Фотоника постепенно становится ключевой технологией XXI века. Мощные полупроводниковые лазеры — компактные, высоконадежные и энергоэффективные устройства. Они активно внедряются в различные отрасли: от телекоммуникаций и машиностроения до энергетики и медицины. Однако существующие технологии, а также способы производства лазеров и систем на их основе подошли к пределу по излучаемой мощности. Для дальнейшего развития полупроводниковых лазеров необходимы новые конструкции и методы получения гетероструктур.
Научная лаборатория, возглавляемая Никитой Пихтиным, достигла результатов мирового уровня в разработке, исследовании и производстве полупроводниковых лазеров широкого диапазона. Наравне с давним индустриальным партнером лаборатории — АО «НИИ «Полюс» имени М. Ф. Стельмаха» — ученые являются ведущими специалистами в России в этой сфере. На средства гранта РНФ группа разрабатывает лазерные источники для интеграции в приборах микроэлектроники, в частности в фотонных интегральных схемах. Новые технологии позволят разрабатывать трансиверы, способные обеспечивать прием и передачу данных со скоростью сотни гигабит в секунду.
// Расскажите о своих научных интересах. Почему вас заинтересовала работа с полупроводниковыми лазерами?
Я занимаюсь мощными полупроводниковыми лазерами всю свою научную жизнь — без малого сорок лет. Я учился на кафедре оптоэлектроники в ЛЭТИ — первой базовой кафедре Физико-технического института. В лабораторию пришел в 1987 году еще студентом. Это направление посоветовал мой отец, профессор ЛЭТИ: «У нас есть Жорес Иванович — очень энергичный, умный специалист. Иди к нему». Первое время я, что называется, плыл по течению, а потом выбрал лазеры и абсолютно не пожалел. Это занятие оказалось перспективным и интересным.
Уже 50 лет лаборатория, которую я сейчас возглавляю, занимается исследованием, разработкой и изготовлением мощных полупроводниковых лазеров на основе гетероструктур. Они излучают в ближнем инфракрасном диапазоне от 800 до 2000 нанометров. Также на основе этих лазеров мы создаем приборы для оптоэлектроники и радиофотоники.
Главное преимущество лаборатории в том, что здесь создан полный, или, как сейчас модно говорить, — замкнутый цикл разработки и изготовления лазеров: эпитаксиальная технология, планарная технология, технология монтажа кристаллов и их корпусирования, а также все измерительные комплексы. Это огромный кластер, который мы с помощью Жореса Алферова создали еще в 2000-е годы. Сейчас мы поддерживаем его работоспособность, обновляем парк оборудования, чтобы отвечать научно-технологическим вызовам и следовать тенденциям рынка.
// Как развивается область лазерных технологий для микроэлектроники?
Сейчас в микроэлектронике используется так называемая гибридная интеграция лазера. Она заключается в том, что оптически соединяют уже созданные чипы лазеров с кремниевой фотонной схемой. Мы же предлагаем гетерогенную интеграцию: сначала делаем полупроводниковые планарные гетероструктуры на основе A3B5*, а потом эти структуры соединяются определенным способом с пластиной КНИ (кремний на изоляторе), в которой уже сформированы волноводы и другие пассивные компоненты. Мы считаем это направление очень перспективным — оно будет широко использоваться и развиваться.
// В чем его преимущество?
В основе технологии гетерогенной интеграции лежит концепция групповых технологических маршрутов, когда на одной пластине КНИ сразу формируются все необходимые лазерные источники, приемники и модуляторы. Если эту технологию поставить на серийное производство, у нее будет хорошая воспроизводимость. Из этого вытекают надежность и простота изготовления, а также дешевизна, что важно для бизнеса.
// Что побудило вас участвовать в конкурсе Фонда по поддержке опытно-конструкторских работ?
Мы всегда ориентируемся на прикладные разработки. Даже наши фундаментальные исследования нацелены на создание конечного продукта, востребованного либо научным сообществом, либо рынком. Такой подход был заложен еще в советское время. Весь Алферовский центр работал на конкретные предприятия, которые выпускали или использовали приборы оптоэлектроники. Благодаря этому мы и выжили в 1990-е годы.
В то время лабораторией заведовал Дмитрий Залманович Гарбузов. Отправляясь на конференции в США и Европу, он брал с собой образцы, чтобы показать: вот доклад про лазеры, а вот они в действии. Гарбузов учил нас доводить все до рабочего образца, как и сменивший его на посту Илья Сергеевич Тарасов. Так что я уже со студенческих лет понимал, как надо действовать исследователю и разработчику.
