Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В рамках первого этапа проекта основные работы проводились в четырех направлениях: (1) разработка моделей полупроводниковых лазеров в условиях сверхвысоких уровней возбуждения, (2) разработка базовых принципов селективной эпитаксии в рамках МОС-гидридной технологии, (3) разработка неразрушающих методов исследования процессов образования и развития дефектов в полупроводниковых гетероструктурах, (4) разработка и экспериментальные исследования одиночных одномодовых и маломодовых мощных полупроводниковых лазеров, работающих в условиях сверхвысоких уровней возбуждения. В результате проведенной работы впервые для анализа мощных полупроводниковых лазеров была использована нелокальная модель транспорта носителей заряда в сильных электрических полях. Показано, что использование традиционных локальных моделей транспорта носителей заряда для описания работы полупроводниковых лазеров в условиях сверхвысоких уровней токовой накачки дает заниженное значение внутренних оптических потерь и как, следствие завышенное значение выходной оптической мощности по сравнению с экспериментальными результатами. Для исследования токовой динамики внутренних оптических потерь, как основного фактора снижения оптической мощности при высоких уровнях тока накачки, была разработана экспериментальная методика измерения внутренних оптических потерь в полупроводниковых Фабри-Перо полупроводниковых лазерах. Разработанная методика позволила впервые провести непосредственные измерения токовой зависимости внутренних оптических потерь в мощных полупроводниковых лазерах. Впервые для экспериментальных гетероструктур при прямых измерениях было показано, что увеличение тока накачки вызывает значительное увеличение поглощения на свободных носителях и соответствующее увеличение внутренних оптических потерь с 0.4–0.7 см^–1 при пороговом токе до 2–2.5 см^–1 при 15 кА / см^2. Полученные результата являются основой для развития разработанных моделей мощных полупроводниковых лазеров, а также оптимизации гетероструктур для работы в условиях сверхвысоких уровней возбуждения. Были развиты фундаментальные основы селективной эпитаксии в рамках МОС-гидридной технологии, включающие: разработку диффузионной модели селективной эпитаксии, исследование принципов селективного роста объемных слоев твердых растворов AlGaAs/GaAs. На основании полученных результатов методом МОС-гидридной эпитаксии были созданы многомодовые лазерные гетероструктуры типа зарощенная меза со следующими характеристиками: внутренний квантовый выход стимулированного излучения 95%; внутренних оптических потерь 2,4 см-1; мощность излучения в две стороны в непрерывном режиме генерации 2,1 Вт и в импульсном режиме генерации 23 Вт. Полученные результаты показали, что использование двухэтапного роста при изготовлении мощных многомодовых полупроводниковых лазеров не приводит к драматическому ухудшению таких излучательных характеристик, как внутренний квантовый выход и пороговая плотность тока. Важно отметить, что травление и последующее заращивание напряженной квантовой ямы позволило сохранить высокое оптическое качество. На основании разработанных моделей 2D волноводных структур были созданы и проведены исследования двух типов конструкций одномодовых и маломодовых мощных полупроводниковых лазеров. Первый тип одномодовых лазеров был изготовлен на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs со сверхузким волноводом. Показано, что использование сверхузкого волновода (100нм) и тонких (70нм) широкозонных барьеров на границе волновод/эмиттер позволяет решать задачу сужения расходимости излучения в дальней зоне в плоскости перпендикулярной слоям гетероструктуры. В разработанных одномодовых лазерах с узким полосковым контактом (ширина 5.1 мкм) расходимость излучения в плоскости параллельной и перпендикулярной слоям гетероструктуры составила 5 и 18.5 градусов, соответственно. Разработанные лазеры демонстрируют эффективную работу в одномодовом режиме до мощности 200 мВт, а дальнейшее повышение тока приводит к включению дополнительных мод высшего порядка, при этом достигаемая максимальная мощность в непрерывном режиме ограничена перегревом и составляет 550мВт. Переход в импульсный режим генерации (длительность импульсов 200нс) позволил поднять максимальную пиковую мощность до 1500 мВт. Второй тип конструкции лазеров с узким мезаполосковым контактом был разработан на основе асимметричных AlGaAs/GaAs гетероструктур с широким волноводом. Показано, что максимальная мощность в непрерывном режиме ограничена тепловым разогревом и достигает 1695мВт на токе 2350мА при 25°C, а максимальный КПД достигает 54.8%. Понижение рабочей температуры до -8°C позволило повысить