Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ ИМ. А.В. РЖАНОВА
Сибирского отделения Российской академии наук
НОВОСТИ
19.11.15
От космической фотосенсорики до квантовой однофотоники

В начале октября в течение пяти дней в Доме ученых СО РАН проходила российская конференция (с участием иностранных ученых) по актуальным проблемам полупроводниковой фотоэлектроники «Фотоника-2015», организованная Институтом физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН.

На форуме обсуждались результаты и проблемы развития в области фотоэлектроники на основе полупроводниковых соединений А3В5, А2В6 и элементарных полупроводников.

Проведение конференций «Фотоника» организовано так, чтобы на одной площадке работали вместе представители фундаментальной и прикладной науки, ученые из научных организаций, вузов, представителей промышленности и конечных пользователей. В выбранном подходе представляемые результаты фундаментальных исследований связаны либо с существующими перспективными областями прикладных разработок, либо с открывающимися новыми областями применений.

В форуме участвовали 166 научных сотрудников, инженеров, технологов и руководителей 46 институтов, научно-производственных предприятий и объединений из Москвы, Новосибирска, Санкт-Петербурга, Нижнего Новгорода, Владивостока, Львова, Минска, Красноярска, Томска, Зеленограда, Ижевска, Казани, Мытищ, Омска, Самары, Черноголовки, а также из Польши, Франции, Беларуси, Украины, Китая. Это уже четвертая «Фотоника» с широкой географией форума.

Формат конференции предусматривал устные и стендовые доклады (число заслушанных и обсужденных составило 156). Также прошли совещания, переговоры, демонстрации разработок, натурные испытания на полигоне, экскурсии в институты СО РАН. Основные направления работы конференции связаны с методами и технологиями получения эпитаксиальных фоточувствительных гетероструктур на основе CdHgTe, PbSnTe, A3B5, включая A3-нитриды, Si/Ge и других систем, разработок на их основе фотоприемников, обеспечивающих регистрацию слабых сигналов электромагнитного излучения в ультрафиолетовом, инфракрасном, терагерцовом и видимом диапазонах спектра, созданием быстродействующих моно- и многоспектральных систем, разработок светодиодов, лазеров, СВЧ-транзисторов, оптоэлектронных устройств и приборов мощной СВЧ электроники.

Важное направление, представленное на конференции — космическая фотосенсорика, решающая задачи создания фотоэлектронных изделий, предназначенных для мониторинга поверхности суши и океана, обнаружения летательных аппаратов, объектов на фоне Земли, контроля космического пространства, обнаружения космических объектов с Земли. На космические платформы возлагается ряд задач как в области обороны и безопасности страны, так и народнохозяйственных задач — разведка полезных ископаемых, мониторинг сельскохозяйственных площадей, обнаружение техногенных катастроф, гидрометеорология, которые решаются на основе оптико-электронных систем, работающих во всех диапазонах электромагнитного излучения (И.Д. Бурлаков, АО «НПО Орион», Москва).

Интересный подход наноструктурирования поверхности материалов методом лазерной нанолитографии, представленный академиком Ю.Н. Кульчиным (ИАПУ ДВО РАН), заключается в воздействии остросфокусированными короткими и сверхкороткими лазерными импульсами, что позволяет формировать упорядоченные массивы наностержней, наноколец, наноотверстий для современной нанофотоники.

Среди активно обсуждаемых событий конференции — доклады по разработке и изготовлению инфракрасных матричных фотоприемных устройств для спектральных диапазонов 3—5 мкм и 8—12 мкм на основе разработанной технологии эпитаксии теллурида кадмия и ртути со специальным пространственным распределением состава по толщине на подложках кремния (ИФП СО РАН).

Член-корреспондент РАН В.М. Устинов (ФТИ им. А.Ф. Иоффе) представил доклад по разработке быстродействующего вертикально-излучающего лазера спектрального диапазона 850 нм, который широко применяется в оптоволоконных системах связи на короткие и длинные дистанции. В последние годы значительный интерес вызывает поиск оптимальных конструкций таких лазеров для передачи данных на скоростях до 25 Гбит/с и выше. Таких значений скоростей передачи данных удалось достичь на основе напряженных квантово-размерных гетероструктур InAlGaAs в матрице AlGaAs на дистанцию более 100 м по многомодовому оптическому волокну.

Член-корреспондент РАН А.Е. Жуков (Санкт-Петербургский академический университет) показал возможность повышения температурной стабильности и улучшения параметров лазеров с асимметричными барьерными слоями.

ИФП СО РАН представил разработку неклассических излучателей одиночных фотонов с токовой накачкой одиночных InGaAs квантовых точек, селективно позиционированных в пределах апертуры полупроводникового Брэгговского микрорезонатора. Такие излучатели, как и излучатели фотонных пар, запутанных по поляризации, — перспективная элементная база для квантовых вычислений.

Среди знаменательных событий конференций следует отметить доклад академика С.В. Гапоненко (Институт физики им. Б.И. Степанова, НАН Беларуси) о перспективах коллоидной оптоэлектроники. Современная коллоидная химия позволяет синтезировать нанокристаллы полупроводниковых, металлических и диэлектрических материалов, структуры типа ядро-оболочка, а также плотно упакованные ансамбли нанокристаллов. Квантово-размерные эффекты в полупроводниковых нанокристаллах с размером порядка 2—20 нм и структурах «ядро-оболочка» являются основой для разработки оптических фильтров, лазерных затворов для получения нано- и пикосекундных импульсов в твердотельных лазерах, люминофоров, преобразователей спектра, светодиодов, лазеров; электрооптических модуляторов; солнечных элементов; фототранзисторов.

