Спектрально-однородные массивы микролазеров для нейроморфных оптических вычислений

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-19-00221

НазваниеСпектрально-однородные массивы микролазеров для нейроморфных оптических вычислений

Руководитель Бабичев Андрей Владимирович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук , г Санкт-Петербург

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-708 - Лазерно-информационные технологии

Ключевые слова квантовые точки, микролазеры, микростолбики, микрорезонаторы, вертикально-излучающие лазеры, полупроводники А3В5, гетероструктуры, оптическая обработка данных, оптические резервуарные вычисления, машинное обучение

Код ГРНТИ47.09.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время широкое распространение получили концепции машинного обучения, которые используются в самых различных областях науки и техники, таких как компьютерная лингвистика, распознавание речи и языка, распознавание образов, медицинская диагностика, платформы поиска информации, Интернет вещей и т.д. Тем не менее, предлагаемые концепции, как правило, используют те же двоичные компьютеры, на замену которым изначально были предназначены. Альтернативой традиционному использованию концепции машинного обучения с использованием двоичных компьютеров являются физические нейроморфные вычисления, которые используют принципы обработки информации, имитирующие работу человеческого мозга, и позволяют выполнять сверхбыстрые и эффективные вычисления на основе динамических процессов в реальных физических системах. Резервуарные вычисления (РВ) являются разновидностью нейроморфных вычислений, при которой процесс вычислений осуществляется на основе динамического отклика сложной системы, такой как массив микростолбиков, на входной сигнал. Предлагаемый проект направлен на исследование фундаментальных вопросов создания плотных спектрально- однородных массивов лазеров на основе микростолбиков с квантовыми точками (КТ), образованных из полупроводниковых гетероструктур A3B5 для применения в нейроморфной платформе оптической обработки данных на основе РВ. Актуальность проекта определяется тем, что разработка быстрой и энергоэффективной нейроморфной платформы приведет к значительному прогрессу в ряде передовых приложений машинного обучения, где традиционные бинарные вычислительные системы смогут быть заменены на более эффективные решения. Основанием для повышения энергоэффективности являются исследования, которые показали, что мозг является на девять порядков более энергоэффективным, чем традиционный бинарный компьютер. Это происходит, в частности, за счет непосредственного использования континуума информации, содержащейся в аналоговых сигналах, вырабатываемых нейроном или динамической системой. Разрабатываемые эффективные источники света будут обладать низкой оптической пороговой мощностью накачки <~ 100 мкВт, что не может быть обеспечено используемыми в настоящее время лазерными массивами. Это планируется достичь за счет реализации лазерных массивов на КТ на основе микростолбиков, идеально подходящих для реализации мощных РВ, работающих при комнатной температуре. Несколько слоев КТ будут размещены в вертикальных оптических микрорезонаторах, которые сформируют массивы из сотен микролазеров с высокой спектральной однородностью. В предлагаемом проекте мы используем наш опыт в области выращивания полупроводниковых материалов, динамики лазерных систем и интегральной фотоники для создания нового класса быстрых, масштабируемых и энергоэффективных массивов лазеров, которые могут быть использованы для реализации нейроморфных платформ. В конечном счете, это прокладывает путь к практической реализации фотонных нейроморфных вычислений: - впервые будут детально исследованы новые механизмы самоорганизации массивов нанообъектов с трехмерным квантованием (квантовых точек) на основе эффекта наноструктурирования слоя InGaP в потоке мышьяка, выращенного на поверхности слоя GaAs методом молекулярно-пучковой эпитаксии, и обеспечивающего формирование удлиненных в одном кристаллографическом направлении КТ, в форме квантовых штрихов, обеспечивающих за счет этого повышение коэффициента усиления активной области в микрорезонаторном столбике; - будут предложены, смоделированы, созданы и исследованы новые конструкции вертикальных микрорезонаторов, обеспечивающих эффективную оптическую накачку активной среды при комнатной температуре; в конструкции распределенных брэгговских отражателей будут использованы полупроводниковые твердые растворы AlGaAs с шириной запрещенной зоны, превышающей энергию возбуждающего излучения 870 нм, для снижения потерь на поглощение. - впервые будет исследована возможность создания нанофотонного элемента (источника излучения) с повышенной спектральной однородностью, лучше, чем 100 мкэВ (с расстоянием между элементами порядка 10 мкм), с низким пороговым значением мощности оптической накачки, <~ 100 мкВт, из гетероструктуры, созданной методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Решаемая в настоящем проекте проблема является инновационной и актуальной, так как ее решение позволит понять особенности излучения новых интегральных фотонных элементов, таких как лазер на основе микростолбика с КТ. Результаты этого проекта укрепят лидирующие позиции России в области эпитаксиального роста, создания новых материалов и устройств, в т.ч. для нейроморфной фотоники.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Бабичев А.В., Махов И.С., Ткач Ю.С. и др. Микролазеры с массивами квантовых точек InGaAs/GaAs на длине волны 980 нм 7-й симпозиум «Полупроводниковые лазеры: физика и технология», стр. 15 (год публикации - 2022)