максимальную мощность до 2 Вт. При накачке импульсами тока длительностью 240 нс и амплитудой 4230мА была получена пиковая мощность 2930 мВт. Показано, что в импульсном режиме существует область «оптического провала», в которой наблюдается низкоэффективная лазерная генерация в режиме периодической последовательности лазерных импульсов суб-нс длительности. Полученные результаты в части одномодовых и маломодовых лазеров соответствуют мировому уровню. Также в ходе работы был проведен ряд экспериментальных исследований, посвященный исследованию пространственной и временной динамики (нс и суб-нс) одно- и многомодовых лазеров при высоком уровне импульсного возбуждения. Для решения поставленной задачи были разработаны и исследованы лазерные структуры с различной конструкцией активной области, обеспечивающей эффективное накопление носителей. Так, на структуре с объемной активной областью были продемонстрированы импульсы длительностью менее 50пс, а на образцах из структуры с 5 квантовыми ямами продемонстрировано более 10Вт в одиночном всплеске длительностью 300пс. Были разработаны и исследованы вертикальные сборки лазер-тиристор, которые продемонстрировали возможности создания компактных низковольтных источников импульсного питания для генерации мощных лазерных импульсов. Был продемонстрирован режим генерации «длинных импульсов» с параметрами: амплитуда пикового тока до 208 А, при этом пиковая мощность лазерного излучения достигала 78 Вт. А также для гибридных сборок лазер/тиристор был исследован режим генерации «коротких импульсов». Продемонстрирована возможность генерации минилинейкой из трех излучателей и одиночного тиристорного ключа лазерных импульсов с пиковой мощностью 6Вт с длительностью 950пс и пикового тока 12А для рабочего напряжения 28В. Использование двойного тиристорного ключа привело к уширению токового импульса за счет разной задержки включения тиристорных ключей, при этом пиковая мощность и длительность лазерных импульсов увеличились до 8Вт и 1.4нс, соответственно. Для решения задачи повышения спектральной яркости мощных полупроводниковых лазеров были проведены исследования лазеров с поверхностным РБЗ, обеспечивающим сужения спектра генерации лазера. При режиме накачки импульсами тока 100нс ширина спектра Фабри-Перо лазеров превышает 5 нм, в то время как ширина спектра РБЗ лазера не превышает 0.3 нм во всем диапазоне токов накачки. Спектр генерации РБЗ лазера не уширяется и не смещается с увеличением концентрации носителей заряда в активной области. Максимальная выходная мощность при ширине спектра 0.3 нм составила 14 Вт для режима накачки импульсами тока длительностью 100нс. Работы по спектральной селекции также проводились в рамках перестраиваемого лазера. Для решения поставленных задач была разработана и исследована схема с внешним резонатором в геометрии Littrow на основе отражательной дифракционной решетки и кристалла мощного полупроводникового лазера на основе асимметричной гетероструктуры с низкими оптическими потерями. Для внешнего резонатора продемонстрирована непрерывная оптическая мощность 13 Вт при ширине спектра генерации 0.15нм. Показано, что уменьшение длины лазерного кристалла до 1500мкм позволяет расширить диапазон перестройки спектра генерации до 100нм, при этом максимально подавление боковых мод достигает 45дБ, а на краях спектрального диапазона не хуже 30дБ. Полученное значение диапазона перестройки и максимальной непрерывной мощности в схеме с внешним резонатором является наибольшим из известных. Показано, что основными факторами, приводящими к снижению оптической мощности при перестройке спектра генерации, являются рост порогового тока и внутренних оптических потерьлазерного кристалла. Также впервые были исследованы особенности излучательных характеристик мощных полупроводниковых лазеров при сверхвысоких уровнях импульсной токовой накачки. Показано, что максимальная пиковая мощность, генерируемая во внешнем резонаторе, составила 47Вт на 110А (с апертуры 100мкм), при этом ширина (0.15нм) и положение (в диапазоне 1040 – 1070нм) линии генерации определялись внешней дифракционной решеткой. Показано, что диапазон перестройки сужается при увеличении амплитуды тока накачки с 27нм при токе 20А до 23нм при токе 100А. Показано, что максимальное подавление боковых мод достигало 45 дБ в центральной области спектрального диапазона перестройки, при этом на краях указанного диапазона не хуже 20дБ. Установлено, что расширение диапазона перестройки спектра лазерной генерации ограничивается появлением в спектре дополнительной линии, соответствующей собственному Фабри-Перо резонатору лазерного кристалла.