Квантовая электроника и электродинамика

Квантовая электроника и электродинамика

Направление:Исследование и разработка полупроводниковых лазеров с накачкой электронным пучком
Подразделение: кафедра физики ФТИ
Руководитель: Зверев М.М., д.ф.-м.н., профессор, (e-mail: mzverev@mail.ru)

Направление: Разработка суперлюминесцентных диодов и полупроводниковых оптических усилителей на основе наноструктур и исследование механизмов искажения сигналов в волоконно-оптических линиях связи
Подразделение: кафедра физики ФТИ
Руководитель: Задерновский А.А., д.ф.-м.н., профессор, заведующий кафедрой физики, (e-mail: zadernovsky@mirea.ru, IP: 3014)

  • Исследование и разработка полупроводниковых лазеров с накачкой электронным пучком
    Применение для накачки активных сред электронного пучка, формируемого и управляемого общеизвестными методами и средствами, позволило разработать новый класс приборов квантовой электроники – лазерные электронно-лучевые трубки, представляющие собой гибриды электронно-оптических систем и полупроводниковых лазерных мишеней. Отличительными особенностями таких лазеров являются:
    • возможность получения излучения на любой длине волны в диапазоне (0,32-30 мкм) или на нескольких длинах волн одновременно;
    • возможность получения излучения (пока – не лазерного, режим генерации пока еще не достигнут) в далекой УФ – области (до 200 нм). При реализации этой возможности (при изготовление компактных приборов) могут быть заменены экологически неблагополучные ртутные лампы;
    • возможность получения импульсов света с мощностью от милливатт до десятков мегаватт;
    • возможность электронного управления интенсивностью и угловым положением лазерного луча.
    В импульсных лазерах данного типа достигнут уровень мощности в несколько десятков мегаватт (при длительности импульса в несколько наносекунд) на разных длинах волн, а в сканирующих лазерах получено излучение со средней мощностью в несколько десятков ватт.
    Полупроводниковые лазеры с электронно-лучевой накачкой могут быть использованы в системах проекционного телевидения, в медицине, лазерной локации, для обеспечения навигационной безопасности кораблей и летательных аппаратов, в скоростной интерферометрии, метрологии и т.д.
    В последние годы благодаря успехам в технологии выращивания совершенных полупроводниковых структур появилась возможность значительного улучшения параметров лазеров с электронно-лучевой накачкой.
    В работах, проводимых в РТУ МИРЭА совместно с ФТИ им. А.Ф. Иоффе (г. СПб), показана возможность значительного снижения рабочей энергии электронного пучка (до уровня менее10 кэВ) и пороговой плотности тока при комнатной температуре в лазерах сине – зеленого и ИК диапазонов за счет использования полупроводниковых квантоворазмерных структур. Полученные результаты говорят о возможности создания малогабаритных электронно-лучевых приборов нового поколения – лазеров с накачкой электронным пучком.
    Целью проводимых в РТУ МИРЭА исследований является дальнейшее улучшение характеристик излучателей (в том числе лазеров) с электронно-лучевой накачкой на основе полупроводниковых структур малой размерности – увеличение импульсной и средней мощности, эффективности, расширение спектрального состава, получение генерации на квантоворазмерных структурах в УФ - диапазоне, достижение непрерывного режима генерации, создание отпаянных приборов.

