Название:Квантовые каскадные лазеры для систем связи, визуализации и спектроскопии в терагерцовом и среднем инфракрасном диапазонах
Грантодатель:Гранты РНФ
Область знаний:02 - Физика и науки о космосе
Научная дисциплина:02-202 - Полупроводники
Ключевые слова:Квантово-каскадные лазеры, терагерцовое излучение, средний инфракрасный диапазон, беспроводная оптическая связь, гиперспектральная визуализация, спектроскопия
Время действия проекта:2021-2024
Тип:исследовательский
Руководитель(и):Соколовский,ГС
Подразделения:
Код проекта:21-72-20007
Квантово-каскадные лазеры (ККЛ), основанные на межподзонных переходах электронов в зоне проводимости гетероструктур на основе полупроводниковых соединений III и V групп, являются уникальными источниками излучения среднего ИК и ТГц диапазонов, в которых за счет вариации толщин слоев и выбора гетеропары можно перестраивать частоту генерации от 100 до 11 ТГц и от 5 до 1 ТГц с выходной мощностью более 1 Вт. Высокая эффективность и компактность современных ККЛ делают данные источники крайне привлекательными для широкого спектра прикладных задач, что в свою очередь накладывает определенные требования, как к характеристикам ККЛ, так и к поиску новых научно-технических решений по созданию систем на основе ККЛ. Реализация заявленного проекта позволит России занять лидирующие позиции в мире в области разработки ККЛ среднего ИК и ТГц диапазонов и их применения в системах связи, визуализации и спектроскопии. В состав творческого коллектива участников данного проекта входит автор идеи ККЛ акад. Р.А. Сурис, а также ведущие научные группы в области создания таких устройств в России из ФТИ им. Иоффе РАН, ИСВЧПЭ РАН, СПбАУ РАН им. Ж.И. Алфёрова, ИФМ РАН, НТЦ Микроэлектроники РАН и МГУ им. М.В. Ломоносова. Участниками настоящего проекта созданы отечественные ККЛ как среднего ИК, так и ТГц диапазона, изготовленные и исследованные в России (рост методом молекулярно-пучковой эпитаксии, постростовой процессинг, измерение излучательных характеристик), демонстрирующие конкурентоспособные характеристики по сравнению с аналогичными по дизайну зарубежными образцами ККЛ. В частности, в ККЛ, излучающих вблизи 4.6 мкм, продемонстрирована пиковая мощность свыше 10 Вт, а при генерации в области 8 мкм - более 13 Вт, что является мировым рекордом для ККЛ на этой длине волны. Продемонстрированы отечественные ТГц ККЛ с максимальными рабочими температурами более 130 К и шириной полосы генерации 400 ГГц с центральной частотой около 4.3 ТГц. Уникальность коллектива участников проекта заключается в его взаимодополняемости, что обеспечивает целостность и необходимо для решения поставленных в проекте задач. В проекте поставлен широкий спектр задач, которые на данный момент не решены научным сообществом. Для создания одномодовых и одночастотных ККЛ с большим коэффициентом подавления боковых мод впервые предлагается использовать распределенную обратную связь на основе модуляции усиления. Впервые ставятся задачи изучения динамики изменения электронной компоненты диэлектрической проницаемости в ККЛ и определения механизмов, отвечающих за перестройку частоты мод ККЛ. Будут разработаны оригинальные зонные схемы активной области ККЛ типа “фонон-фотон-фонон” и “фотон-фотон-фонон”, а также впервые решена задача обеспечения фазового синхронизма для генерации ТГц излучения на разностной частоте в двухчастотном ККЛ среднего ИК диапазона. Одновременно с этим в проекте впервые будут изучаться физические основы образования ширины линии генерации и частотных шумов в ККЛ. Впервые предлагается создать на основе отечественных ККЛ методики спектроскопии высокого разрешения одновременно в среднем ИК и ТГц диапазонах на основе ККЛ, что позволит качественно увеличить достоверность распознавания спектральных маркеров. Методы анализа компонентного состава выдыхаемого человеком воздуха в настоящее время активно разрабатываются ведущими мировыми научными группами для создания неинвазивной медицинской диагностики ряда социально-значимых заболеваний на ранних стадиях, и ТГц спектроскопия позволяет дополнить существующие в настоящее время методы исследования выдыхаемого воздуха, основанные на ИК спектроскопии. Исследование паров биологических жидкостей и тканей, продуктов их термораспада методами спектроскопии высокого разрешения ТГц и ИК диапазона является совершенно новым подходом в мировой практике. Будет реализована концепция «лазерного обоняния» с целью анализа качества продуктов питания и технологического контроля химических и биохимических процессов, в т.