ЦЕЛЬЮ проекта является разработка технологии изготовления и исследование одномодовых поляризационно-стабильных малошумящих вертикально-излучающих лазерных диодов (ВИЛД) для компактных квантовых датчиков на эффекте магнитного резонанса (КДМР) в атомах Cs. Ключевой НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЗАДАЧЕЙ, на решение которой направлен проект, является поиск оптимальных конструкторско-технологических решений по созданию ВИЛД спектрального диапазона 89Хнм с уникальным набором параметров для применения в КДМР с оптической накачкой (в частности, в квантовых магнитометрах). АКТУАЛЬНОСТЬ задачи обусловлена необходимостью развития современных систем навигации (в том числе независимых от спутникового сигнала), геологоразведки, медицинской диагностики (магнитокардиография, магнитоэнцефалография), исследований геодезического строения земной коры и тектонических процессов, для которых требуются высокоточные измерения индукции магнитных полей. Квантовые магнитометры с оптической накачкой и оптическим детектированием магнитного резонанса в газовых ячейках с парами щелочных металлов обеспечивают высокую абсолютную точность и чувствительность измерения магнитного поля. В настоящее время наиболее надежным и распространенным устройством такого типа является квантовый магнитометр на парах Cs с оптической накачкой. Использование в таких квантовых магнитометрах лазерных источников излучения позволяет повысить эффективность накачки в уже существующих схемах, а также реализовать новые схемы оптической накачки. Во многих приложениях необходимо использование компактных КДМР (квантовых магнитометров, гироскопов и других типов), для создания которых необходимы компактные лазерные источники накачки. Вертикально-излучающие лазерные диоды, имеющие конструкцию с вертикальным оптическим микрорезонатором, обладают уникальным сочетанием характеристик для эффективного использования в КДМР: возможность реализации пространственно-одномодового одночастотного режима генерации без внешней обратной связи; возможность контроля и стабилизации направления поляризации выходного излучения; субмиллиамперные пороговые токи; повышенная температурная стабильность; высокая пространственная симметрия выходного оптического излучения; планарная технология изготовления; возможность тестирования и предварительного отбора приборов непосредственно на пластине; минимальные размеры кристалла лазерного излучателя. Магнитометры с накачкой ВИЛД кардинально превосходят традиционные аналоги в компактности и малом энергопотреблении [10.1038/s41377-024-01561-8], что позволяет обеспечить их долговременную автономную работу и помещать их на легкие, недорогие, коммерчески доступные мобильные платформы наземного, подводного и воздушного типа. В настоящее время мировыми лидерами в создании магнитометров, использующими ВИЛД, являются компании из США, такие как QuSpin и FieldLine. КЛЮЧЕВЫМИ ОГРАНИЧЕНИЯМИ при разработках отечественных компактных магнитометров и других КДМР являются: (1) отсутствие производства отечественных ВИЛД с необходимыми характеристиками; (2) технические сложности при выполнения их разработки и организации производства; (3) существующие ограничения на поставки импортных ВИЛД необходимого типа. Разработка конструкции и технологии изготовления ВИЛД, удовлетворяющих комплексу требований к лазерным излучателям для КДМР, существенно более сложная задача по сравнению со стандартной промышленной технологией ВИЛД для систем передачи данных или оптических сенсоров спектрального диапазона 780–940нм. В последнем случае используются многомодовые ВИЛД с достаточно большими латеральными размерами излучающей области (5-7 мкм), а в случае ВИЛД для компактных КДМР необходимо обеспечить одномодовое излучение с контролируемым фиксированным направлением поляризации, что требует использования малых латеральных размеров излучающей области (2-4мкм). Такие приборы существенно сложнее в изготовлении, для них проблематично обеспечить требуемые уровни выходной мощности во всем диапазоне рабочих температур, отвод выделяемого тепла и долговременную надежность. Отдельную проблему представляет надежный контроль направления поляризации выходного излучения. По сравнению с лазерами с внешним резонатором, ВИЛД имеют значительно более высокую зависимость частоты генерации от температуры и тока, а также более широкую линию генерации. Это приводит к более высокому уровню шума мощности лазерного излучения, росту частотных и поляризационных шумов, что обусловлено малой длиной резонатора ВИЛД и объема запасенной в нем энергии.

