Регистрация / Вход
Прислать материал

14.581.21.0006

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.581.21.0006
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики"
Название доклада
Разработка новых квантовых материалов и фотонных устройств на их основе
Докладчик
Никоноров Николай Валентинович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Проект ориентирован на создание импортозамещающих продуктов и технологий в области ИК техники: источников, фотоприемников и элементной базы фотоники.
Задачи проекта:
- Разработка новых материалов – многофункциональных наноструктурированных стеклообразных материалов и графеноподобных структур, работающих в широком спектральном диапазоне. Эта задача включает: разработку состава и структуры материалов, работающих в видимом и инфракрасном диапазонах, проведение комплексных исследований физико-химических свойств и эксплуатационных характеристик новых материалов фотоники и фотоэлектроники.
- Разработка технологии синтеза новых материалов. Эта задача включает разработку технологии синтеза многофункциональных стекол и стеклокерамик с высокой однородностью и прозрачностью и разработку технологии выращивания графеноподобных структур методом химического осаждения из газовой фазы.
- Практическая реализация новых материалов в оптоэлектронных, оптических, телекоммуникационных и лазерных системах. Эта задача включает: разработку и демонстрацию экспериментальных образцов устройств на основе новых фотонных материалов: фотоприемников на основе сверхрешеток, фотоприемников на основе структур с квантовыми ямами, обладающих фоточуствительностью в диапазонах 3-5 мкм и 8-12 мкм, микро-чип лазера с распределенной обратной связью на 1.5 мкм, брэгговского селектора для мощных полупроводниковых лазерных линеек и матриц, сумматора-комбайнера мощных лазерных пучков.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность проекта обусловлена тем, что проект ориентирован на создание импортозамещающих продуктов и технологий в области ИК техники: источников, фотоприемников и элементной базы фотоники и фотоэлектроники. Новизна проекта обусловлена тем, что проект ориентирован на создание принципиально новых квантовых материалов с уникальными электронными и оптическими свойствами и создание на их основе современных приборов и устройств фотоники и фотоэлектроники, включающих источники излучения, фотодетекторы и компоненты оптических телекоммуникационных систем для российской электронной и оптической индустрии. Проект сочетает в себе как проблемно-ориентированную, так и объектно-ориентированную направленность. Проблемно-ориентированная направленность включает обозначение проблемы как у нас в стране, так и за рубежом (в частности, это сильно ограниченная номенклатура материалов, на основе которых возможно создание приборов и устройств фотоники и оптоэлектроники нового поколения), так и пути решения этой проблемы (например, создание новых классов квантовых материалов). Объектно-ориентированная направленность включает конкретные примеры разработок новых квантовых материалов и применение этих материалов в конкретных приборах и устройствах фотоники и оптоэлектроники, а также внедрение этих конкретных разработок на базе Индустриального партнера «ОАО «ЦНИИ «Циклон» и других российских предприятиях.
Описание исследования

Проект ориентирован на создание принципиально новых квантовых материалов с уникальными и рекордными характеристиками. Основу таких материалов составили неорганические стекла, стеклокерамики, графеноподобные структуры и нанокомпозиты. Эти материалы легированы редкоземельными ионами, ионами переходных металлов, молекулярными кластерами, квантовыми точками, металлическими наночастицами, полупроводниковыми и диэлектрическими нанокристаллами. Для создания таких материалов использовались разнообразные физико-химические методы, подходы и технологии: высокотемпературный синтез из шихтных продуктов, низкотемпературный золь-гель синтез, химическое осаждение, ионный обмен, напыление, эпитаксиальное выращивание, а также разнообразные методы исследования и тестирования материалов: дифференциально-сканирующая калориметрия, рентгенофазовый и рентгенолюминесцентный анализ, оптическая спектроскопия, рефрактометрия, интерферометрия, микроскопия. Для создания элементов и устройств фотоники и фотоэлектроники использовались современные технологии формообразования и обработки поверхности изделий, технологии записи и считывания голограмм, технологии фотолитографии, а также методы контроля качества изделий, тестирования и испытаний. Разработка новых квантовых материалов позволила предложить и реализовать принципиально новые схемные решения и конструкции элементов и устройств фотоники и фотоэлектроники.