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Работа посвящена разработке и исследованию многоэлементных фотонных схем на основе полупроводниковых наногетероструктур для мощных источников лазерного излучения. В рамках второго этапа проекта основные работы проводились в четырех направлениях: (1) разработка моделей лазерных излучателей, в том числе многоэлементных линеек, работающих при сверхвысоких уровнях возбуждения, (2) разработка принципов селективной эпитаксии в рамках МОС-гидридной технологии, процессов плазмохимического травления и высокотемпературного отжига, (3) исследование надежности лазерных излучателей и разработка неразрушающих методов контроля развития дефектов, (4) разработка и экспериментальные исследования как одиночных одномодовых и маломодовых мощных полупроводниковых лазеров так и линеек на их основе, работающих в условиях сверхвысоких уровней возбуждения в том числе с субнаносекундными длительностями импульсов. В ходе теоретических работ и проводимого моделирования была разработка модель многоэлементных линеек одномодовых и маломодовых излучателей, работающих при сверхвысоких уровнях возбуждения. В рамках разработанной модели энергетического баланса с учетом эффектов насыщения скорости дрейфа были получены двумерные распределения плотностей тока и концентраций носителя заряда в слоях гетероструктуры. Данные результаты использовались в расчете модовых структур волноводов многоэлементных линеек. На основе разработанных моделей была проведена оптимизация параметров гетероструктуры и конструкции лазерного кристалла, для обеспечения одномодового и маломодового режима работы линеек лазерных диодов при сверхвысоких уровнях возбуждения. Расчеты продемонстрировали, что ширина меза-канавы между излучателями 15мкм являет границей несвязности для нулевых мод (TEM00). Также установлено, что модовый состав излучателя не зависит от тепловой мощности в широком диапазоне температур. Исследования в области эпитаксиальных технологий были направленны на разработку селективного роста гетероструктур с квантовыми ямами InGaAs на подложках GaAs (100) с рисунком из чередующихся полос с использованием МОС-гидридной эпитаксии. Впервые были проведены комплексные исследования с пространственным разрешением свойств гетероструктур и слоев, полученных методом селективной эпитаксии. Было обнаружено, что спектры фотолюминесценции, измеренные от края к центру окна, демонстрируют максимальное синее смещение на 14 и 19 мэВ при температурах 80 и 300K, соответственно. В структурах, выращенных с использованием селективной эпитаксии, выявлено сильное изменение морфологии поверхности в окне от центра к краю, что объясняется изменением локальной разориентации слоя из-за локального изменения скорости роста по ширине окна. Исследованы режимы плазмо-химического травления для селектированного профилирования планарной поверхности полупроводниковой гетероструктуры, используемой для селективного роста. Проведены исследования влияния высокотемпературного отжига для восстановления свойств поверхности. Установлено, что использование отжига не вносит существенные изменения в интенсивность и ширину фотолюминесценции. На основе проведенных исследований был разработан дизайн для линейки, состоящей из 10 активных элементов, которая обеспечивает однородность излучения от всех элементов по длине волны при использовании селективной эпитаксии. Также была разработана и исследована конструкция гетероструктуры, в которой активные области были интегрированы через туннельные переходы. Исследование качества выращенных гетероструктур с помощью неразрушающих методов контроля продемонстрировало, что на исследованной пластине практически отсутствуют ростовые макродефекты. Анализ экспериментально измеренных характеристик лазерных излучателей продемонстрировал высокую однородность между образцами. Проведение тестирования надёжности образцов в непрерывном и квазинепрерывном режимах показало, что основным ограничивающим максимальную выходную оптическую мощность и время работы лазеров фактором является разрушение переднего зеркала. Кроме того, вид просветляющего покрытия после наработки свидетельствует о серьёзном тепловом воздействии. Экспериментальные исследования одномодовых и маломодовых одиночных лазеров с широкой апертурой показали, что существенное расширение выходной излучающей апертуры (до 800мкм), позволяет сместить эффект насыщения ВтАХ в область больших токов и поднять пиковую выходную оптическую мощность лазерных импульсов нс длительностью с 36Вт до 57Вт. Проведенные исследования импульсных полупроводниковых лазеров при высокой температуре (90оС) показали, что разработанный дизайн гетероструктуры позволяет сохранить эффективную работу полупроводниковых лазеров и достичь значений выходной оптической мощности 43Вт/122А/100мкм, сравнимых с лучшими мировыми