Важным представляются экспериментальные и теоретические исследования квантовых систем и квантовых эффектов, оптических и фотоэлектрических явлений, включая квантование плазменных колебаний в полупроводниковых наноструктурах. В числе ярких сообщений — доклад чл.-корр. РАН Д.Р. Хохлова (МГУ) о методе детектирования протяженных поверхностных электронных состояний, включая топологические, основанном на измерении фотоэлектромагнитного эффекта с использованием импульсного терагерцового лазерного излучения.

В докладе чл.-корр. РАН А.А. Андронова (Институт физики микроструктур РАН) продемонстрированы новые лазеры на основе сверхрешеток GaAs-GaAlAs с барьерами - Ванье-штарковские лазеры. Эксперименты, расчеты показывают, что при оптимизации параметров сверхрешетки подобные структуры могут стать основой для источников излучения на частотах от ГГц до ТГц. Сообщалось о разработке фотодетекторов на основе гетероструктур Ge/Si с германиевыми квантовыми, фотоотклик которых связан с оптическими переходами из связанных состояний в квантовых точках в состояния континуума (ИФП СО РАН).

В докладе В.И. Гавриленко (Институт физики микроструктур РАН) продемонстрированы лазерные эффекты дальнего ИК диапазона на основе узкозонных полупроводников и гетероструктур с квантовыми ямами, технологию получения которых отрабатывают в ИФП СО РАН. Были получены обнадеживающие экспериментальные результаты, предсказывающие продвижение в дальний ИК диапазон вплоть до 50 мкм. На основе анализа инжекции свободных низкоэнергетических спин-поляризованных электронов в полупроводники А3В5 показана возможность создания спин-детектора свободных электронов с пространственным разрешением для использования в современных энергоанализаторах электронов, в частности, в методе фотоэмиссии с угловым.

На конференции «Фотоника-2015» появились две новые научные секции.

Одна связана с терагерцовыми полупроводниковыми приемниками и излучателями. Потенциальные возможности Новосибирского лазера на свободных электронах для исследований в области длин волн 240 — 5 мкм были представлены академиком Г.Н. Кулипановым (ИЯФ СО РАН). Работа лазера базируется на ускорителе-рекуператоре с максимальной энергией электронов до 50 Мэв. Рекуперация позволяет снизить радиационную опасность установки, повысить средний ток в ускорителе и, в результате, иметь рекордные параметры пучков лазерного излучения в терагерцовом диапазоне. Заметим, что терагерцовые эффекты в полупроводниках обсуждались во многих секциях.

Другая — с физическими основами элементной базы радиофотоники. Обзорный доклад Ю.Н. Вольхина (ОАО «ЦКБА», г. Омск) рассказывал о создании современной элементной базы для полупроводниковой радиофотоники, основанной на взаимодействии оптических и высокочастотных электрических полей для обработки широкополостных СВЧ сигналов. Конкретные макеты по оптическим модуляторам и схемам обработки сигналов представили докладчики из институтов СО РАН.

Безусловный интерес представителей промышленности вызвали доклады по разработке солнечных элементов для космического базирования, полупроводниковых преобразователей длинноволного в коротковолновое излучение, полупроводниковых излучатели ближнего и дальнего ИК-диапазонов, тепловизионных многоспектральных приборов и комплексных устройств ночного видения.

На конференции составлялись планы совместных исследований с академическими институтами и университетами, проводились обсуждения совместных с промышленностью перспективных разработок, согласовывались техзадания для демонстрации технических возможностей фотоприемников потенциальным партнерам.

В решении конференции отмечалось, что имеются все необходимые условия для разработки технологии полупроводниковых материалов для фотоприемников современного поколения: увеличение формата и быстродействия фотоприемников, создание мультицветных фотоприемников в средней, дальней ИК и терагерцовой областях спектра с адаптивно регулируемым спектральным фотооткликом приложенным напряжением, создание неохлаждаемых фотоприемников, особенно в дальней ИК-области и разработка фотоприемных устройств на основе фотоприемников современного поколения.

По отзывам участников, на конференции информация о научных достижениях и уровне технологий в полупроводниковой фотонике доставалась «из первых рук», а не по научным статьям, которые выходят, как правило, с опозданием. Поэтому происходящие здесь встречи и совместные обсуждения интересны как с научной точки зрения, так и с практической.

Форум, организованный ИФП СО РАН, стал авторитетной площадкой по обсуждению новейших направлений полупроводниковой нанофотоэлектроники на основе квантово-размерных систем и развития отечественных фотоэлектронных технологий, связанных с регистрацией сверхслабых оптических сигналов в ультрафиолетовом, инфракрасном, терагерцовом и видимом диапазонах, создание быстродействующих моно и многоспектральных фоточувствительных систем. Конференция «Фотоника» расширяет границы полупроводниковой фотоэлектроники от космической фотосенсорики до квантовой однофотоники.

А.В. Латышев, А.В. Двуреченский, А.В. Каламейцев
Фото В.Н. Яковлева

источник: "Наука в Сибири"