Мы все время пишем проекты, опираясь на запросы заказчика. Когда нас спрашивают: «Вы можете сделать то-то?», если отвечаем: «Пока нет», то мотаем на ус и начинаем двигаться в этом направлении. Поскольку у нас полный цикл изготовления лазеров, мы создаем востребованные продукты в достаточно короткий срок.
Когда РНФ объявил конкурс прикладных работ, мы подумали, что точно будем участвовать. У нас накоплен большой опыт доведения исследований до опытного образца — то, что требуется в этих проектах.
И еще один важный факт: несколько лет назад на форуме «Микроэлектроника» мы познакомились с коллегами из Зеленоградского нанотехнологического центра*. Это одна из ведущих компаний, которая осуществляет разработки и производство продукции в области фотонных интегральных схем. Мы поняли, что у нас похожие взгляды на перспективы развития этих схем, в частности, на интеграцию гетероструктур на основе А3В5-соединений и КНИ.
Это было года три-четыре назад. Мы даже провели вместе подготовительные НИР и промоделировали наши идеи.
Что-то получилось, и мы поняли: можно подавать проекты. И тут Фонд как раз объявил конкурс.
Кстати, на том же форуме мы познакомились с конечным потребителем — новосибирской компанией**, использующей трансиверы. Мы узнали, что конкретно им нужно в плане фотонных интегральных схем, и поняли, к чему надо стремиться.
// Результаты фундаментальных исследований, ранее проведенных в ФТИ по грантам Фонда, стали основой для прикладного проекта?
Пару лет назад мы закончили выполнение проекта РНФ, в рамках которого разработали метод селективной эпитаксии гетероструктур, который будем сейчас использовать. То есть тут сто процентов результаты фундаментальных исследований, выполненных на гранты Фонда. Это нам очень помогло. Была и еще одна наработка. Вместе с индустриальным партнером в рамках федеральной целевой программы мы разработали лазерные диоды на подложках InP (фосфида индия), по некоторым параметрам превосходящие мировые аналоги. Все разработки были внедрены в АО «НИИ «Полюс» имени М. Ф. Стельмаха». Сейчас эти лазеры сильно востребованы из-за недоступности зарубежных аналогов. Так что этот задел тоже оказался полезным.
// В чем сложность перехода от фундаментальной разработки к практическому применению?
Знаете, я бы сказал, у нас сложностей нет. Необходимо всегда помнить: прибор или технология, которую ты разрабатываешь на фундаментальном уровне, должны быть в первую очередь потенциально воспроизводимы и соответствовать существующему уровню технологий. Конечно, всегда можно что-то придумать и даже сделать один образец, но потом вряд ли получится его масштабировать. Приведу следующий пример. В 1970-е годы академик ФТИ имени А. Ф. Иоффе Роберт Сурис выдвинул идею квантово-каскадных лазеров. Однако в то время реализовать идею не получилось, поскольку теоретически все было понятно, а практически — нет. Пришлось ждать тридцать лет. Повторюсь: конечный продукт должен быть воспроизводимым, надежным и сравнительно простым в изготовлении. Про эти три момента всегда нужно думать на фундаментальном этапе исследования.
// А это не ограничивает научную мысль?
Нет, никоим образом. Когда мы понимаем, что идею пока нельзя довести до рабочего образца, мы не предлагаем НИОКРы. Мы запускаем НИРы и пробуем, но никогда не говорим: «Сейчас мы делаем конечный продукт, и он будет продаваться». Надо понимать, что может быть на данный момент доведено до конца, а что — нет. Пожалуй, ограничить научную мысль может только нехватка высокотехнологичного оборудования.
// В чем заключается новизна решений, предложенных в проекте?
Главная новизна — это конструкции планарных полупроводниковых гетероструктур и технологии их роста на подложке фосфида индия в применении для фотонных интегральных схем на основе КНИ. Именно такие гетероструктуры являются ключевым элементом инжекционных источников лазерного излучения. Мы интегрируем две такие сложно эпитаксиально совместимые структуры как кремний и полупроводники A3B5. Союз А3В5 и кремния должен обеспечить высокую эффективность и низкую себестоимость изделий.
Нам предстоит сделать очень много. Первое — разработать конструкцию планарных структур А3В5, обеспечивающих формирование связанного волновода между КНИ и А3В5-частью. Второе — разработать технологию роста планарных гетероструктур на подложках InP и, соответственно, создать технологическую документацию для изготовления источников лазерного излучения на длину волны 1 300 нм. В качестве базовой выбрана МОС-гидридная эпитаксия как наиболее технологичный способ формирования фосфорсодержащих гетероструктур. Третье — создать методики исследования и испытания разработанных структур. Здесь мы действуем в кооперации с нашим заказчиком, Зеленоградским нанотехнологическим центром, — будем гетерогенно интегрировать наши структуры и КНИ.