результатами. Проведенные исследования показали, что использование расширенных латеральных волноводов мезаполосковой конструкции (до 10мкм), оптимизированных для работы в маломодовом режиме, позволяет существенно увеличить непрерывную выходную оптическую мощность до 2.6Вт без заметного ухудшения качества лазерного излучения (яркость 3.7 Вт/(мм×мрад)), при этом максимальная пиковая мощность в импульсном режиме достигала 5.1Вт. Исследования, посвященные импульсному режиму генерации с высокой амплитудой токов и большой частотой повторения, были направленны на разработку вертикальных сборок тиристор-ключ минилинейка полупроводниковых лазеров. Были продемонстрированы рекордные значения выходной оптической мощности 85Вт, при частоте 10кГц и длительности импульса 15нс, а также пиковая оптическая мощность 47Вт, при частоте 1МГц и длительности импульса 6.4нс. Экспериментально продемонстрировано, что работа в высокочастотном режиме не приводит к существенному разогреву, как 2D тиристора-ключа, так и лазерной минилинейки. В ходе работы были продолжены исследования излучательных характеристик в режиме генерации суб-нс импульсов для минилинеек полупроводниковых лазеров. Разработанные подходы по оптимизации дизайна гетероструктуры и конструкции чипа ключа позволили как достичь режима суб-нс генерации (200пс), так и существенно повысить выходную оптическую мощность (11.5Вт) и частоту повторения (1МГц). Исследования фундаментальных процессов, протекающих в полупроводниковых лазерах, были сфокусированы на исследования зависимостей внутренних оптических потерь от тока инжекции. Проведенная работа позволила установить взаимосвязи зависимостей внутренних оптических потерь и внутреннего квантового выхода с температурными зависимостями порогового тока и наклона ВтАХ лазеров, характеризуемыми температурами Т0 и Т1. Эксперименты продемонстрировали строгую связь насыщения ВтАХ лазеров с резким падением внутреннего квантового выхода, который проявляется, начиная с некоторой температуры чипа, определяемой конструкцией активной области гетероструктуры. Высокая температурная стабильность характеристик гетероструктуры с более широкозонным волноводом обеспечивалась большой глубиной квантовых ям. Были проведены исследования подходов модовой селекции излучения одиночных лазеров и минилинеек на их основе. На основе сравнения экспериментальных измерений 4 гетероструктур различного дизайна проведены исследования вытекающей моды. Показано, что наличие вытекающего излучения в ряде гетероструктур не отразилось на полной выходной оптической мощности и не вызвало значительных оптических потерь. Для лазеров с малым скачком показателя преломления волновод-эмиттер эффект вытекания усиливается и может привести как к снижению мощности, так и к появлению особенностей модовой структуры излучения. Экспериментально продемонстрировано, что параметры лазерного резонатора сильно влияют на эффект вытекания, что особенно актуально для длинных кристаллов (до 6 мм) с сильным просветлением выходных зеркал. С целью исследования режимов генерации лазерных импульсов микролинеек на основе несвязных одномодовых и маломодовых излучателей были проведены разработка и исследования лазерных линеек по 10 излучателей с апертурой каждого излучателя - 6мкм. Получена непрерывная выходная оптическая мощность 7 Вт и пиковая мощность 18 Вт на длине волны 1075 нм, что говорит о высокой яркости разработанных лазерных линеек. При одинаковой выходной оптической мощности параллельное дальнее поле линеек одномодовых излучателей имеет вид гауссова распределения в отличие от лазеров с широким полосковым контактом. На основе проведенных исследований и полученных результатов были опубликованы или приняты в печать набор статей в ведущих научных журналах: IEEE Photonics Technology Letters, IEEE Transactions on Electron Devices, Quantum Electronics, Semiconductor Science and Technology. Участники коллектива активно выступают на международных и российских конференция: 19th International Conference Laser Optics, SPIE Photonics West 2020, XXIV Международный симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника».