ч. с пространственным разрешением для гиперспектральной визуализации. Впервые в проекте будет проведено теоретическое и экспериментальное изучение и реализована оптическая связь на основе ККЛ в области окон прозрачности атмосферы 3-5 мкм и 8-15 мкм. Такие линии связи необходимы в первую очередь там, где прокладка проводных линий невозможна или нецелесообразна. Их несомненным преимуществом является высокая безопасность и помехозащищённость в силу уменьшения на 3-4 порядка релеевского рассеяния на тумане, облаках, дыме и других преградах, непреодолимых в видимом диапазоне. Соответствие результатов проекта передовому уровню исследования подтверждают близкие по тематике европейские проекты Nano-Tera Irsens II, Teracomb, UltraQCL направленные на создание газовых спектроанализаторов и спектроскопии высокого разрешения на основе ККЛ. Таким образом, полученные в ходе выполнения проекта результаты будут новыми, соответствующими мировому уровню и определяющими его по отдельным направлениям.

Ожидаемые результаты

В ходе реализации предлагаемого проекта будет решен широкий круг научных задач и получены фундаментальные результаты, которые обеспечат значительный прогресс в разработке и исследовании квантовых каскадных лазеров (ККЛ) среднего ИК и ТГц диапазонов и развитие их применений в системах биомедицинской диагностики, беспроводной оптической связи, гиперспектральной визуализации, мониторинга окружающей среды, для систем неразрушающего контроля, обеспечения безопасности и противодействия терроризму и других важных приложений, характеризуемых первостепенной научной и общественной значимостью и имеющих перспективы стремительного развития в ближайшие годы. Планируемые результаты проекта соответствуют передовому уровню исследований в мире и могут быть разделены на несколько тематических групп: Расширение спектрального диапазона и увеличение выходной мощности и ККЛ - Будет проведен расчет внутренних оптических потерь для ТГц ККЛ с двойным металлическим и поверхностно-плазмонным волноводами на основе Au, Cu, Ag и других металлов. Будет разработана методика непосредственного измерения внутренних оптических потерь в ККЛ среднего ИК диапазона за счет использования зондирующего излучения при прямой токовой модуляции исследуемого ККЛ и достигнуто снижение потерь за счет оптимизации профиля волновода для смещения оптической моды в сторону подложки. - Будут проведены исследования механизмов внутренних потерь в резонаторах ИК ККЛ и разработаны новые технологические подходы к формированию резонаторов, позволяющие снизить пороговые токи. - Будут разработаны новые дизайны активной области мощных двухчастотных InGaAs/InAlAs ККЛ среднего ИК диапазона с целью создания высокой плотности мощности внутри резонатора и гигантского квадратичного коэффициента преобразования на электронной нелинейности для повышения эффективности генерации разностной ТГц частоты при комнатной температуре. Будут рассчитаны волноводы с управляемой дисперсией показателя преломления, обеспечивающей фазовый синхронизм при генерации разностной ТГц частоты и высокий коэффициент вывода ТГц излучения из резонатора. Методом МПЭ будут выращены структуры сконструированных двухчастотных ККЛ среднего ИК диапазона, спроцессированы лазерные мезаструктуры и получена генерация ТГц излучения на разностной частоте. - Будет исследована динамика спектров ИК ККЛ и определены скорости нагрева активной области при различных подходах к формированию резонатора. Будут разработаны технологичные подходы к формированию резонатора ИК ККЛ, обеспечивающие эффективное охлаждение для работы в непрерывном режиме генерации. - Будут сконструированы и исследованы оригинальные зонные схемы активной области для “низкочастотных” (< 2.5 ТГц) и “высокочастотных” (> 4.5 ТГц) ККЛ на основе дизайнов “фонон-фотон-фонон” и “фотон-фотон-фонон”. Будут разработаны способы увеличения селективности инжекции электронов на верхний лазерный уровень и оптимизированы дизайны ТГц ККЛ с квантовыми ямами