапазон согласно конкретной задаче.

Также важным требованием является быстродействие лазера — высокая скорость реакции устройства, обеспечивающая передачу больших объемов информации с минимальными задержками. Это достигается благодаря тщательной проработке всех этапов технологического процесса — от синтеза материалов до конструирования и испытаний конкретных конструкций лазеров. Исследования направлены на выявление путей улучшения существующих решений и разработку новых конструкций, удовлетворяющих предъявляемым требованиям.

— Для чего лазер должен быть быстродействующим?

— Лазеры с высоким быстродействием необходимы для эффективной передачи больших объемов информации (гигабайт и терабайт). Они обеспечивают быструю обработку и передачу данных, позволяя поддерживать высокие скорости коммуникации. Например, современные пассивные оптические компоненты в фотонных интегральных схемах способны функционировать на частотах около 100 ГГц, поэтому требуется разработка активных элементов, обеспечивающих общую производительность системы. Поэтому разработка быстродействующих устройств является очень важной, востребованной задачей. Сегодня эта проблема частично решается использованием специальных модуляторов, которые позволяют изменять интенсивность лазерного излучения на высоких скоростях. Однако дальнейшее повышение требований к стабильности и надежности потребует новых решений, включая создание компактных высокоэффективных источников лазерного излучения, разработкой которых и занимается наша лаборатория.

— То есть ускорить обработку информации?

— Основная задача нашей лаборатории заключается именно в создании лазеров, способных эффективно и быстро обрабатывать оптические сигналы, как носителей информации. Мы планируем встраивать наши устройства непосредственно в фотонные интегральные схемы, обеспечивая высокую стабильность и надежность обработки сигналов. Специализация нашего коллектива направлена на разработку инновационных источников света, совместимых с современными интегральными схемами. В отличие от вертикально-излучающих лазеров, наша технология обеспечивает вывод лазерного излучения прямо на плате, минуя необходимость использования зеркал или сложных переходников, что повышает эффективность интеграции и снижает вероятность механических дефектов. Такой подход открывает перспективы для внедрения новых технологий в области быстрой оптической обработки информации, таких как развитие оптических компьютеров и датчиков, способных регистрировать изменения среды путем мониторинга характеристик лазерного излучения.

© НИУ ВШЭ — Санкт-Петербург

— Каковы особенности микролазеров?

— Микролазеры обладают уникальной способностью изменять свое спектральное излучение при взаимодействии с биологическими молекулами, адсорбированными на их поверхности. Эта особенность позволяет создавать высокочувствительные биосенсоры, способные обнаруживать минимальные концентрации интересующих веществ благодаря селективному связыванию целевых молекул и последующему изменению характеристик выходящего излучения. Кроме того, микролазеры характеризуются чувствительностью к внешним условиям, включая температуру, давление и химический состав окружения. Это свойство особенно важно при разработке устройств для обнаружения малых концентраций биомолекул, поскольку оно обеспечивает высокую точность измерений даже при низких уровнях сигнала. Как отмечалось выше, микролазеры также представляют значительный интерес в области интеграции с кремниевыми фотонными интегральными схемами. Такие схемы содержат элементы, управляющие распространением света (например, волноводные модуляторы, переключатели и зеркала), однако отсутствие встроенного источника когерентного излучения ограничивает возможности этих устройств. Создание миниатюрных лазеров, совместимых с такими платформами, позволит существенно расширить функциональность и производительность интегрированных систем. Примером успешного внедрения технологии является участие нашей лаборатории в проекте «Квантовый акселератор», организованном «Росатомом» и направленном на разработку приложений для квантовых технологий. Там были продемонстрированы преимущества нашего подхода к созданию компактных, высокоэффективных и надежных источников лазерного излучения, оптимизированных для нужд современной области квантовых вычислений, основанной на принципах квантового бита. По результатам участия в проекте мы заняли первое место, что подтверждает лидирующую роль нашей лаборатории в исследованиях микролазеров.

— Как в вашей работе сочетаются фундаментальная наука и прикладные исследования?

— Наш научный подход основан на сочетании теоретического анализа и экспериментальных разработок, направленных на создание инновационных технологий. Одной из основных целей нашей лаборатории является формирование научной школы мирового уровня, ориентированной на изучение спектроскопии полупроводников и разработку высокоэффективных лазерных приборов. Мы также активно сотрудничаем с другими научными коллективами из России и союзных государств, ищем совместные проекты и реализуем разработанные нами методы в реальных устройствах, помогаем с научными исследованиями нашим коллегам из других лабораторий, когда у них недостаточно ресурсов для полноценного анализа. В нашей лаборатории была создана уникальная научная установка, оснащенная современным оборудованием, которое позволяет нам проводить высокоточные измерения характеристик полупроводниковых материалов и приборов на их основе. Можно сказать, что наш труд направлен на формирование надежного научного базиса, обеспечивающего создание качественно новых поколений высокоэффективных и конкурентоспособных приборов. Помимо сотрудничества с различными научными коллективами, мы планируем в дальнейшем сотрудничать с индустриальным партнером для разработки конкретных лазеров и устройств, тем самым еще сильнее расширяя поле для прикладных применений наших разработок.