Результаты исследования

На основе новых квантовых материалов, разработанных и синтезированных на начальной стадии выполнения проекта, в соответствии с лабораторным регламентом изготовлены следующие экспериментальные образцы элементов и устройств фотоники, характеристики которых превосходят мировой уровень:

- сумматор лазерных пучков с мультиплексированием 6 лазерных каналов,

- лазер с распределенной обратной связью на длине волны 1.55 мкм,

- фильтры для защиты органов зрения и оптико-электронных приемных систем от лазерного излучения с характеристиками: область прозрачности 350- 2000 нм, пропускание 70%, время срабатывания 10 нс, порог срабатывания 10-4 Дж, динамический диапазон ослабления лазерного излучения 100,

- спектральные фильтры для твердотельных лазеров, которые позволяют управлять параметрами и контролировать качество лазерного пучка.

 

В соответствии с лабораторным регламентом на основе графеноподобных материалов и гибридов изготовлены экспериментальные образцы элементов и устройств, характеристики которых превосходят мировой уровень:

- модуляторы со сдвигом резонансной линии10 ГГц,

- микроболометры, работающие в спектральном диапазоне от 1.2 -12 мкм,

- поглотители со скоростью переключения 100 фс.

- нелинейные насыщающиеся поглотители высокого быстродействия для устройств оптической телекоммуникации. Технические характеристики поглотителей: быстродействие 10-9 -10-13 сек, время релаксации 10-13 сек.

 

В соответствии с лабораторным регламентом изготовлены экспериментальные образы точечных ИК-фотодетекторов на основе ХВn-структур и структур с квантовыми ямами, характеристики которых соответствуют мировому уровню:

- XBn-структуры, выращенные методом молекулярно-лучевой эпитаксии, реализованы в системе материалов InAlAsSb. Фотоприемники имеют следующие характеристики: рабочая температура 77-180К, спектральный диапазон фоточувствительности 3-5 мкм, чувствительность 10-60 мК,

- структуры с квантовыми ямами, выращенные методом молекулярно-лучевой эпитаксии, реализованы в системах материалов GaAs/AlGaAs и InGaAs/InAlAs. Фотоприемники имеют следующие характеристики: рабочая температура 65-70 К, спектральный диапазон фоточувствительности 8-12 мкм, чувствительность 10-30 мК.

Практическая значимость исследования
Настоявшая ПНИЭР ориентирована на три сегмента рынка фотоники: лазеры, элементная база и фотоприемники. На эти три сегмента приходится примерно 30-40% мирового ранка фотоники., что делает их ключевыми игроками в структурной цепочке фотоники. Настоящая ПНИЭР включает разработку как материалов фотоники, так и их практическую реализацию, т.е. создание элементов и устройств фотоники на основе новых материалов.
Полученные результаты ПНИЭР послужат основой для последующего создания Индустриальным партнером - ОАО «ЦНИИ «Циклон» во взаимодействии с Университетом ИТМО и его соисполнителями (членами консорциума) - Новосибирским государственным университеом, Сколковским институтом науки и технологи (Сколтех) и ОАО «Светлана-Рост» новых видов оптоэлектронной продукции и технологий: ИК фотодетекторов и источников излучения, а также компонент оптических телекоммуникационных систем с характеристиками соответствующими мировому уровню. Отечественные квантовые материалы и фотонные устройства на их основе, разработанные и созданные в ПНИЭР, по своим тактико-техническим характеристикам не будут уступать лучшим мировым аналогам, а по себестоимости будут на 20-30% ниже импортных. Снижение себестоимости, в первую очередь, будет обеспечено за счет использования отечественных сырьевых материалов. При успешном решении задач по созданию новых квантовых материалов и устройств фотоники и фотоэлектроники на их основе, в том числе, таких как источники и фотоприемники ИК диапазона, компоненты проводных и беспроводных оптических телекоммуникаций, а также организации их серийного производства на базе российских предприятий, будет обеспечена возможность комплектования полностью отечественным оборудованием критических узлов ИК оптоэлектроники, а также проводных и беспроводных оптических линий связи. Таким образом, будет решена главная задача – создание импортозамещающих продуктов и технологий в области ИК техники (фотоприемников, источников и элементной базы оптических телекоммуникаций).