// Как у вас проходит коммуникация с бизнесом? Можно сказать, что вы говорите на одном языке?
Так и есть. Хочется верить, что мы понимаем чаяния бизнеса. И все же порой на выставках случаются интересные диалоги:
– А такой лазер можете сделать?
– В принципе можем, года за два-три.
– Почему так долго? Вы же сами говорите, что 40 лет лазером занимаетесь.
Люди не понимают, что наши разработки — это высокотехнологичный продукт. Даже если ты сделал один лазер, чтобы изготовить другой, нужно опять проходить все стадии эпитаксиальной технологии. Но постепенно рождается понимание, что это наукоемкий продукт и срок окупаемости для бизнеса не 2–3 года, а более десяти лет.
Потому что для изготовления лазеров мирового уровня требуется дорогостоящее оборудование. И компетенции.
Мы почти тридцать лет взаимодействуем с НИИ «Полюс» имени М. Ф. Стельмаха — это наши партнеры, которые выпускают лазеры серийно. Я полностью понимаю, как они работают и что такое выпуск продукции десятками тысяч штук в год. Часто мы работаем даже без всяких проектов, когда надо что-то проверить и оперативно провести исследовательскую работу. Плюс у нас много совместных исследований, мы пишем с «Полюсом» статьи.
// Каким может быть экономический эффект проекта?
Потенциально он огромный, потому что разрабатываемые в рамках проекта РНФ гетероструктуры — это ключевой элемент технологии создания фотонных интегральных схем с интегрированными источниками лазерного излучения. Фотонные интегральные схемы обеспечивают кардинальное улучшение скоростных энергетических характеристик оптических трансиверов. Именно эти характеристики улучшаются за счет интеграции источников лазерного излучения в планарную интегральную схему.
Эти трансиверы очень востребованы для отечественного телекоммуникационного оборудования, центров обработки данных. Рынок огромен — миллионы штук в год. Когда изделие выйдет в серийное производство, экономический эффект будет внушительный. Кроме того, наши разработки будут использоваться для систем навигации, для дальнометрии.
// Какая у вас научная мечта?
Вообще я человек приземленный. Но мечта при этом имеется. Мы всегда были нацелены сделать самый мощный лазер в мире. И нам это часто удавалось. У нас есть и патенты, и публикации, когда мы достигли лучшей мощности в мире. А сейчас научная мечта зависит от возможности приобретения и использования нового оборудования — без него сложно реализовать новые идеи. Например, мы мечтаем создать мощный лазер на основе фотонного кристалла. Он должен объединить свойства лазеров торцевых и вертикально излучающих лазеров, у которых есть свои преимущества. Это востребованная задача, которую можно решить с помощью современного оборудования, кое-что из него даже есть у нас в ФТИ. Чтобы воплотить мечту в жизнь, мы даже свободное от проектов время трудимся над этим направлением. В лаборатории много молодых ребят, у которых горят глаза что-то сделать, чтобы включил — и оно работает.
// Какими видите перспективы отрасли в ближайшие годы?
Перспективы напрямую связаны с наличием и введением в технологическую цепочку современного оборудования. Когда оно появится, мы выйдем на следующий уровень и сможем разработать новый востребованный прибор, например одночастотные лазеры. Причем установки должны быть не только куплены, но еще и запущены квалифицированными людьми. В ФТИ имени А. Ф. Иоффе всегда уделяли подготовке кадров большое внимание. Еще одно перспективное направление — импортозамещение. Сейчас по понятным причинам мы нацелены на выпуск отечественных установок и сильно вовлечены в этот процесс: не только разрабатываем технологию на эпитаксиальном оборудовании, но еще и сами хотим его сделать.
// Как вы оцениваете вклад Фонда в развитие отечественной науки, а также поддержку прикладных исследований?
Сегодня РНФ — это основной источник внебюджетного финансирования проекта. Большая часть заявок на проекты пишется именно в Российский научный фонд. Удобно и правильно, что существуют гранты разных масштабов. Небольшие позволяют проверить научную идею на фундаментальном уровне, написав несколько статей. А в солидных прикладных проектах можно пойти дальше и создать реальные образцы изделий.
Отдельно хочу отметить, что бюрократия сведена к минимуму и писать заявки и отчеты по проектам достаточно просто — если, конечно, есть результаты. Когда возникают вопросы, можно зайти на сайт, где все детально расписано: что делать и какие формы заполнять. Кроме того, гранты Фонда дают возможность без ограничений купить материалы, оборудование или комплектующие. Это важно для экспериментаторов, которым постоянно требуются комплектующие, не говоря уже об основных установках.