2. Dillane M., Викторов Е.А., Kelleher B. Neuronal integration mechanisms with a quantum dot laser neuron: integrate and fire and integrate and inhibit Optics Letters, Vol. 47, No. 24, PP.1-4 (год публикации - 2022)
10.1364/OL.475805

3. Бабичев А.В., Комаров С.В., Ткач Ю.С. и др. Comparative Analysis of InGaAs/GaAs Quantum Dots Produced by Various Epitaxial Techniques Proc. IEEE, pp. 253-256 (год публикации - 2022)
10.1109/EExPolytech56308.2022.9951000

4. Папылев Д.С., Бабичев А.В. Эффективность фотолюминесценции ingaas/gaas квантовых точек спектрального диапазона 980 нм Физика полупроводников и наноструктур, полупроводниковая опто- и наноэлектроника : тезисы докладов Всероссийской научной молодежной конференции, стр. 87 (год публикации - 2022)

5. Папылев Д.С., Бабичев А.В. Исследование фотолюминесценции микролазеров с InGaAs/GaAs квантовыми точками спектрального диапазона 980 нм Физика полупроводников и наноструктур, полупроводниковая опто- и наноэлектроника : тезисы докладов Всероссийской научной молодежной конференции, стр. 88 (год публикации - 2022)

Публикации

1. Диллейн М., Викторов Е.А., Келлехер Б. Refractory times for excitable dual-state quantum dot laser neurons PHYSICAL REVIEW E, 107, 034216 (год публикации - 2023)
10.1103/PhysRevE.107.034216

2. Бабичев А.В., Комаров С.Д., Ткач Ю.С., Неведомский В.Н., Блохин С.А., Крыжановская Н.В., Гладышев А.Г., Карачинский Л.Я., Новиков И.И. Investigation of photoluminescence in the InGaAs/GaAs system with 1100-nm range quantum dots Semiconductors, Vol. 57, No. 1, pp.58-64 (год публикации - 2023)
10.21883/SC.2023.01.55622.4184

3. Бабичев А., Надточий А. М., Ткач Ю. С., Крыжановская Н. В., Блохин С. А., Неведомский В. Н., Гладышев А. Г., Малеев Н. А., Карачинский Л. Я., Новиков И. И. Photoluminescence study of InGaAs/GaAs quantum dots with bimodal inhomogeneous broadening НТВ СПбГПУ. Физико-математические науки, Т.16, №3.2, С. 50–55, 2023 (год публикации - 2023)
10.18721/JPM.163.208

4. Бабичев А. В., Папылев Д. С., Надточий А. М., Ткач Ю. С., Крыжановская Н.В., Блохин С.А., Неведомский В.Н., Гладышев А.Г., Малеев Н.А., Карачинский Л.Я., Новиков И.И. Photoluminescence study of InGaAs/GaAs quantum dots with bimodal inhomogeneous broadening BOOK of ABSTRACTS 10th International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures, pp. 339-341 (год публикации - 2023)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проведен расчет спектров отражения вертикальных микрорезонаторов на основе полупроводниковых и гибридных зеркал методом матриц переноса при различных температурах. Определены значения добротности микрорезонатора, полученные на основании моделирования спектров отражения гетероструктуры лазера с вертикальным микрорезонатором. Представлены результаты по эпитаксии гетероструктуры лазера с вертикальным микрорезонатором с квантовыми точками. Представлены результаты исследования структурного качества гетероструктуры вертикальным микрорезонатора методом сканирующей электронной микроскопии. Представлены результаты по изготовлению микростолбиков различного диаметра методом сухого ионного травления. Представлены результаты по исследованию оптических свойств микростолбиков методом микро фотолюминесценции при различной мощности оптической накачки для микростолбиков при температуре 77К. Определена зависимость положения основной линии фотолюминесценции от диаметра микростолбика. Представлены результаты температурных исследований оптических свойств микростолбиков методом микро фотолюминесценции при различной мощности оптической накачки. Представлены результаты по изготовлению массивов микролазеров методом сухого ионного травления и исследованию их структурных свойств. Представлены результаты по исследованию зависимости положения основной линии фотолюминесценции для различных лазеров в массиве. Представлены результаты по исследованию структурного качества микролазеров с верхним гибридным распределенным брэгговским отражателем методом сканирующей электронной микроскопии. Представлены результаты исследования оптических свойств микростолбиков с верхним гибридным распределенным брэгговским отражателем методом микро фотолюминесценции при различной мощности оптической накачки для микростолбиков с разным диаметром при температуре 77К. Определена зависимость положения основной линии генерации от диаметра микростолбика с верхним гибридным РБО. Представлены результаты температурных (в диапазоне температур 7–220 К) исследований оптических свойств микростолбиков с верхним гибридным РБО методом микро фотолюминесценции при различной мощности оптической накачки. Представлены результаты моделирования мощностных характеристик лазерных структур с целью определения бетта-фактора. Суммируя, в ходе отчетного этапа продемонстрирована генерация на аксиальной моде в микролазера с вертикальным микрорезонатором с низкой пороговой мощностью накачки в диапазоне температур 7-220 К. Результаты исследований представлены на 4 конференциях и отражены в 7 публикациях в рецензируемых журналах, две из которых принадлежат к первой квартили.