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Работа посвящена разработке и исследованию интегральных многоэлементных фотонных схем на основе полупроводниковых наногетероструктур с использованием технологии селективной эпитаксии для мощных источников лазерного излучения. В рамках третьего этапа проекта основные работы проводились в четырех направлениях: (1) разработка и экспериментальные исследования как одиночных мощных полупроводниковых лазеров со сверхширокой апертурой излучения так и линеек и стеков на их основе, работающих в непрерывном, квазинепрерывном и импульсном режиме инжекции тока, (2) разработка моделей лазерных излучателей, в том числе многоэлементных с вертикально интегрированной решеткой активных областей, (3) разработка принципов селективной эпитаксии в рамках МОС-гидридной технологии, разработка постростовых подходов формирования распределенных брэгговских элементов на поверхности гетероструктур, (4) исследование надежности лазерных излучателей. (1) Разработаны и исследованы полупроводниковые лазеры на основе гетероструктур с профилированными активными областями, обеспечивающими одномодовый режим генерации при сверхшироких апертурах. Экспериментальные исследования характеристик данных микроструктурированных линеек одномодовых лазеров на основе несвязанных латеральных волноводов в непрерывном и импульсном режиме показали, что оптимизация гетероструктуры позволяет повысить плотность заполнения латеральной апертуры. Для экспериментальных образцов микролинеек, состоящих из 10 полосков шириной 6.5 мкм, была достигнута выходная оптическая мощность 5Вт в непрерывном режиме и 26Вт/37А в импульсном режиме (130нс, 1кГц). Параллельное дальнее поля не превышало 12 градусов и сохраняло гауссову форму (как в непрерывном, так и в импульсном режиме). Эксперименты по измерению ближнего поля продемонстрировали отсутствие общей супермоды и несвязанность для линейки латеральных волноводов. Были разработаны и исследованы импульсные источники лазерного излучения 910нм на основе вертикальных решеток в виде туннельносвязанных излучающих AlGaAs/InGaAs/GaAs гетероструктур, обеспечивающие повышения яркости лазерного излучения. Конструкции микролинеек включали 3 полоска с шириной излучающей области 800мкм. Для импульсной накачки была разработана компактная плата-генератор импульсов тока 750А/100нс. В результате продемонстрирована возможность генерации лазерных импульсов 1150Вт/750А/25C, 1030Вт/750А/50C и 905Вт/720А/75C. На основе гетерострукутр с двойной асимметрией и градиентными волноводными слоями разработаны линейки полупроводниковых лазеров (1060нм) со сверхширокой излучающей апертуры и стеки на их основе, для генерации пиковой оптической мощности кВт уровня в импульсном режиме. Была продемонстрирована выходная пиковая оптическая мощность 290Вт для единичного излучателя и 1400Вт для стека, состоящего из 3 микролинеек с тремя излучателями каждая, при накачке 100нс импульсами с частотой 1кГц. Максимальная мощность стека была ограничена возможностями генератора тока, а не насыщением ВтАХ лазеров. На основе асимметричных гетероструктур с активной областью из одиночной квантовой ямы разработаны источники для квазинепрерывного и непрерывного режима генерации со сверхширокой апертурой (800мкм). Одиночные излучатели с апертурой 800мкм продемонстрировали максимальную пиковую оптическую мощность 83Вт на 97А при накачке импульсами тока длительностью 1мс. Экспериментально исследованы подходы по модовой селекции в микролинейках одномодовых лазеров с профилированными активными областями. Показано, что рассчитанный коэффициент оптической связи (10^-4) позволяет провести селекцию мод во внешнем резонаторе и обеспечить условия для устойчивой генерации на общей моде для ближайших волноводов. Показано, что работа на общей моде позволяет существенно снизить расходимость излучения до значения 1 градус, что белее чем на порядок ниже, чем в микролинейке с оптически не связанными волноводами. Разработаны лазерные гетероструктуры с туннельными p-n переходами, работающие на общей моде на длине волны 1040нм. Продемонстрирована лазерная генерация в подобных гетероструктурах с пиковой мощностью 10Вт/100нс. (2) В ходе теоретических работ и проводимого моделирования была разработана базовая статическая 2D модель, описывающая транспорт носителей заряда перпендикулярно слоям гетероструктуры и содержащая лазерную модель, учитывающую моды поперечного волновода и распределение поля вдоль резонатора. Показано, что эффект продольного выжигания носителей заряда приводит к снижению выходной оптической мощности полупроводниковых лазеров, что сильнее выражено при больших токах накачки и высокой асимметрии коэффициентов отражения зеркал резонатора. Была разработана базовая структура 3D модели, учитывающая двумерный транспорт носителей заряда и распространение лазерного излучения вдоль оси резонатора. Векторизации данных на примере базовых алгебраических задач позволила в несколько раз сократить время, требуемое для решения задачи. Для решения задачи транспорта в вертикально-интегрированных решетках активных областей была разработана модель, учитывающая туннелирование носителей заряда. Проведено сравнение результатов с экспериментальными ВАХ туннельного диода. Для поддержания достаточной эффективности туннелирования необходимо, чтобы