    Основные работы, опубликованные по результатам исследований в 2018-2020 годах:
    1. M.M. Zverev, N.A. Gamov, E.V. Zhdanova, V.B. Studionov, N.I.Gladyshev; I.V. Sedova ; D.E. Loktionov, S.V. Sorokin; S.V. Gronin; S.V. Ivanov. Electron-beam and optically pumped ZnSe-based lasers with extended asymmetrical waveguide. // Proceedings - International Conference Laser Optics 2018, ICLO 2018, 13 August 2018, Номер статьи 8435430, Page 160. St. Petersburg; Russian Federation; ISBN: 978-153863612-1, DOI: 10.1109/LO.2018.8435430
    2. М.М. Зверев, Н.А. Гамов, Е.В. Жданова, В.Б. Студенов, Н.И. Гладышев, Д.Е. Локтионов, В.А. Курешов, А.В.Мазалов, Д.Р.Сабитов, А.А.Падалица, А.А.Мармалюк. Ультрафиолетовый излучатель на основе структуры AlGaN/GaN с электронно-лучевой и оптической накачкой. // Материалы Международной научно-технической конференции INTERMATIC – 2018, Москва, РТУ МИРЭА, 19 – 23 ноября 2018 г., стр.795-798 (индексируется в РИНЦ).
    3. М.М. Зверев, Н.А. Гамов, Н.И. Гладышев, Е.В. Жданова, Д.Е. Локтионов, В.Б. Студенов, В.Б. Митюхляев, В.А. Курешов, А.В. Мазалов, А.А. Мармалюк, А.А. Падалица, Д.Р. Сабитов. Загрязнения поверхности структур AlGaN/InGaN/GaN – активных элементов лазеров с электронно-лучевой накачкой. // Тезисы докладов на 6-ом Российском симпозиуме с международным участием «Полупроводниковые лазеры: физика и технология». Санкт-Петербург, 13-16 ноября 2018 г., стр.67.
    4. М.М. Зверев, Н.А. Гамов, Е.В. Жданова, В.Б. Студенов, В.Н. Жмерик, Zh. Chen, Y.Wang, X. Rong, X. Wang, H. Miyake, С.В. Иванов. Импульсный ультрафиолетовый излучатель (λ=260 нм) на основе структуры AlN/GaN с накачкой быстрыми электронами // Тезисы докладов на 6-ом Российском симпозиуме с международным участием «Полупроводниковые лазеры: физика и технология». Санкт-Петербург, 13-16 ноября 2018 г., стр.79.
    5. М.М. Зверев, Н.А. Гамов, Е.В. Жданова, В.Б. Студенов, Н.И. Гладышев, Д.Е. Локтионов, В.Б. Митюхляев, В.А. Курешов, А.В. Мазалов, Д.Р. Сабитов, А.А. Падалица, А.А. Мармалюк. Рентгеновский микроанализ структур AlGaN/InGaN/GaN – активных элементов импульсных лазеров с электронно-лучевой накачкой. // Российская научно-техническая конференция с международным участием «Информатика и технологии. Инновационные технологии в промышленности и информатике». Москва, 12-13 апреля 2018 г. Сборник докладов, стр. 108-115.
    6. 6. Н.А. Гамов, Н.И. Гладышев, М.М. Зверев, Е.В. Жданова, Д.Е. Локтионов, В.Б. Студенов, В.А. Курешов, А.В. Мазалов, Д.Р. Сабитов, А.А. Падалица, А.А. Мармалюк, В.И. Козловский, В.Б. Митюхляев. Изменение свойств структур AlGaN/InGaN/GaN в процессе работы лазеров импульсно-периодического действия на их основе с электронной и оптической накачкой. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2019, № 2, с. 37–41. DOI: 10.1134/S1027451019010385
    7. M.M. Zverev N.A. Gamov ,N.I. Gladyshev, E.V. Zhdanova, D.E. Loktionov, V.B. Studionov, V.A. Kureshov, A.V. Mazalov, D.R. Sabitov, A.A. Padalitsa, A.A. Marmalyuk, V.I. Kozlovsky, V.B. Mituhliaev. Change in the Properties of AlGaN/InGaN/GaN Structures during the Operation of Electron-Beam-Pumped and Optically Pumped Pulse-Periodic Lasers Based on Them. // Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. January 2019, Volume 13, Issue 1, pp 101–104.(Scopus, WoS, e-library). DOI: 10.1134/S1027451019010385
    8. А.Ю. Андреев, Т.А. Багаев, М.Р. Бутаев, Н.А. Гамов, Е.В. Жданова, М.М. Зверев, В.И. Козловский, Я.К. Скасырский, И.В. Яроцкая. Исследование поверхностно-излучающего полупроводникового лазера с внешним зеркалом на структуре InGaAs/AlGaAs при накачке электронным пучком. // Квантовая электроника, 2019, 49 (10), 909–912.
    9. A.Yu. Andreev, T.A. Bagaev, M.R. Butaev, N.A. Gamov, E.V. Zhdanova, M.M. Zverev, V.I. Kozlovsky, Ya.K. Skasyrsky, I.V. Yarotskaya. Investigation of an electron-beam pumped VECSEL based on an InGaAs/AlGaAs heterostructure. // Quantum Eltctronics, 2019, 49 (10), 909–912, DOI: https://doi.org/10.1070/QEL17066 (Scopus, WoS, e-library).
    10. Yixin Wang, Xin Rong, Sergey Ivanov, Valentin Jmerik, Zhaoying Chen, Hui Wang, Tao Wang, Ping Wang, Peng Jin, Yanan Chen, Vladimir Kozlovsky, Dmitry Sviridov, Michail Zverev, Elena Zhdanova, Nikita Gamov, Valentin Studenov, Hideto Miyake, Hongwei Li, Shiping Guo, Xuelin Yang, Fujun Xu, Tongjun Yu, Zhixin Qin, Weikun Ge, Bo Shen, and Xinqiang Wang. // Deep Ultraviolet Light Source from Ultrathin GaN/AlN MQW Structures with Output Power Over 2 Watt. // Adv. Optical Mater. 2019, 1801763. DOI: 10.1002/adom.201801763,(Scopus, WoS), Q1.
    11. М.Р. Бутаев ,А.Ю. Андреев , Т.А. Багаев ,Н.А. Гамов , Н.И. Гладышев , М.М. Зверев , В.И. Козловский, Я.К. Скасырский, И.В. Яроцкая. Исследование полупроводникового дискового лазера с внешним зеркалом на структуре InGaAs/GaAs при накачке электронным пучком //. Мокеровские чтения. 10-я юбилейная международная научно-практическая конференция по физике и технологии наногетероструктурной СВЧ – электроники. 15-16 мая 2019 г. Сборник трудов. Москва. стр. 189-191.
    12. А.Ю. Андреев, Т.А. Багаев , М.Р. Бутаев , Н.А. Гамов , В.Б. Студенов, М.М. Зверев, В.И. Козловский, И.В. Яроцкая, Я.К. Скасырский. Исследование поверхностно-излучающего полупроводникового лазера с внешним зеркалом на структуре InGaAs/GaAs при накачке электронным пучком. // 12-й Белорусско-Российский Семинар «Полупроводниковые лазеры и системы на их основе», 27 - 31 мая 2019 г., Минск, Беларусь. Сборник статей, стр 18-21.
    13. 13. Н.А. Гамов, Е.В.Жданова, М.М. Зверев. Источник ультрафиолетового излучения на основе кристаллов CaF2 с накачкой электронным пучком. // РНТК ФТИ – 2020, т.1, стр. 138-142.
    14. 14. N.A. Gamov, V.B. Studionov, E.V. Zhdanova, M.M. Zverev. Electron beam pumped pulsed ultraviolet emitter (~ 300 nm) based on CaF2. // 19-th Intern. Conf. Laser Optics ICLO 2020, 2-6 Nov. 2020, St –Pb, Russia. WeR3-p45.
  • Разработка суперлюминесцентных диодов, полупроводниковых лазеров и оптических усилителей на основе наноструктур и исследование механизмов искажения сигналов в волоконно-оптических линиях связи
    По своим оптико-физическим характеристикам суперлюминесцентные диоды (СЛД) занимают промежуточное положение между светоизлучающими диодами (СИД) и лазерными диодами (ЛД), сочетая в себе широкую спектральную полосу излучения (низкую когерентность) первых и высокую яркость вторых. Для целого ряда прикладных областей СЛД являются наиболее оптимальными источниками излучения. Так, ни по яркости излучения, ни по эффективности его ввода в волоконные световоды СИД не могут конкурировать с СЛД. Именно поэтому СЛД оказываются практически незаменимыми в системах оптоволоконной гироскопии, оптоволоконных датчиках физических полей различной природы, в метрологии, волоконно-оптических системах передачи информации, в некоторых системах подсветки и в системах бурно развивающейся в последнее десятилетие оптической когерентной томографии.