GaAs/AlGaAs с разной высотой барьеров (с вариацией доли Al от 10 до 40%) для подавления паразитных каналов утечки в континуум. - Будет разработана технология МПЭ роста предложенных новых конструкций многослойных гетероструктур ККЛ, работающих в широком диапазоне частот, выращены и спроцессированы структуры ККЛ и продемонстрировано расширение диапазона частот генерации. - Будут разработаны бифункциональные дизайны ТГц ККЛ, работающие при разных полярностях тока накачки, с возможностью генерации на двух и более частотах. Будут проведены исследования ТГц ККЛ с двумя каналам лазерной генерации (на двух различных частотах в зависимости от тока накачки) на основе резонансно-фононного дизайна и дизайна с непрямой накачкой электронов на верхний лазерный уровень “scattering-assisted”. Новые подходы к реализации одномодовой и одночастотной генерации, расширение спектрального диапазона перестройки и управление формой пучка ККЛ - Будет построена распределенная модель резонатора ККЛ на основе системы уравнений связанных волн для случая распределенной обратной связи (РОС) с модуляцией усиления и двухсекционного связанного резонатора (ДСР) Фабри-Перо с зазором между секциями, рассчитаны периоды РОС для лазерной генерации на заданных длинах волн. - Методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) будут выращены сконструированные лазерные структуры и изготовлены ККЛ с РОС и ДСР, исследованы спектры генерации изготовленных лазеров, определены коэффициенты подавления боковых мод. - Будут определены главные механизмы, отвечающие за перестройку частоты ТГц ККЛ при изменении амплитуды возбуждающего импульса тока. Будет исследована динамика изменения электронной компоненты диэлектрической проницаемости лазерной структуры при включении ККЛ, приводящая к изменению частоты лазерной моды, и построена модель перестройки частоты генерации для различных дизайнов ТГц ККЛ. - Будут рассчитаны собственные частоты резонатора Фабри-Перо для ТГц ККЛ с двойным металлическим и плазмонным волноводами в зависимости от геометрии резонатора, определены зависимости частоты моды от длины резонатора при ее небольших (единицы мкм) вариациях. - Будут разработаны и продемонстрированы способы перестройки частоты излучения ТГц ККЛ на основе прецизионного изменения длины резонатора и межзонной накачки одной из секций ДСР излучением ближнего ИК диапазона. - Будут проведены измерения ближнего поля ККЛ среднего ИК диапазона методами зондовой микроскопии и исследован эффект взаимодействия мод и туннелирования света между устойчивыми модами резонатора, определены зависимости устойчивой пространственной структуры поперечных мод (пространственное положение, характерные размеры, угловая расходимость, наличие/отсутствие высокодобротных мод с полным внутренним отражением) в лазерных волноводах от параметров токовой накачки. - Будет исследовано пространственное совершенство выходного излучения, определен параметр M2 и оптимизированы волноводы ККЛ для улучшения пространственных характеристик выходного излучения. Будут оптимизированы конструкции лазерного волновода для обеспечения эффективной стыковки ККЛ с оптическим волокном и созданы лазерные модули с волоконным выводом. Развитие методик использования ККЛ для систем связи, визуализации и спектроскопии - Будут исследованы механизмы уширения естественной ширины линии генерации и образования частотных шумов ККЛ среднего ИК и ТГц диапазонов с целью создания источников с высокой спектральной чистотой, разработаны прецизионные методы измерения частотных шумов лазеров в зависимости от отстройки частоты от несущей. - Будет разработана система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) для ККЛ, работающих как в непрерывном, так и, впервые, в импульсном режимах, с использованием гармонического смесителя на основе короткопериодных сверхрешеток (6-18 периодов) и высокостабильного генератора ГГц диапазона, позволяющая осуществлять как стабилизацию частоты (фазы), так и модуляцию, обеспечивающую быстрое управление частотой ККЛ. - Будет разработан газовый спектроанализатор на основе ТГц ККЛ с высокими спектральным разрешением и чувствительностью, развита методика ТГц спектроскопии высокого разрешения на основе ККЛ для биомедицинских приложений. Проведен спектроскопический