— Можно ли объяснить обывателю, чье знание физики ограничено фрагментами школьного курса, цели работы лаборатории?

— Основная задача лаборатории заключается в разработке миниатюрных излучателей и лазерных устройств, обладающих способностью эффективно преобразовывать электрическую энергию в интенсивное направленное оптическое излучение. Наши усилия сосредоточены на создании надежных и устойчивых источников света, способных функционировать в том числе в экстремальных условиях окружающей среды.

— Ряд работ сотрудников вашей лаборатории посвящены снижению потерь энергии в лазерах. Насколько предложенные ими методы позволят сократить эти потери и как это повлияет на мощность лазеров и потребление энергии?

— Исследования, проводимые сотрудниками нашей лаборатории, направлены на разработку методов снижения энергетических потерь в лазерных системах. Уменьшение таких потерь способствует существенному уменьшению пороговых токов, однако при низких потерях может наблюдаться и снижение излучательной способности лазера. Основная цель нашего коллектива заключается в поиске оптимального компромисса, обеспечивающего повышение выходной мощности лазерного излучения без увеличения потерь и с сохранением прочих важных характеристик, таких как пороговый ток генерации и ширина спектральных линий.

— С помощью каких материалов и процессов предполагается улучшить их характеристики?

— Для улучшения характеристик разрабатываемых устройств используются полупроводниковые материалы, состоящие преимущественно из соединений элементов III–V группы периодической таблицы Менделеева, таких как арсенид галлия, фосфид индия и нитрид галлия, а также арсенидные, фосфористые и нитридные составы различной степени многокомпонентности. Применяя их, мы формируем специфичные наноструктурные конфигурации, такие как квантовые ямы, квантовые точки и сверхрешетки. Данные наноструктуры обладают уникальными физическими свойствами, способствующими значительному улучшению рабочих характеристик создаваемых приборов.

— Еще одна, как представляется, крайне интересная тема — кодирование информации с помощью лазера.

— Кодирование информации посредством лазерного излучения представляет значительный интерес ввиду уникальных особенностей оптического сигнала. Использование лазерных лучей открывает новые перспективы в передаче информации, управляя интенсивностью, частотой (длиной волны), поляризацией излучения и т.п. Эти свойства делают возможным значительно большее количество способов кодирования по сравнению с традиционными методами, основанными на электрических сигналах. Важным преимуществом оптических сигналов является также отсутствие взаимодействия пересекающихся световых потоков, что обеспечивает сохранение целостности информации при параллельном прохождении множества каналов передачи данных одновременно. Такая особенность позволяет создавать компактные и эффективные коммуникационные сети с повышенной плотностью размещения каналов и увеличенной пропускной способностью системы передачи данных.

— Ваши исследования связаны с обработкой больших массивов информации. Используете ли вы в работе искусственный интеллект?

— В настоящее время применение инструментов искусственного интеллекта в рамках наших исследований ограничено вследствие недостаточной точности и надежности решений, предоставляемых существующими моделями машинного обучения. Для использования ИИ в работе нашей лаборатории необходима дополнительная подготовка моделей искусственного интеллекта, направленная на улучшение их производительности и адаптации к специфическим требованиям решаемых нами научных задач.

© НИУ ВШЭ — Санкт-Петербург

— Какими научными достижениями и проектами коллег вы гордитесь?

— Они дают мне множество поводов для гордости! У нас очень молодой коллектив, но это удивительно мотивированный коллектив единомышленников, увлеченных наукой и стремящихся покорять вершины знаний. Они постоянно участвуют в различных конкурсах и конференциях, откуда привозят дипломы и награды, выигрывают гранты, в том числе РНФ. Недавно несколько сотрудников защитили кандидатские диссертации, это для нас тоже большая радость! Что касается конкретных научных достижений, надо сказать, что у нас наука коллективная, каждое достижение является результатом коллективного труда всех сотрудников лаборатории. Это совокупный вклад, который рождается из многих факторов: доброжелательной атмосферы взаимовыручки и поддержки, правильной постановки задач, обработки огромных объемов данных. Поэтому любой научный результат, в том числе публикации и статьи в ведущих журналах, создание новых материалов или интересный эксперимент, — результат работы всей нашей лаборатории — от студента до научного руководителя лаборатории, который помогает нам найти фарватер и направление для работ и идей. Нас всех объединяет великая честь быть последователями знаменитого физика, академика и лауреата Нобелевской премии Жореса Ивановича Алферова. Именно он заложил основы той особой атмосферы сотрудничества и стремления к знаниям, которая царит в нашем коллективе.

