Проектирование, синтез и исследование гетероструктур на основе широкозонных III-N материалов и микролазеров на основе высокодобротных резонаторов

Проект в рамках конкурса «Международное академическое сотрудничество»

Руководители проекта: Крыжановская Наталья Владимировна, Луценко Евгений Викторович

Период реализации: 2024-2026 г.

Цели

В основе проекта лежит идея создания фотонной элементной базы с набором функциональных характеристик, пригодных для создания интегральных фотонных схем на основе III-N соединений. Схемы интегральной фотоники в целом, могут включать в себя такие функции как генерация, фокусировка, деление, совмещение, поляризация, модуляция, детектирование света и т.д. Фокус данного проекта нацелен на создание миниатюрных III-N источников когерентного излучения, т.е. лазерных источников, выполненных с использованием дисковых или кольцевых резонаторов.

Совместный проект позволяет расширить спектр научных исследований обеих команд: для коллектива НИУ ВШЭ стали возможными исследования микролазеров на основе новой системы материалов (III-N), обладающей уникальными характеристиками. До этого основное направление исследований было ориентировано на микролазеры на основе GaAs, излучающие в телекоммуникационном диапазона 1,-1,3 мкм. В тоже время исследование III-N микролазеров широко развивается в мировом научном сообществе из-за высокой практической привлекательности результатов исследований и возможности получения принципиально новых свойств излучателей. Для коллектива Института физики имени Б.И. Степанова Национальной Академии Наук Беларуси традиционным является эпитаксия и исследование фундаментальных свойств III-N материалов, СВЧ-приборов и приборов оптоэлектроники

Задачи

Ключевыми задачами проекта являются:

• развитие технологии синтеза лазерных III-N гетероструктур, содержащих слои активной области и обладающих большим оптическим усилением и высокой квантовой эффективностью.
• создание дизайна и технологии создания III-N микролазеров с резонаторами высокой добротности (>3000), и исследование их лазерных характеристик.
• исследование структурных свойств III-N материалов, осажденных на чужеродные подложки (сапфир, кремний, рост в SiN окнах на кремнии). Анализ влияния структурных дефектов на характеристики микролазеров
• сравнительное исследование различных подходов формирования резонаторов на резонансные характеристики и потери на рассеянии на шероховатостях стенок.

Ожидаем, что выполнение исследовательских задач будет сопровождать обогащение исследовательского опыта коллективов за счет взаимодополняющей функции проекта, расширение областей научного исследования коллективов, приобретение новых навыков и методов исследования, повышение международной конкурентоспособности коллективов и упрочнение научных связей коллективов. Прикладная значимость результатов проекта заключается в создании суперкомпактных источников лазерного излучения видимого диапазона пригодных для приложений биохимического обнаружения и оптических межсоединений. Такие источники лазерного излучения могут быть размещены в современных компактных электронных и роботехнических системах. Лазеры на основе III-N материалов обладают высокой химической стойкостью и механической стабильностью, что делает их привлекательными для применений в агрессивных средах, при механических нагрузках и в условиях жесткого электромагнитного излучения.

В проекте принимают участие молодые исследователи, в том числе студенты бакалавриата, магистратуры и аспиранты. В состав российской команды входят 3 студента бакалавриата, 2 студента магистратуры и 2 аспиранта. В ходе проекта в 2024 году будет организовано 2 круглых стола по тематике проекта и 3 обобщающих семинара с участием молодых исследователей.

Научный коллектив проекта

Публикации

• Natalia V. Kryzhanovskaya , Eduard I. Moiseev , Alexey M. Nadtochiy , Ivan A. Melnichenko , Nikita A. Fominykh , Konstantin A. Ivanov , Sergey D. Komarov , Ivan S. Makhov , Evgenii V. Lutsenko , Aliaksei G. Vainilovich , Aliaksei V. Nahorny, and Alexey E. Zhukov, "Output Power of III-V Injection Microdisk and Microring Lasers," in IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 31, no. 2: Pwr. and Effic. Scaling in Semiconductor Lasers, pp. 1-12, March-April 2025, Art no. 1501312, doi: 10.1109/JSTQE.2024.3450812.