    Проводимые в РТУ МИРЭА исследования направлены на выяснение новых оптико-физических особенностей генерации излучения, проявляющихся при переходе в наноразмерный диапазон усиливающих слоев активного кристалла и создание высокоэффективных и надежных СЛД для вышеперечисленных практических применений. А именно: СЛД с непрерывной выходной мощностью более 100 мВт, допускающих эффективную стыковку со стандартными волоконными световодами; двухпроходных СЛД с внешними отражателями на основе волоконных брэгговских решеток; двухсекционных и многосекционных СЛД; полупроводниковых оптических усилителей (ПОУ).

    Волоконно-оптическая связь является одним из самых распространенных способов передачи информации в современном мире. В большинстве волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) используются цифровые схемы передачи информации. Однако, простейшие аналоговые системы с СВЧ модуляцией интенсивности лазерного излучения на входе в оптоволокно (прямой модуляцией посредством варьирования инжекционного тока полупроводникового лазера или внешней модуляцией с помощью модулятора), транспортировкой оптического сигнала по волокну и прямым детектированием оптического сигнала с помощью фотодиода на выходе из оптоволокна, остаются востребованными для различных применений. Среди них, например, бортовые ВОЛС специального назначения, позиционно разнесенные системы радиолокации, антенные системы, удаленные от пунктов управления и обработки информации и другие. При этом, использование именно аналоговых ВОЛС в таких системах часто оказывается не только безальтернативным, но и надежным и экономически выгодным решением.

