http://93.174.130.82/news/shownews.aspx?id=672d607d-9013-45b5-bc12-aae0802fd7b6&print=1
© 2025 Российская академия наук
В России создают технологию для лазерной
зарядки спутников и приборы, которые позволяют изучать живые ткани с
разрешением до нанометров. Об этих и других передовых разработках «Известиям»
рассказал директор Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН доктор
физико-математических наук Сергей Иванов. Встреча с ним прошла на полях форума
«Микроэлектроника-2025».
— Сергей Викторович, что значит форум
«Микроэлектроника» для страны?
— Это масштабное событие, которое проводят уже в
11-й раз. В нынешнем форуме, как ожидается, примут участие более четырёх тысяч
человек из 1100 организаций. Его ключевая роль — в объединении представителей
отрасли: учёных, предпринимателей, руководителей корпораций и государственных
ведомств. Такое взаимодействие создает мощный стимул для развития.

Директор Физико-технического института им А.Ф. Иоффе
РАН доктор физико-математических наук Сергей Иванов
Нобелевский лауреат Жорес Алфёров говорил, что науке
необходима промышленность как направление для приложения фундаментальных
исследований. Россия пережила эпоху, когда труд учёных был не востребован.
Однако сейчас в стране созрел класс потребителей отечественной компонентной
базы. Это двигает науку вперед. Форум стал одним из факторов, которые
определили эти изменения. И здесь важно отметить вдохновляющую и координирующую
роль, которую играет президент Российской академии наук Геннадий Красников,
ученик и соратник Жореса Алфёрова.
— Приведите примеры практических применений
российских разработок в сфере микроэлектроники.
— Возьмём, к примеру, лазерные технологии. К ним, в
частности, относят лидары — это «глаза» беспилотных транспортных средств. Они
обеспечивают им обзор и возможность избегать препятствий. Такие приборы
представляют собой комбинацию источников света (лазеров), его приёмников
(фотодетекторов) и преобразователей энергии фотонов (частиц света) в
электрические сигналы. Все эти устройства — часть разработок ФТИ РАН.

Другой пример. В институте создают технологии для
лазерной дозарядки малых спутников в космосе. Эта технология работает по
принципу беспроводной передачи энергии. Её суть заключается в следующем: мощный
источник излучения, размещенный на спутнике-энергоустановке, формирует узкий
лазерный луч. Этот луч наводится на приёмные панели (фотоэлектрические
преобразователи) целевого спутника, где энергия света преобразуется в
электрическую. Принцип аналогичен работе солнечных батарей, но с более высокой
эффективностью. Подобным образом можно передавать и информационный сигнал.
— Где ещё востребованы лазерные технологии?
— Их широко применяют в спектроскопии — исследовании
веществ и газов по анализу спектра поглощённых электромагнитных волн. Например,
по поглощению невидимых глазом инфракрасных лучей диапазона 2—5 мкм можно
определить содержание тех или иных молекул вещества в среде, через которую они
пропущены. Для этого требуется второй компонент системы — фотодетектор,
настроенный на ту же длину волны, что и источник, который улавливает свет.
Такие двойные устройства получили название «оптопары».
На их базе создают различные приборы. Например, для
определения концентрации вредных примесей в воздухе. В качестве примера можно
привести детекторы СО2, разработанные в ФТИ РАН и производимые компанией ООО
«ИоффеЛЕД», которыми оснащали аппараты искусственной вентиляции лёгких (ИВЛ)
производство ООО «Тритон электроникс» во время эпидемии COVID-19.
Эти сенсоры определяют уровень углекислого газа в
выдохе человека, что помогает врачам точно настроить аппараты ИВЛ для
правильного газообмена в лёгких пациента. Также уровень СО2 может
сигнализировать о критических состояниях больного. Таких как падение
артериального давления, закупорка сосудов или нарушение обмена веществ.
— Какие ещё разработки ведут в этом направлении?
— Передовое направление — создание оптопар на базе
квантово-каскадных лазеров. В них, в отличие от обычных полупроводниковых
источников направленного света, электроны проходят через множество
последовательных «ступенек» — квантовых ям (нанометровых слоёв полупроводниковых
гетероструктур, где энергия электрона ниже, чем в окружающих слоях) — и в
каждой из них испускают фотоны за счёт переходов на нижние квантовые уровни. В
результате получаются мощные эффективные источники излучения, которые работают
при комнатной температуре в средней инфракрасной области спектра. Этот диапазон
обычным диодным лазерам недоступен.

