НОЦ РАЦИОНАЛЬНОЕ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЕ

Благодаря Научно-образовательному центру мирового уровня «Рациональное недропользование» в классическом и политехническом университетах, а также в Пермском федеральном исследовательском центре Уро РАН создано шесть молодежных лабораторий. Все они призваны привлечь молодых ученых к решению актуальных задач, которые ставит перед наукой отечественная промышленность.

Одной из таких лабораторий стала молодежная научно-исследовательская лаборатория интегральной фотоники, которая появилась в Пермском государственном национальном исследовательском университете (ПГНИУ) в 2021 году. Ее сотрудники занимаются разработкой элементной базы и чувствительных элементов фотонных систем для задач недропользования по таким ключевым направлениям деятельности Пермского НОЦ как «Новые материалы и вещества», «Экология и безопасность территорий» и «Твердые полезные ископаемые». 

В лаборатории работают 16 молодых специалистов – студенты, аспиранты, кандидаты наук в возрасте до 39 лет. С их участием в классическом университете реализуются новые программы обучения. Так, например, с 2024 учебного года в ПГНИУ откроются два новых направления аспирантуры по специальностям «Фотоника» и «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы».

В рамках федеральных проектов «Сириус. Лето», «Национальная технологическая олимпиада по профилю «Фотоника»» и «Кванториумы» сотрудники молодежной лаборатории интегральной фотоники участвуют в профориентационной деятельности и работают со школьниками старших классов.

Роман Пономарев, руководитель молодежной лаборатории интегральной фотоники Пермского государственного национального исследовательского университета:

- Цель нашей работы заключается в том, чтобы обеспечить прохождение световых импульсов по всем компонентам сложной оптической системы с минимальными потерями. Такие потери зависят от состава и структуры материалов, из которых создаются волноводы, от шероховатости их поверхности, от геометрии и качества торцов соединяемых деталей и точности их расположения. Именно в этой логике лежат основные направления и результаты нашей деятельности.

Уникальное производство линзованных оптических волокон

Первым по значимости направлением работы молодежной лаборатории интегральной фотоники можно назвать разработку и производство линзованных оптических волокон и других оптических элементов для сборки фотонных интегральных схем.

Для сборки современных фотонных микросхем на основе кремния или фосфида индия, в которых диаметр волновода составляет порядка 1 мкм, необходимы волоконные оптические компоненты, которые могут сфокусировать световой пучок в точку порядка единиц микрометров. Будучи крайне востребованными, в России они пока не производятся.

Результатом исследований молодых ученых стало лабораторное производство линзованных оптических волокон в различных конфигурациях для стыковки с разными волноводами. Эти изделия имеют характеристики уровня лучших мировых аналогов. При этом налаженный научный и технический процесс позволяет изготавливать образцы в кратчайшие сроки – до двух недель.

Сейчас группа молодых пермских ученых является единственной в России, способной не только изготовить линзованные и скошенные оптические волокна, но и измерить все их ключевые характеристики.

Тестовые образцы переданы в ведущие российские вузы и научные центры – МИФИ, ИНМЭ РАН, Зеленоградский нанотехнологический центр, Российский квантовый центр, ФТИ им. Иоффе, ТУСУР, Казанский квантовый центр, СПбПУ им. Петра Великого, ПФИЦ УрО РАН, Ульяновский государственный университет, Сколковский институт науки и технологий, УГАТУ, ИТМО, Институт физики полупроводников им. Ржанова, СПбАУ, ПНППК, Т8.

Отечественные кристаллы ниобата лития

Вторым важным направлением является исследование отечественных кристаллов ниобата лития, которые используются в бесспутниковых навигационных системах и магистральных волоконных линиях передачи данных. Для того чтобы устройства, созданные на основе этих кристаллов –электрооптические модуляторы, могли кодировать сигналы с минимальными потерями, они должны обладать высокой стабильностью свойств в широком температурном диапазоне.

Раньше в производстве компонентов использовался ниобат лития европейского или китайского производства, что вызывало ряд сложностей. Помимо проблем с поставками, выяснилось, что в паспортах кристаллов не регламентируется состав, структура и свойства приповерхностного слоя, используемого для создания волновода.

Специалисты молодежной лаборатории провели исследования кристаллов производства российской компании «Фомос-Материалы» и выяснили, что по качеству они не уступают зарубежным аналогам, но при этом их свойства можно менять при необходимости еще на этапе производства. Молодые ученые из ПГНИУ также предложили способы предварительной обработки кристаллов, которые позволят снизить температурный дрейф устройств на их основе в два раза.

Результаты этой работы опубликованы в ведущих мировых научных журналах и поддержаны несколькими грантами.

Разработка тончайших оптических датчиков

Третьим ключевым направлением стала разработка миниатюрных оптических датчиков на основе оптических волокон, не требующих электропитания и полностью безопасных с противопожарной точки зрения.

Ученые молодежной лаборатории из ПГНИУ совместно со специалистами Казанского национального исследовательского технического университета имени А. Н. Туполева разработали первый прототип датчика давления/вибрации и микрофон на основе оптического резонатора – интерферометр Фабри-Перо. Такой датчик может использоваться в ветеринарной хирургии для сверхточного измерения внутричерепного давления при проведении операций.

Первый заказ на изготовление звукового датчика и датчика вибраций уже поступил от ученых-фармакологов, разрабатывающих лекарство от болезни Альцгеймера.