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 имени А.Ф. Иоффе, доктор физико-математических наук Сергей Иванов. Встреча с ним прошла на полях Форума «Микроэлектроника-2025».

«В институте создают технологии для лазерной дозарядки малых спутников в космосе»

— Сергей Викторович, что значит Форум микроэлектроники для страны?

— Это масштабное событие, которое проводят уже в 11-й раз. В нынешнем форуме, как ожидается, примут участие более 4 тыс. человек из 1100 организаций. Его ключевая роль — в объединении представителей отрасли: ученых, предпринимателей, руководителей корпораций и государственных ведомств. Такое взаимодействие создает мощный стимул для развития.

Фото: из личного архива Сергея Иванова Директор Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе, доктор физико-математических наук Сергей Иванов

Нобелевский лауреат Жорес Алферов говорил, что науке необходима промышленность как направление для приложения фундаментальных исследований. Россия пережила эпоху, когда труд ученых 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 Алферова.

— Приведите примеры практических применений российских разработок в сфере микроэлектроники.

— Возьмем, 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 приемников (фотодетекторов) и преобразователей энергии фотонов (частиц света) в электрические сигналы. Все эти устройства — часть разработок ФТИ им. Иоффе.

Другой пример. В институте создают технологии для лазерной дозарядки малых спутников в космосе. Эта технология работает по принципу беспроводной передачи энергии. Ее суть заключается в следующем: мощный источник излучения, размещенный на спутнике-энергоустановке, формирует узкий лазерный луч. Этот луч наводится на приемные 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 еще востребованы лазерные технологии?

— Их широко применяют в спектроскопии — исследовании веществ и газов по анализу спектра поглощенных 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 и производимые компанией ООО «ИоффеЛЕД», которыми оснащали аппараты искусственной вентиляции легких (ИВЛ) во время эпидемии COVID-19 (производство ООО «Тритон электроникс»).

Эти сенсоры определяют уровень углекислого газа в выдохе человека, что помогает врачам точно настроить аппараты ИВЛ для правильного газообмена в легких пациента. Также уровень СО2 может сигнализировать о критических состояниях больного. Таких как падение артериального давления, закупорка сосудов или нарушение обмена веществ.

«Разработаны чувствительные приборы для дистанционного определения утечек в газопроводах»

— Какие еще 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 слоев полупроводниковых гетероструктур, где энергия электрона ниже, чем в окружающих слоях) — и в каждой из них испускают фотоны за счет 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.

Фото: личный архив Сергея Иванова Детекторы-оптопары СО2, разработки в ФТИ им. А.Ф. Иоффе

В ФТИ 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 обнадеживающие 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.

«Спектроскопическая диагностика позволит на клеточном уровне отследить действие препарата на злокачественные образования»

— Расскажите о фотонных разработках в биомедицинском направлении.

— В качестве примера можно привести создание в ФТИ им. Иоффе прорывной методики исследования живых клеток методами оптической спектроскопии с высоким спектральным, пространственным и временным разрешением, которые прежде применяли лишь для изучения твердых 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 3–4-й стадиями развития заболевания.

Фото: из личного архива Сергея Иванова 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 имени Н.Н. Петрова.

— Для чего еще 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 роев БПЛА. В частности, специалистами ФТИ им. Иоффе с партнерами 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 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».

«Квантовые точки — одна из перспективных платформ для развития квантовых вычислителей»

— 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 — упрощенно, «квантовых компьютеров».

Фото: из личного архива Сергея Иванова 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 1,5 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 в этой сфере стал ряд технологических решений, которые позволили создавать источники одиночных фотонов на платформе арсенида галлия (GaAs) — дешевой 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 защищенной 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.

«Испытательные полигоны помогут в итоге создавать технику мирового класса»

— Какие меры принимаются, чтобы разработки ученых нашли применение в практических устройствах?

— В настоящее время близится к завершению строительство НИОКР-центра ФТИ. 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 им. 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 ФТИ им. А.Ф. Иоффе (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, фотоприемники, 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.