легирование туннельного перехода было выше 5·10^19см-3. При этом для подавления токовых утечек целесообразно использовать тонкие (порядка 20 нм) широкозонные слои с высоким легированием, при этом достаточно одного барьера со стороны n-слоя туннельного перехода. На основе полученных результатов была разработана второе поколение гетероструктур с вертикально-интегрированными решетками активных областей, работающих на общей моде. На основе теории связанных мод были проведены расчеты спектров отражения поверхностного распределенного брэгговского зеркала (РБЗ) для гетероструктур со сверхшироким волноводом для вертикально-интегрированных решеток активных областей, работающей на общей моде высокого порядка. Показана возможность использования РБЗ высокого порядка для стабилизации и снижения ширины спектра лазерной генерации менее 1нм. Продемонстрировано, что условием достижения коэффициента отражения R>60% является величина фактора оптического ограничения общей волноводной моды высокого порядка в p-эмиттере Г>1%, а также клинообразная форма штриха РБЗ. (3) Исследования в области эпитаксиальных технологий были направленны на разработку селективного роста гетероструктур с квантовыми ямами InGaAs на подложках GaAs (100) с рисунком из чередующихся полос с использованием МОС-гидридной эпитаксии. Экспериментально и теоретически изучена эволюция морфологии поверхности слоя GaAs в окне, сформированном в маске SiO2. Экспериментально и теоретически показано, что для симметричной маски характерно слабое изменение ориентации ступеней роста в центральной части окна и близкий к 90 градусам разворот для крайних областей, при этом размер центральной области резко снижается при увеличении толщины слоя. В ходе исследований были выращены методом селективной эпитаксии структуры с квантовыми ямами InGaAs. Структуры отличались толщиной слоя GaAs на который осаждалась квантовая яма. Показано, что с увеличением толщины нижнего слоя GaAs от 0.12 до 1.2мкм длина волны максимума спектра фотолюминесценции смещается в длинноволновую область с 1021 до 1028нм, а также возрастает интенсивность спектров фотолюминесценции. С использованием двумерной транспортной модели, основанной на дрейф-диффузионном транспорте и учитывающей ударную ионизацию, а также модели двумерного волновода были исследованы базовые подходы к созданию зарощенных одномодовых лазеров. Показано, что наиболее оптимальной с точки зрения модовой селекции, а также ограничения протекания тока и сопротивления структуры была структура с низколегированным (5·10^16 cм-3) запирающим слоем n-AlGaAs 25-30% 1мкм, где блокирующее напряжение составило порядка 7В. В дальнейшем планируется оптимизация структуры по результатам экспериментов, что позволит сильнее ограничивать растекание тока. (4) Была разработана методика напыления просветляющих покрытий на основе пленок AlN с использованием технологии триодного ионно-плазменного напыления и методика тестирования надежности мощных непрерывных полупроводниковых лазеров на 1060нм. В результате была создана серия образцов с просветляющими покрытиями на основе SiO2 и AlN, для которых проводились измерения максимальной мощности, ограниченной разрушением кристалла. Проведенные исследования показали, что средняя достигаемая максимальная мощность для SiO2 на 1-2Вт превышает среднюю максимальную достигаемую мощность для лазеров и AlN. Максимальное значение мощности при температуре 10 градусов составило 23Вт. Измерения в импульсном режиме (100нс) показали, что максимальная мощность ограничена нетепловым насыщением ВтАХ, разрушений зеркал не наблюдалось. Для исследований долговременной надежности были разработаны деградационные стенды и источники питания, обеспечивающие круглосуточную наработку и мониторинг выходной оптической мощности. На данном этапе были начаты работы с образцами на основе SiO2 покрытий, работающими на длине волны 1060нм. На момент написания отчета ведется наработка 10 образцов на токе 5А и мощности 3.4Вт. 4 образца отработали 720часов без изменения мощности 1 образец продеградировал. 