Оптопары для тетектирования углекислого газа,
созданные в ФТИ РАН
В ФТИ РАН нацелены на разработку оптопар на основе
квантово-каскадных лазеров для дистанционной работы на длинах волн 4—5 мкм. В
этом диапазоне расположены спектральные полосы поглощения большинства молекул
природных и техногенных газов.
В настоящее время здесь получены важные
обнадёживающие результаты. В частности, разработаны чувствительные приборы для
дистанционного определения утечек в газопроводах. Они регистрируют концентрацию
метана в два раза ниже предельно допустимой.
— Чем оптические детекторы лучше традиционных
химических?
— Приборы на основе электрохимических реакций
постепенно насыщаются, поэтому они требуют либо постоянного подогрева, либо
регулярной регенерации. В отличие от них оптические системы более компактны, не
изнашиваются в процессе измерений и могут работать без замены длительное время
и, как уже было сказано, дистанционно. Кроме того, они проводят измерения
мгновенно, не затрачивая времени, требуемого на прохождение химической реакции.
Вместе с тем оптические устройства обеспечивают высокую точность, идентифицируя
целевое вещество по его уникальному спектральному «отпечатку».
Оптические приборы удобнее для медицинских целей,
поскольку позволяют провести анализ мгновенно и не повреждая ткани. Например,
чтобы определить содержание глюкозы в крови, прежде брали образцы крови,
помещали их в химический анализатор и проводили исследование. Сейчас для этих
целей достаточно поместить палец в прибор-оптопару, который настроен на длину
волны 2,1 мкм.
— Расскажите о фотонных разработках в биомедицинском
направлении.
— В качестве примера можно привести создание в
институте имени Иоффе прорывной методики исследования живых клеток методами
оптической спектроскопии с высоким спектральным, пространственным и временным
разрешением, которые прежде применяли лишь для изучения твёрдых тел. Методика
позволяет увидеть малейшие и мгновенные изменения химического состава клеток на
масштабе до нескольких нанометров (одна миллиардная метра) и нескольких
пикосекунд (триллионная доля секунды).
Оптическая высокоточная томография, основанная на
этой методике, будет востребована, в частности, в онкологии — для изучения in
vivo опухолевых клеток и влияния на них лекарств и различных излучений.
Например, сейчас в России, и в частности в Санкт-Петербурге, консорциум
научно-исследовательских организаций разрабатывает «вакцину» против рака —
биопрепарат, который изготавливают на базе опухолевых клеток конкретного
человека. С них делают копию в виде матричной-РНК, которую вводят в организм в
качестве антигена, чтобы активировать иммунную систему. В этом направлении
достигнуты значительные успехи. В том числе есть случаи спасения людей с
третьей–четвёртой стадиями развития заболевания.

Многофункциональный оптический комплекс,
предназначенный для исследования широкого круга объектов методами спектроскопии
высокого пространственного и временного разрешения
В каждом индивидуальном случае предложенная нами
спектроскопическая диагностика позволит на клеточном уровне отследить действие
препарата на злокачественные образования и при необходимости корректировать
лечение, а также диагностировать заболевание на предельно ранних стадиях. Эти
разработки ведутся совместно с Институтом цитологии РАН и НМИЦ онкологии им.
Н.Н. Петрова.
— Для чего ещё применяют квантово-каскадные лазеры?
— Поскольку средний инфракрасный диапазон попадает в
«окна прозрачности» атмосферы 3–5 и 8–12 мкм, такие устройства могут быть
востребованы для всепогодной помехозащищенной лазерной связи между спутниками и
наземными устройствами, внутри роёв БПЛА. В частности, специалистами ФТИ РАН с
партнёрами были созданы лазеры с мощностью в импульсном режиме более 20 Вт, что
превышает современный мировой уровень.
В перспективе такие устройства будут давать
возможность передавать по лазерной связи сотни гигабайт информации в секунду.
Например, снимки со спутников в высоком разрешении и в реальном времени. Помимо
этого, такая мощность повышает качество передачи данных и открывает возможности
для дальней связи, в том числе с аппаратами в глубоком космосе. Примечательно,
что в отличие от подавляющего большинства мощных лазеров, работающих в данных
спектральных диапазонах, которые нуждаются в криогенном охлаждении,
разрабатываемые в ФТИ РАН квантово-каскадные лазеры могут работать при
комнатной температуре. Разработки ККЛ проводятся нами совместно с ООО
«Коннектор-Оптикс», АО «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха» и НПП «Инжект».
— Расскажите о ваших работах в сфере квантовой
техники.
— В этом направлении в институте в числе прочего
созданы устройства с квантовыми точками InGaAs (на основе арсенида
индия-галлия) — источниками одиночных фотонов на длине волны 750–900
нанометров. Эти длины волн используют в полимерных оптических волокнах, которые
применяют в системах квантовых вычислений — упрощённо, «квантовых компьютеров».

