В период с 2015 по 2018 гг. в рамках предпринятого в инициативном порядке сотрудничества между Институтом сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники имени В.Г. Мокерова РАН и Санкт-Петербургским национальным исследовательским Академическим университетом РАН были впервые в России изготовлены и исследованы квантово-каскадные лазеры терагерцового диапазона частот (ТГц ККЛ). Созданные ТГц ККЛ открывают широкие возможности по использованию данных источников ТГц излучения в беспроводных системах связи с высокоскоростной передачей данных 6G и выше, новейших методах медицинской диагностики онкологических заболеваний, а также построения на основе ТГц ККЛ гетеродинных приемников нового поколения для решения астрофизических задач. Таким образом, проведенная работа позволила существенно сократить отставание России в тематике квантово-каскадных лазеров, что было отмечено в докладе Президента РАН академика А.М. Сергеева на Общем собрании РАН в 2018 году.
В ходе работы были предложены конструкции активной области ТГц ККЛ на основе трех и четырех туннельно-связанных квантовых ям с резонансно-фононным механизмом депопуляции нижнего лазерного уровня и силой осциллятора диагонального излучающего перехода f21 >0.4 [1,2]. Проведен расчет спектров усиления ТГц ККЛ в зависимости от напряженности приложенного электрического поля и температуры [3]. Методом молекулярно-пучковой эпитаксии был разработан способ роста многослойных GaAs/AlGaAs гетероструктур (228 каскадов) с толщиной активной области ~ 10 мкм [4,5]. Для создания ТГц ККЛ с двойным металлическим волноводом была разработана технология постростовой обработки многослойных GaAs/AlGaAs гетероструктур [6].
Были изготовлены ТГц ККЛ с частотами генерации 2.3 и 3.3 ТГц с выходной мощностью более 100 мкВт при 4.2 К и максимальной рабочей температурой более 100 К [3,7-9]. Проведено исследование влияния температуры на пороговый ток и выходную мощность ТГц ККЛ [3]. Показано, что при увеличении температуры от 40 до 58 К наблюдается незначительное уменьшение мощности излучения на ~35%, что позволяет использовать для охлаждения изготовленных ТГц ККЛ откачку паров азота [3]. Определено, что температурная активация испускания LO-фононов “горячими” электронами на верхнем лазерном уровне является доминирующим механизмом рассеяния в исследуемых ТГц ККЛ [3]. Предложен и апробирован оригинальные способ изготовления воздушных мостов для создания ТГц ККЛ работающих в непрерывном режиме [10]. Проведено исследование спектров излучения ТГц ККЛ в зависимости от амплитуды и длительности возбуждающего импульса тока [9]. Обнаружены эффект “перекачки” интенсивности между соседними продольными модами и сдвиг частоты спектральных линий на 3.7 ГГц при увеличении тока на 120 мА [9].

  1. R.A. Khabibullin, N.V. Shchavruk, A.Y. Pavlov, A.N. Klochkov, D.S. Ponomarev, I.A. Glinskiy, P.P. Maltsev, A.E. Zhukov, G.E. Cirlin, Z.I. Alferov, Terahertz Quantum-Cascade Laser Based on the Resonant-Phonon Depopulation Scheme, International Journal of High Speed Electronics and Systems, vol. 25, no. 03n04, p. 1640022 (2016)     Скачать
  2.  Р.А. Хабибуллин, Н.В. Щаврук, А.Н. Клочков, И.А. Глинский, Н.В. Зенченко, Д.С. Пономарев, П.П. Мальцев, А.А Зайцев, А.Е. Жуков, Г.Э. Цырлин, Ж.И. Алфёров. Энергетический спектр и тепловые свойства терагерцового квантово-каскадного лазера на основе резонансно-фононного дизайна. ФТП, том 51, вып. 4, с 540-546 (2017) Скачать
  3. Р.А. Хабибуллин, Н.В. Щаврук, Д.С. Пономарев, Д.В. Ушаков, А.А. Афоненко, И.С. Васильевский, А.А Зайцев, А.И. Данилов, О.Ю. Волков, В.В. Павловский, К.В. Маремьянин, В.И. Гавриленко, Температурная зависимость порогового тока и выходной мощности квантово-каскадного лазера с частотой генерации 3.3 ТГц, ФТП, том 52, вып. 11, с. 1268-1273 (2018). Скачать
  4. R.R. Reznik, N.V. Kryzhanovskaya, F.I. Zubov, A.E. Zhukov, R.A. Khabibullin, S.V. Morozov, G.E. Cirlin, MBE growth, structural and optical properties of multilayer heterostructures for quantum-cascade laser, Journal of Physics: Conf. Series, vol. 917, p. 052012, 2017. Скачать
  5. А.Е. Жуков, Г.Э. Цырлин, Р.Р. Резник, Ю.Б. Самсоненко, А.И. Хребтов, М.А. Калитеевский, К.А. Иванов, Н.В. Крыжановская, М.В. Максимов, Ж.И. Алферов. Многослойные гетероструктуры для квантово-каскадных лазеров терагерцового диапазона. ФТП, том 50, вып. 5, с. 674-678 (2016).    Скачать
  6. Р.А. Хабибуллин, Н.В. Щаврук, А.Ю. Павлов, Д.С. Пономарев, К.Н. Томош, Р.Р. Галиев, П.П. Мальцев, А.Е. Жуков, Г.Э. Цырлин, Ф.И. Зубов, Ж.И. Алфёров. Изготовление терагерцового квантово-каскадного лазера с двойным металлическим волноводом на основе многослойных гетероструктур GaAs/AlGaAs. ФТП, том 50, вып. 10, с. 1395-1400 (2016)    Скачать
  7. А.В. Иконников, К.В. Маремьянин, С.В. Морозов, В.И. Гавриленко, А.Ю. Павлов, Н. В. Щаврук, Р.А. Хабибуллин, Р.Р. Резник, Г.Э. Цырлин, Ф.И. Зубов, А.Е. Жуков, Ж.И. Алфёров. Генерация терагерцового излучения в многослойных квантово-каскадных гетероструктур. Письма в ЖТФ, том 43, вып. 7, с. 86-94 (2017). Скачать
  8. Ж.И. Алферов, Ф.И. Зубов, Г.Э. Цырлин, А.Е. Жуков, Н.В. Щаврук, А.Ю. Павлов, Д.С. Пономарев, А.Н. Клочков, Р.А. Хабибуллин, П.П. Мальцев. Создание первого отечественного квантово-каскадного лазера терагерцового диапазона частот. Нано- и микросистемная техника, том 19, №5, с. 259-265 (2017).    Скачать
  9. О.Ю. Волков, И.Н. Дюжиков, М.В. Логунов, С.А. Никитов, В.В. Павловский, Н.В. Щаврук, А.Ю. Павлов, Р.А. Хабибуллин, Исследование спектров терагерцового излучения в многослойных GaAs/AlGaAs гетероструктурах, Радиотехника и электроника, том 63, № 9, с. 981-985 (2018). Скачать
  10. Р.А. Хабибуллин, Н.В. Щаврук, Д.С. Пономарев, Р.Р. Галиев, Способ изготовления воздушных мостов, Заявка на изобретение 2017 133 047 от 22.09.2017 (Положительное решение о выдаче патента от 10.05.2018).