Публикации

1. Бабичев А., Махов И., Крыжановская Н., Трошков С., Задиранов Ю., Салий Ю., Кулагина М., Бобров М.и др. Low-Threshold Surface-Emitting Whispering-Gallery Mode Microlasers IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, Volume 31 , Issue 2: Pwr. and Effic. Scaling in Semiconductor Lasers, Early Access (год публикации - 2024)
10.1109/JSTQE.2024.3503724

2. Бабичев А.В., Махов И.С., Крыжановская Н.В., Задиранов Ю.М., Салий Ю.А., Кулагина М.М., Ковач Я.Н., Бобров М.А., Васильев А.П., Блохин С.A., Малеев Н.А., Карачинский Л.Я., Новиков И.И., Егоров А.Ю. Бимодальная генерация на модах шепчущей галереи в лазерах на основе вертикального микрорезонатора ПЖТФ (год публикации - 2025)

3. Папылев Д.С., Бабичев А.В., Надточий А.М., Драгунова А.С., Крыжановская Н.В., Карачинский Л.Я., Новиков И.И., Егоров А.Ю. Self-Assembled InGaAs Quantum Dots with Reduced Inhomogeneous Broadening Proc. IEEE, pp. 270–273, Oct. 2024 (год публикации - 2024)
10.1109/EExPolytech62224.2024.10755942

4. Бабичев А.В., Никитина Е.В., Карачинский Л.Я., Новиков И.И., Егоров А.Ю. Planar Micropillar Cavity Structure with Enhanced Power-Conversion Efficiency Proc. IEEE, pp. 266–269, Oct. 2024. (год публикации - 2024)
10.1109/EExPolytech62224.2024.10755847

5. Бабичев А.В., Надточий А.М., Блохин С.А., Неведомский В.Н., Крыжановская Н.В., Бобров М.А., Васильев А.П., Малеев Н.А., Карачинский Л.Я., Новиков И.И., Егоров А.Ю. Исследование структурных и оптических свойств InGaAs-квантовых точек Физика и техника полупроводников, Физика и техника полупроводников, 2024, том 58, вып. 6, стр. 318-325. (год публикации - 2024)
10.61011/FTP.2024.06.58946.6287

6. Бабичев А.В., Папылев Д.С., Комаров С.Д., Крыжановская Н.В., Блохин С.А., Неведомский В.Н., Гладышев А.Г., Карачинский Л.Я., Новиков И.И., Егоров А.Ю. Study of planar microcavity structure with In 0.63 Ga 0.37 As quantum dots and non-absorbing Al0.2Ga0.8As/Al0.9 Ga0.1As mirrors Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки, Vol. 17. No. 3.1, pp. 233-237 (год публикации - 2024)
10.18721/JPM.173.147

7. Бабичев А., Махов И., Крыжановская Н., Блохин А., Задиранов Ю., Салий Ю., Кулагина М., Бобров М., Васильев А., Блохин А., Малеев Н., Чернычева М., Карачинский Л., Новиков И., Егоров А. Lasing of Quantum-Dot Micropillar Lasers under Elevated Temperatures IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 31, no. 5, Art. No. 1900208, Nov. 2024. (год публикации - 2024)
10.1109/JSTQE.2024.3494245

Возможность практического использования результатов
Возможность практического использования результатов проекта сможет быть оценена при достижении генерации при комнатной температуре, что и будет предметом дальнейших исследований, в случае поддержки проекта по продлению. Стоит отметить, что в ходе реализации текущего проекта достигнуты рекордные характеристики по температуре генерации, но для исследования возможности комнатной генерации требуется дальнейшая оптимизация конструкции вертикального микрорезонатора.