40.4. Разработка новых лазерных и информационных технологий для решения фундаментальных и прикладных задач развития элементной базы высокоскоростных телекоммуникационных, вычислительных и сенсорных систем

Цель работы – проведение фундаментальных научных исследований, направленных на создание элементной базы высокоскоростных оптических межсоединений и оптических систем связи, синтез и исследование свойств новых оптических полимерных материалов для интегральной оптики и фотоники, развитие лазерных технологий формирования полимерных интегрально – оптических устройств, синтез фторидных микро- и нанокристаллов, разработка методов оптической микроскопии глубокого УФ диапазона с высоким латеральным разрешением, получение металлических наночастиц, создание интегрально-оптических устройств для высокоскоростной передачи и обработки оптической информации. Методом сверхвысокого давления впервые синтезирован гомополимер из мономера перфторгекс-1-ена в присутствии перфторированного пероксидного инициатора. Синтезированный гомополимер растворяется в перфторированных растворителях и имеет показатель преломления n = 1.334 – 1.340 в видимом диапазоне длин волн  = 440 – 672 нм. Полученный гомополимер является частично кристаллическим, однако его сополимеры с другими перфторированными мономерами (например, перфтор-2,2-диметил-1,3-диоксолом), являются аморфными. Такие сополимеры могут быть использованы при создании различных фотонных и интегрально – оптических устройств, например, волноводных модуляторов и компактных волноводных усилителей для телекоммуникационного С- диапазона длин волн 1530 – 1565 нм. Фторидные нанокристаллы -NaYF4, легированные ионами редкоземельных элементов (Yb, Er, Tm и др.), позволяют эффективно преобразовывать излучение накачки ближнего ИК диапазона в УФ фотолюминесценцию (ФЛ) с антистоксовым сдвигом. Благодаря эффекту ап-конверсии они находят применения для решения различных задач фотоники и биомедицины. Однако данный класс наночастиц можно перенастроить с целью получения ФЛ со стоксовым сдвигом в ближнюю ИК область спектра. Нами изучены свойства наночастиц -NaYF4/Yb+3/Er+3, обладающих интенсивной фотолюминесценцией в телекоммуникационной области длин волн вблизи 1550 нм при возбуждении излучением на длине волны 980 нм. Показано, что квантовая эффективность стоксовой ФЛ наночастиц в ближней ИК области спектра может достигать 28% при интенсивности возбуждения накачки 0.6 Вт/см2. Продемонстрирована возможность использования наночастиц -NaYF4/Yb+3/Er+3 для создания компактных волноводных усилителей света, работающих в телекоммуникационном С-диапазоне длин волн 1530 – 1565 нм. Полученный коэффициент усиления на длине волны 1530 нм в волноводе длиной 15 мм составил 2.3 дБ/см при мощности излучения накачки 980 нм 150 мВт. Размеры и форма фторидных нанокристаллов NaYF4, NaLuF4 и т.д., легированных редкоземельными элементами (Yb3+, Er3+, Tm3+ и др.) и обладающих фотолюминесценцией в ап-конверсии в УФ области спектра при накачке лазерным излучением с длиной волны 980 нм, обычно исследуются методами сканирующей или просвечивающей электронной микроскопии. Электронная микроскопия обладает очень высоким пространственным разрешением, однако требует вакуумирования образца, нанесения металлических покрытий и т.д. В ходе исследований показано, что размеры и форму люминесцирующих нанокристаллов -NaYF4:Yb3+,Tm3+ с диаметром от 560 нм можно определять методом УФ оптической микроскопии на длине волны 365 нм при использовании УФ объектива 125х/1.1 с глицериновой иммерсией. В отличие от электронной микроскопии, этот метод является более простым, быстрым, и позволяет легко визуализировать люминесцирующие наночастицы среди других мелких объектов. Использование иммерсионных УФ объективов с большой числовой апертурой и продвижение в сторону более коротких длин волн даст возможность анализировать форму и размеры фторидных нанокристаллов с еще меньшим диаметром. Показана возможность использования метода двухфотонной полимеризации для формирования функциональных полимерных микро-устройств сопряжения одномодовых оптических волокон с планарными волноводами и другими планарными оптическими элементами, например, с нелинейными микрокристаллами. Создан прототип узла для оптического сопряжения одномодового кварцевого волокна с планарной структурой на поверхности кремниевой подложки. Предложен двух-стадийный процесс изготовления полимерной направляющей, позволяющий сформировать оптический микро-коннектор с микронной точностью, а также методика его последующего размещения на поверхности функциональной подложки. Полученные результаты могут быть использованы при разработке различных полимерных элементов фотоники, сенсорики, плазмоники и оптоэлектроники. Разработана методика изготовления SERS микро-плат, представляющих собой кремниевую подложку с дендритной структурой из наночастиц серебра, покрытую тонкой пленкой перфторгептана. Экспериментально показана перспективность использования таких подложек при исследовании рамановских спектров растворов Родамин 6Ж и 4-аминотиофенола. SERS микро-платы были изготовлены с использованием методов MACE (Metal-Assisted Chemical Etching) и SLIPS (Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces). При этом применение метода MACE обеспечивает формирование на кремниевых подложках дендритных структур из наночастиц серебра, формируя, таким образом, структуры с большим количеством «горячих точек», повышающих интенсивность рамановских сигналов. Технология SLIPS обеспечивает, в свою очередь, локализацию и концентрирование капли аналита в заданном месте подложки. Разработанная методика изготовления SERS микро-плат может применяться при анализе рамановских спектров других органических материалов, в частности, аморфных перфторированных полимеров.