5 образцов нарабатываются 240часов без изменения мощности. Наработка продолжается. На следующем этапе планируется продолжить данную работу, в том числе для образцов с покрытием на основе AlN. По результатам проведенных работ были опубликованы или готовятся к публикации статьи в журналах: Semiconductors Science and Technology (Q1 i.f. 2.508), Nanomaterials (Q1 i.f. 5.346), IEEE Photonics Technology Letters (Q1 i.f. 2.992), Journal of Lightwave Technology (Q1 i.f. 4.142) Квантовая электроника (переводная версия Quantum Electronics, i.f. 1.022). Коллектив представлял полученные результаты на ряде ведущих конференций: 27th International Semiconductor Laser Conference, Potsdam, Germany, 10-14 Октября, 2021г; Conference on Lasers and Electro-Optics/Europe (CLEO®/Europe-EQEC 2021), Мюнхен, 21-25 июня 2021г; VIII Международный симпозиум по когерентному оптическому излучению полупроводниковых соединений и структур (КОИПСС 2021), Москва, 23-25 ноября 2021г. Результаты работ были представлены в СМИ со ссылкой на финансирование гранта: https://scientificrussia.ru/articles/ucenye-spbgetu-leti-i-fti-im-af-ioffe-razrabotali-tehnologiu-polucenia-materialov-dla-proizvodstva-kompaktnyh-lazerov?utm_source=yxnews&utm_medium=desktop&utm_referrer=https%3A%2F%2Fyandex.ru%2Fnews%2Fsearch%3Ftext%3D https://xn--80afdrjqf7b.xn--p1ai/news/10780/?utm_source=yxnews&utm_medium=desktop&utm_referrer=https%3A%2F%2Fyandex.ru%2Fnews%2Fsearch%3Ftext%3D https://www.nanonewsnet.ru/news/2021/uchenye-spbgetu-leti-fti-im-af-ioffe-razrabotali-tekhnologiyu-polucheniya-materialov-dlya- http://www.ras.ru/news/shownews.aspx?id=dd6b1af6-b0c8-4e80-8ad7-9c860bdbfea2#content Под эгидой РНФ была проведена международная школа «Физика лазеров» 17-18 ноября 2021г. В рамках заседаний школы были прочитаны лекции ведущими учеными и представителями фирм из России, Германии, Великобритании, Беларуси и США. В этих лекциях обсуждались самые последние достижения в области физики и технологии различных типов полупроводниковых лазеров. На школе присутствовало очно 26 и дистанционно 18 молодых участников.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Моделирование полупроводниковых лазеров. Разработана модель, в которой реализована возможность задавать значения параметров слоев гетероструктуры как функции от продольной координаты, что позволяет учитывать не только меняющуюся вдоль оси резонатора температуру, но также задавать пространственную неоднородность параметров для описания конструкций, полученных методом селективной эпитаксии. В рамках разработанной модели проведена оптимизация параметров резонатора мощных импульсных лазеров. Расчеты продемонстрировали, что для малых длин резонатора основной вклад в насыщение ВтАХ в области высоких токов накачки дают эффекты, связанные с ростом оптических и рекомбинационных потерь. При переходе в область длинных резонаторов определяющий вклад в снижение пиковой мощности дают потери, связанные с выводом излучения из резонатора. В рамках двухмерного моделирования волноводов разработаны конструкции многоэлементных линеек одномодовых лазеров с различной силой оптической связи между полосками. Эпитаксиальная и постростовая технология В рамках теоретических и экспериментальных исследований разработаны конструкции латеральных волноводов для многоэлементных гетероструктур, реализованных в рамках технологии селективной эпитаксии. Показано, что в конструкции глубокая меза с использованием многостадийного роста латеральные волноводы могут быть сформированы слоями GaAs и Al0.26Ga0.74As для которых отсутствуют токовые утечки. Разработана технология постростовых операций создания линеек полупроводниковых лазеров с оптически связанными волноводами, сегментированными активными областями и элементами управления фазой. Были разработаны дизайн чипа, технологическая последовательность и комплект литографических фотошаблонов. Ключевая особенность разработанного дизайна чипа - применение двухстадийной эпитаксии. Итоговая технологическая последовательность включает в себя 9 основных этапов, для реализации которых разработан комплект из 8 фотолитографических шаблонов. Шаблоны содержат геометрические паттерны для формирования заявленных элементов чипа и метки совмещения, обеспечивающие требуемую точность изготовления. Проблемы надежности В результате выполненной работы показана высокая устойчивость разработанного дизайна лазерных гетероструктур для спектрального диапазона 1060нм к процессам внутренней деградации. Продемонстрирована непрерывная работа без пассивирующих покрытий при токе накачки 2А в течении 6270часов. Для микролинеек одномодовых лазеров (1060нм) продемонстрирована надежная работа в импульсном режиме (100нс/10кГц/10А) без ухудшения характеристик в течении 790часов. Экспериментальные исследования В рамках экспериментальных работ проводились исследования различных типов конструкций одиночных одномодовых и многомодовых лазеров, а также линеек и стеков на их основе. Показано, что сильная оптическая связь позволяет реализовать условия фазировки, как во внешнем, так и во внутреннем резонаторе. Признаки фазировки для конструкции с собственным резонатором Фабри-Перо для лазеров на длину волны 1060нм проявлялись в периодической модуляции параллельного дальнего поля. Для образцов была продемонстрирована пиковая мощность 10Вт/16А. Использование внешнего резонатора позволило реализовать условия для управления