Схема работы квантово-каскадного лазера
В отличие от лазеров, которые излучают поток
световых частиц, квантовые точки генерируют строго по одному фотону (кванту
света) в ответ на возбуждающий оптический или токовый импульс. Эффективность
разработки составила свыше 70 %. Это значит, что при подаче 10 импульсов в семи
случаях излучается ровно один фотон. При этом эти частицы идентичны и
неразличимы между собой.
Вместе с тем интенсивность генерации в полтора раза
превысила коммерчески доступные импортные решения. Таким образом, произошло
опережающее импортозамещение, когда недоступные аналоги замещает более
эффективная отечественная разработка. Такие квантовые точки — одна из
перспективных платформ для развития квантовых вычислителей.
— Также квантовые точки используют в системах связи?
— Да, в этом направлении были разработаны
экспериментальные источники одиночных фотонов с эффективностью 22 %, что тем не
менее в два раза лучше мировых аналогов.
Эти квантовые точки работают на длинах волн 1,55 мкм
— «окне прозрачности» кварцевого волокна, из которого строят
интернет-магистрали. Поэтому такие устройства легко интегрировать в
существующую оптоволоконную инфраструктуру для создания квантового интернета и
систем квантовой связи.
Достижением ученых ФТИ РАН в этой сфере стал ряд
технологических решений, которые позволили создавать источники одиночных
фотонов на платформе арсенида галлия (GaAs) — дешёвой и хорошо освоенной
отечественными компаниями технологии изготовления компонентов СВЧ-электроники.
Это открывает путь к массовому производству таких однофотонных источников.

Такие устройства перспективны прежде всего в
системах безопасной криптографически защищённой передачи данных. Они позволяют
кодировать световую информацию в оптоволоконном кабеле путем генерации сложных
ключей — случайных последовательностей квантовых кодов, которые передаются
вместе с закодированной информацией. Любая попытка перехвата такой информации
будет сопровождаться потерей фотонов из кодовых последовательностей,
свидетельствующей о внешнем вмешательстве.
Разработка будет востребована для квантово-оптической
магистрали Москва — Санкт-Петербург и других планируемых линий квантовой связи.
Сейчас на этой магистрали через каждые 70 км
установлены широкополосные амплитудные и фазовые оптические модуляторы на
основе ниобата лития, также разработанные и производимые в нашем институте. Но
пока в ней в качестве источников фотонов используются не квантовые точки, а
полупроводниковые лазеры с сильно ослабленной интенсивностью.
— Какие меры принимаются, чтобы разработки учёных
нашли применение в практических устройствах?
— В настоящее время близится к завершению
строительство НИОКР-центра ФТИ РАН. Центр приступит к работе в конце 2026 года.
Осталось дооснастить все производственные помещения и чистые комнаты
необходимыми инженерными системами. Готовность проекта — 85–90%. Его основная
задача — аккумулировать фотонные и электронные разработки Физтеха имени
Иоффе и доводить их до уровня промышленного внедрения.
На базе этой структуры в рамках федерального проекта
«Подготовка кадров и фундамента электронной промышленности» создается Центр
современной импортозамещающей гетероструктурной электронно-компонентной базы на
базе Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН (Центр ЭКБ Иоффе).
Финансирование программы — около 6 млрд рублей —
позволит приобрести современное технологическое и диагностическое оборудование
и создать локализованные в России технологические линии выпуска мелких серий
разнообразной электронной и фотонной ЭКБ.
— На какой стадии находится этот проект?
— Сейчас закуплено около 60 % оборудования. Всего
будет приобретено порядка 80 единиц техники. Как минимум, половина из них —
отечественного производства или Союзного государства. В Центре ЭКБ Иоффе будут
созданы современные линии полного цикла — от роста кристаллов и гетероструктур
до выпуска готовых корпусированных фотонных и электронных устройств. Таких как
гетеролазеры разных типов, каскадные солнечные элементы, фотоприёмники,
устройства для беспроводной передачи информации, различные датчики и детекторы
и многое другое.
Помимо этого, Минпромторг РФ запускает программу по
созданию полигонов для испытаний продукции отечественной электронной
промышленности. Один из них будет создан на базе Центра ЭКБ Иоффе, а другой —
НИУ «МИЭТ» в Зеленограде. Их задача состоит в том, чтобы проводить независимое
экспертное тестирование и доработку нового отечественного оборудования. Такие
испытательные полигоны помогут в итоге создавать технику мирового класса.
Текст: Андрей Коршунов.
Источник: «Известия».