    Вместе с тем, у аналоговых ВОЛС есть значительные недостатки. К наиболее существенным из них относятся линейные и нелинейные искажения выходного сигнала. В связи с этим, исследование физических механизмов, приводящих к искажению передачи сигналов в аналоговых ВОЛС, приобретает особую важность и актуальность. Фактически, задача уменьшения искажений передаваемых сигналов является центральной при инженерном проектировании ВОЛС.

    Проводимые в РТУ МИРЭА исследования направлены на изучение искажений сигналов, обусловленных дисперсией света в оптоволокне, частотным чирпом лазерного излучения, собственной нелинейностью модулятора и нелинейно-оптическими явлениями, возникающими при больших плотностях мощности излучения. Целью исследований является разработка различных методов уменьшения искажений сигналов при передаче информации в волоконно-оптических линиях связи.

    Основные работы, опубликованные по результатам исследований в 2018-2020 годах:
    1. V.V.Shcherbakov A.F. Solodkov, A.A. Zadernovsky. Intensity Modulation Response of Analog Fiber-Optic Link with Dispersion Compensating Fiber // Proceedings 2018 International Conference on Laser Optics (ICLO 2018), 4-8 June, 2018, St.Petersburg, Russia, p. 349 (Scopus, WoS). DOI: 10.1109/LO.2018.8435702
    2. V.V.Shcherbakov A.F. Solodkov, A.A. Zadernovsky. Harmonic Distortions of Signals in Analog Fiber-Optic Links // Proceedings 2018 International Conference on Laser Optics (ICLO 2018), 4-8 June, 2018, St.Petersburg, Russia, p. 350 (Scopus, WoS). DOI: 10.1109/LO.2018.8435671
    3. E.V. Andreeva, A.S. Anikeev, S.N. Il'chenko, A. Chamorovskiy, V.R. Shidlovski, S.D. Yakubovich. Highly efficient superluminescent diodes and SLD-based combined light sources of red spectral range for applications in biomedical imaging // SPIE Proceedings Vol. 10483, Optical Coherence Tomography and Coherence Domain Optical Methods in Biomedicine XXII, 104832T (14 February 2018). p. 1-5; doi: 10.1117/12.2288246; https://doi.org/10.1117/12.2288246
    4. Щербаков В.В., Солодков А.Ф., Задерновский А.А. Расширенные форматы модуляции двухэлектродного модулятора Маха-Цендера // Фотон-экспресс. – 2019. - №6 (158). - с. 353-355
    5. Щербаков В.В., Солодков А.Ф., Задерновский А.А. Генерация оптических сигналов, устойчивых к дисперсионной деградации мощности // Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии (РЭНСИТ). – 2019. - т. 11(2). - с. 161-176; DOI: 10.17725/rensit.2019.11.161
    6. Андреева Е.В., Аникеев А.С., Ильченко С.Н., Лобинцов А.А., Чаморовский А.Ю., Шидловский В.Р., Шраменко М.В., Якубович С.Д. // Перестраиваемый лазер на основе полупроводникового оптического усилителя красного диапазона спектра // Квантовая электроника. – 2019. – т. 49(5) – с. 493–496.
    7. Аникеев А.С., Багаев Т.А., Ильченко С.Н., Ладугин М.А., Мармалюк А.А., Падалица А.А., Панкратов К.М., Шидловский В.Р., Якубович С.Д. Cуперлюминесцентные диоды спектрального диапазона 770–790 нм на основе полупроводниковых наноструктур с узкими квантовыми ямами // Квантовая электроника. - 2019. – т. 49(9). – с. 810–813.
    8. Андреева Е.В., Ильченко С.Н., Ладугин М.А., Мармалюк А.А., Панкратов К.М., Шидловский В.Р., Якубович С.Д. Суперлюминесцентные диоды на основе двухслойных асимметричных наногетероструктур // Квантовая электроника. – 2019. – т. 49 (10). – с. 931–935.
    9. Л.Н. Магдич, А.Ю. Чаморовский, В.Р. Шидловский, М.В. Шраменко, С.Д. Якубович. Перестраиваемый полупроводниковый лазер с двумя управляемыми акустооптическими фильтрами во внешнем резонаторе. // Квантовая электроника. – 2020. – т. 50(2). – с. 136–140.