Существенной НОВИЗНОЙ и основной особенностью предлагаемого в рамках настоящего проекта подхода к разработке технологического процесса изготовления одномодовых поляризационно-стабильных малошумящих ВИЛД спектрального диапазона 89Хнм состоит в тщательной оптимизации выбора режимов работы разрабатываемых приборов с учетом характеристик газовой ячейки на основе атомов Cs, оптической схемы и степени компактности разрабатываемых конкретных вариантов КДМР и последующей адаптацией конструкции ВИЛД, и корректировкой технологии их изготовления. Эффективность разрабатываемого технологического процесса должна быть подтверждена изготовлением экспериментальных образцов одномодовых поляризационно-стабильных малошумящих ВИЛД спектрального диапазона 89Хнм с характеристиками, обеспечивающими их эффективное использования в составе разрабатываемых перспективных компактных КДМР:

• одномодовый режим генерации с коэффициентом подавления боковых мод >20дБ;
• возможность прецизионной настройки длины волны одночастотного лазерного излучения на линию D1 133Cs (894,6±0,3 нм с учетом диапазона температурной подстройки ±5 °С);
• выходная мощность одночастотного лазерного излучения >0,3мВт;
• рабочий ток <5мА;
• состояние поляризация излучения: линейная, фиксация направления поляризации, коэффициент подавления ортогональной компоненты не менее 15 дБ;
• спектральная ширина линии одночастотного излучения <100МГц;
• относительный уровень амплитудных шумов излучения лазера в диапазоне частот 100-1000Гц не более -110дБ/Гц;
• диапазон рабочих температур от +45 до +75°C (уточняется Квалифицированным заказчиком)

Предлагаемый комплексный подход, в первую очередь, позволит снизить требования к выходной мощности лазеров до уровней ~0.3мВт, что приведет к уменьшению рабочих токов и, в результате, ослаблению саморазогрева и снижению скорости деградации ВИЛД. Для обеспечения одномодовой генерации с фиксированным состоянием поляризации предполагается использовать предложенную и успешно апробированную авторами проекта оригинальную конструкция ВИЛД с селективно-окисленной токовой апертурой ромбовидной формы и гибридными (полупроводниковыми и диэлектрическими) распределенными брэгговскими отражателями (RU 2611555, RU 2703938, RU 2704214). В рамках выполнения проекта планируется оптимизация конструкции ВИЛД в части выбора оптимальных коэффициентов отражения брэгговских отражателей, исследования возможности формирования дополнительного поверхностного рельефа для устойчивого контроля модового состава и направления поляризации выходного излучения при максимально допустимых размерах токовой апертуры, снижения внутренних электрических сопротивления и минимизации падения напряжения на гетероинтерфейсах в лазерной структуре, выбора оптимальных значений резонансной длины волны и максимума спектра усиления активной области с учетом выбора рабочей температуры и влияния явления саморазогрева активной области при росте рабочих токов. При разработке технологии изготовления предполагается оптимизировать режимы формирования меза-структур и омических контактов для обеспечения минимизации паразитных емкостей и сопротивлений, разработать прецизионную технологию формирования токовых апертур методом селективного окисления слоев AlGaAs с контролем размеров в режиме реального времени, отработать операции пассивации и планаризации поверхности кристалла ВИЛД, формирования контактных площадок и разделения пластины на кристаллы, обеспечивающих приемлемый уровень выхода годных. При этом разрабатываемые технологические процессы решения будут пригодны для дальнейшего внедрения при организации промышленного производства ВИЛД, а разрабатываемые методики контроля адаптированы для использования Квалифицированным заказчиком.

Авторский коллектив обладает многолетним опытом исследований и разработок как в области физики и технологии полупроводниковых лазеров, в том числе вертикально-излучающих лазерных диодов, так и в области квантовой магнитометрии, в том числе квантовых магнитометров с оптической накачкой. Организация-исполнитель (ФТИ им. А.Ф.Иоффе) располагает необходимой инфраструктурой, парком современного технологического, аналитического и измерительного оборудования. Коллективом участников проекта выполнены предварительные исследования шумовых характеристик разработанных ранее ВИЛД и накоплен необходимый опыт для создания методик исследовательских испытаний, разработка которых предусмотрена в проекте. Запланированные комплексные исследования взаимодействия лазерного излучения ВИЛД с атомами Cs позволят определить параметры магнитного резонанса и оценить фундаментальные пределы миниатюризации цезиевых квантовых магнитометрических датчиков с лазерной накачкой.