модовым составом излучения. Показана минимальная расходимость в параллельном поле 1.5град. Максимальная мощность достигала 3Вт и была ограничена появлением мод собственного Фабри-Перо резонатора, что ограничивает данный подход для решения задачи создания линеек с высокой пространственной яркостью и пиковой мощностью кВт уровня. Для решения задачи повышения пространственной яркости была разработана серия структур со сверхшироким волноводом, толщиной 4мкм, на длину волны 970нм. Показано, что использование конструкции с одной квантовой ямой позволяет снизить расходимость излучения на уровне FWHM до 12.9град. Были продемонстрированы мощные полупроводниковые лазеры, излучающие в непрерывном режиме 9 Вт при параметрах: 25°С/10 А, 55°С/11.4 А. В связи с перспективностью разработанного дизайна было принято решение разработать на основе данной структуры одиночные одномодовые лазеры и микролинейки. Для одиночных одномодовых лазеров продемонстрирована пиковая оптическая мощность 1.8Вт при токе накачки 3А (30нс, 1кГц). Продемонстрирован эффект заужения спектра ниже предела разрешающей способности фурье-спектрометра (0.024нм) при непрерывной мощности 400мВт. Данные результаты по заужению спектра получены впервые и являются важными для проведения последующих работ по созданию мощных полупроводниковых лазеров с высокой спектральной яркостью. Для микролинеек одномодовых лазеров (6.5мкм х10 излучателей) продемонстрирована пиковая мощность 18Вт при токе накачки 35А (130нс, 1кГц). Это позволяет аппроксимировать выходную мощность для линеек с излучающей апертурой 1см – до уровня 1.9кВт при токе накачки 2.36кА. Оптимизированная конструкция одномодовых волноводов позволяет получать гауссоподобное поле с малым астигматизмом и шириной 6град и 12град для параллельного и перпендикулярного направления. Для решения задачи разработки высокоэффективных лазеров (более 70%) и линеек кВт уровня была разработана серия лазерных гетероструктур, а также экспериментальных образцов лазеров различных конструкций. Измерения показали, что в непрерывном режиме генерации наиболее высокие значения КПД продемонстрировали структуры: тип 1 на длину волны 970нм (до 73.3%) и тип 6 на длину волны 1030нм (до 72.5%). В результате для импульсной накачки (0.1-0.3мс) продемонстрированы оптические мощности до 210Вт для линейки из 200мкм х12 излучателей (тип 6), до 90Вт для одиночного излучателя 800мкм (тип 1). Зависимости пиковой мощности от тока накачки имели линейный характер, что позволяет аппроксимировать мощность до 1100Вт при токе накачки 950А для излучателя с общей шириной излучающей апертуры 0.96см. Были изготовлены вертикальные стеки на основе линеек 800мкм х3излучателя. Для стека из 10 линеек была продемонстрирована оптическая мощность 3.2кВт при импульсной накачке (100нс, 200Гц). Высокая температурная стабильность и энергетическая эффективность позволяют демонстрировать пиковую мощность кВт уровня с излучающей апертуры не более 1см для широкого диапазона длительностей импульсов. Для генерации мощных субнаносекундных оптических импульсов в режиме модуляции усиления были разработаны лазерные диоды, на основе асимметричной гетероструктуры AlGaAs/GaAs с объёмной активной областью. Для разработанных лазерных диодов (100мкм) в режиме модуляции усиления продемонстрирована пиковая мощностью 22Вт при длительности одиночного импульса менее 110пс. Исследовались возможности заужения спектра генерации мощных лазеров с помощью VBG. Для полупроводниковых лазеров (800мкм), изготовленных на основе разработанной гетероструктуры с волноводом 1.7мкм и активной областью на 970нм, при импульсной накачке (100нс, 500Гц) с амплитудой до 250А достигнуты рекордные характеристики: выходная пиковая мощность 130Вт при ширине линии генерации 0.2нм, SMSR не менее 60дБ. Разработан подход, направленный на увеличение яркости и излучательной эффективности в гетероструктурах, работающих на общей поперечной моде. Были разработаны два типа гетероструктур: с двумя активными областями с одним туннельным переходом (STJH – single tunnel junction heterostructure) и тремя активными области с двумя туннельными переходами (DTJH – double tunnel junction heterostructure) для работы на первой и второй общей волноводной моде, соответственно. Максимальная излучательная эффективность и оптическая мощность (для импульса тока 1мкс и 9.6А) достигала: STJH - 1.6Вт/А и 7.8Вт; DTJH - 2.2Вт/А и 15.8Вт. Для DTJH гетероструктуры образцы с шириной апертуры 800мкм при импульсной накачке (70нс, 1кГц) продемонстрировали рекордную эффективность и выходную оптическую мощность - 125Вт/80А, что более, чем в два раза превышает мощность для классических лазерных гетероструктур и демонстрирует эффективность разработанных конструкций.