— Какова ключевая цель проекта «Зеркальные лаборатории», в рамках которого вы сотрудничаете с Южным федеральным университетом?

— Проект «Зеркальные лаборатории», реализуемый совместно с Южным федеральным университетом, направлен на изучение и развитие эпитаксиальных технологий, основанных на модификации поверхностей материалов с применением метода фокусированных ионных пучков. Эта инновационная технология обладает значительным потенциалом для формирования высокоэффективных оптоэлектронных компонентов, позволяющих осуществлять контроль над ключевыми параметрами материала на наноразмерном уровне, открывая новые горизонты для синтеза и структурирования материалов с заданными характеристиками.

Еще одной целью нашего совместного проекта является разработка наноизлучающих устройств, генерирующих отдельные фотоны и кванты света. Также рассматривается возможность использования трехмерной модификации показателей преломления материалов, что достигается путем последовательного послойного роста эпитаксиальной структуры с последующим воздействием ионных пучков. Такой подход позволяет достигать существенных изменений свойств материалов не только в поверхностных слоях, но и в объеме, открывая пути для разработки принципиально новых оптоэлектронных приборов и систем.

— У вашей лаборатории есть совместный проект с центром «Широкозонная нано- и микроэлектроника» Института физики имени Б.И. Степанова НАН Беларуси. Расскажите, пожалуйста, о его приоритетных направлениях.

— Этот совместный проект ориентирован на исследование и разработку микролазеров на основе широкозонных полупроводниковых материалов, таких как нитрид галлия. Сотрудничество с белорусскими учеными предоставляет уникальную возможность углубленно изучать процессы эпитаксиального выращивания и оптимизации свойств III-N-соединений в контексте применения в микроизлучателях. Этот проект успешно реализуется уже два года. В частности, наши исследователи разработали миниатюрные оптические микролазеры диаметром около 2 мкм, излучающие свет в ультрафиолетовом диапазоне. Подобные устройства представляют большой интерес для мирового сообщества ученых, работающих в данной области, результаты совместных исследований сейчас выходят на мировой уровень. Немаловажной особенностью исследуемых нами совместно с белорусскими коллегами материалов является их устойчивость к воздействию радиации, температуры и агрессивных химических сред, что делает их незаменимыми компонентами в различных приложениях.

© НИУ ВШЭ — Санкт-Петербург

— Как сейчас складывается международное научное сотрудничество? Насколько активно вы и ваши сотрудники участвуете в конференциях за рубежом?

— Международное научное сотрудничество претерпевает определенный этап трансформации в современном контексте. Несмотря на существующие ограничения, наша лаборатория остается активными участником международных конференций и мероприятий, проходящих в России. Сейчас международные контакты нашей лаборатории имеют тенденцию смещаться в сторону Азии, в частности Китая, где проводятся конференции, мероприятия и организуются коллаборации с местными исследовательскими группами.

— Как результаты работы лаборатории используются в учебном процессе?

— Достижения и научные результаты, полученные в нашей лаборатории, находят широкое применение в образовательном процессе. Сотрудники лаборатории ведут активную преподавательскую деятельность, интегрируя новейшие научные знания в учебные курсы как базовых дисциплин, так и специализированных предметов. Наши студенты имеют возможность знакомиться с современными тенденциями развития науки непосредственно на лекционных занятиях и практических семинарах, что стимулирует их профессиональный рост и повышает качество подготовки кадров.

— Насколько активно в деятельности лаборатории участвуют студенты и аспиранты?

— Мы всегда рады студентам, которые приходят к нам на научно-исследовательскую работу. Студенты и аспиранты играют значительную роль в деятельности нашей лаборатории, принимают активное участие в выполнении текущих научных проектов и грантов. Молодым исследователям предоставляется уникальная возможность интегрироваться в научную среду, овладеть необходимыми теоретическими знаниями и приобрести ценные практические навыки, работая с современным оборудованием. Процесс включения молодежи в научные исследования требует определенного времени и усилий, но именно такая практика служит основой для дальнейшего профессионального становления и карьерного роста молодых ученых.