анализ многокомпонентных газовых смесей биологического происхождения (выдыхаемый воздух, пары и продукты термического разложения крови и плазмы) здоровых людей и пациентов с социально-значимыми заболеваниями (диабет, онкологические заболевания и др.); -Будут проведены исследования линейной частотной модуляции спектров одночастотных ИК КЛЛ и разработаны методы плавной перестройки частоты генерации ИК ККЛ на её основе. - Будет исследована динамика спектров ККЛ, генерирующих оптические гребенки и разработаны методы экспресс диагностики газов и различных веществ, имеющих интенсивные линии поглощения в среднем ИК и ТГц диапазонах; - Будет разработана линейка ККЛ, излучающих с последовательным сдвигом по частоте для миниатюрных экспресс-спектрометров в рамках концепции «лазерного обоняния» с целью анализа качества продуктов питания и технологического контроля химических и биохимических процессов, в т.ч. с пространственным разрешением для гиперспектральной визуализации. - Будут проведены исследования модуляционных характеристик ИК ККЛ и определены максимальные частоты модуляции. Будут разработаны конструкции резонаторов ИК ККЛ и технологические подходы к их формированию, обеспечивающие максимальную частоту модуляции при сохранении необходимого уровня выходной мощности. - Будет исследована динамика включения ККЛ, механизмы, определяющих транспорт и динамику носителей заряда в активной области. Будет разработана схема комбинированного смещения, направленная на увеличение максимальной частоты модуляции ККЛ. Будут продемонстрированы беспроводные оптические линии связи на основе ККЛ прямой модуляции. Полученные в ходе выполнения проекта результаты фундаментальных исследований будут использованы при дальнейших прикладных разработках, направленных на улучшение характеристик ККЛ, необходимых для практических применений. К их числу относится в том числе повышение выходной мощности, расширение диапазона перестройки частоты, повышение стабильности и сужение ширины линии генерации, улучшение направленности излучения. Развитые методики использования ККЛ для спектроскопии, оптических систем связи, гиперспектральной визуализации станут заделом для прикладных исследований и разработок, востребованных для применений в промышленности, медицине, сельском хозяйстве, системах связи и для обеспечения безопасности. Вклад проекта в эффективное и экологически чистое сельское хозяйство определяется возможностью дистанционного контроля заболеваний растений методами газовой спектроскопии в среднем ИК и ТГц диапазонах, позволяющей анализировать «запахи» растений. Это позволит сделать сельское хозяйство более экологически рациональным и безопасным, избегая неоправданного применения пестицидов в защите сельскохозяйственных культур. Развиваемая в проекте методика поиска спектральных маркеров заболеваний и гниения при хранении зерна (пшеницы и др.) с использованием как ТГц ККЛ, так и ККЛ среднего ИК диапазонов также внесет значимый вклад в рационализацию применения средств химической и биологической защиты растений и сельскохозяйственной продукции. Реализация проекта будет способствовать развитию экологически чистой энергетики и повышению эффективности добычи и транспортировки углеводородов за счет использования разрабатываемых методик ТГц спектроскопии на основе ККЛ для экспресс идентификации источников и типов углеводородного сырья из разных месторождений по линиям поглощения многих молекул примесей и присадок, которые находятся в ТГц диапазоне. ККЛ среднего ИК диапазона могут быть использованы для контроля содержания в воздухе метана и других вредных газов, имеющих характерные линии поглощения в области окон прозрачности атмосферы, в добывающей и трубопроводной индустрии. Использование разрабатываемых в проекте методик газового анализа на основе ККЛ ТГц и среднего ИК диапазонов как метода мониторинга окружающей среды также критически важно для адекватного ответа российского общества на большие вызовы с учетом взаимодействия человека и природы, человека и технологий. Удаленный мониторинг состава атмосферы и определения видов загрязняющих веществ позволит противодействовать возрастанию антропогенных нагрузок на окружающую среду до масштабов, угрожающих воспроизводству природных ресурсов.