Кто есть кто в мире науки и техники

31.07.2025

Кто есть кто в мире науки и техники

Академик Олег Фиговский

Издание мирового рейтинга университетов QS World University Rankings 2025 стало самым крупным за всю историю рейтингов QS, в него вошли 1503 университета из 104 систем высшего образования. Наиболее представленной в рейтинге страной оказались Соединенные Штаты Америки с 197 учебными заведениями, за которыми следуют Великобритания (90) и материковый Китай (71). Массачусетский технологический институт (MIT) – 100 баллов 13-й год подряд удерживает лидерство. Имперский колледж Лондона – 98,5 поднялся с шестой на вторую позицию, а Оксфордский – 96,9 и Гарвардский университеты – 96,8 закрепились на третьем и четвёртом местах соответственно. Кембриджский университет – 96,7 замыкает пятёрку лидеров. Следует отметить значительное повышение в рейтинге технических и технологических вузов.

Итоговый балл рейтинга QS World University Rankings 2025 был рассчитан, как и годом ранее, на основе следующих показателей: Академическая репутация, Репутация у работодателей, Преподаватели и студенты, Цитируемость, Иностранные преподаватели, Иностранные студенты, Международная исследовательская сеть (IRN), Результаты трудоустройства, Устойчивость. Приводим лидеров по странам.

Швейцария – ETN Zurich Swiss Federal Institute of technology – 7 место (93,9 баллов);

Сингапур – National University of Singapore (NUS) – 8 место (93,7);

Австралия – University of Melbourne – 13 место (88,9);

КНР – Peking University – 14 место (88,5);

Гонг Конг – University of Hong Kong – 17 место (87,6);

Франция – Universite PSL – 24 место (84,7);

Канада – University of Toronto – 25 место (84,1);

Германия – Technical University of Munish – 28 место (83,2);

Южная Корея - Seoul National University – 31 место (82,3);

Япония – The University of Tokyo – 32 место (82,1).

Единственный университет в числе 100 лучших Российских занимает только 94 место (64,1 баллов). Впереди университеты Чили, Бразилии, Аргентины, Швеции, Ирландии, Тайваня, Малайзии, Бельгии и Голландии.

В России запустили новую базу научных статей и патентов под названием «Инвенторус», которая призвана заменить закрывшиеся для россиян ресурсы Web of Science и Scopus. Об этом сообщил генеральный директор «Инвенторуса» Евгений Елфимов. Одна из ключевых особенностей платформы — интегрированный искусственный интеллект «Никола». Он способен переводить сложные тексты с научной и технической терминологией на 42 языка.

«Мы собрали весь корпус научных данных. Это 98% мировой науки. Все эти материалы размещены на территории России. На сегодняшний день мы признаны одной из самых крупных баз в мире научных знаний, которая ежедневно пополняется на 46000 документов», - сообщает Евгений Елфимов.

Для начала работы с платформой пользователям необходимо зарегистрироваться и заполнить свой профиль. После этого откроется доступ к пробному режиму InventPro на одну неделю. Он включает возможность общения с ИИ «Николой», автоматический перевод на 42 языка, формирование ИИ-резюме к каждой статье и создание аналитических отчетов. Платформа «Инвенторус» нацелена на поддержку российских ученых и исследователей, предоставляя им доступ к необходимым научным ресурсам и инструментам для работы с информацией, но всё более отдаляет их от мирового научного сообщества.

А сейчас перейдём к рассказу о новых результатах научно-технических достижений в мире.

Так Китайская компания Moonshot AI представила Kimi K2 — большую языковую модель с открытым исходным кодом, которая демонстрирует технологии, отсутствующие у лидеров отрасли вроде OpenAI и Anthropic. Во-первых, Kimi K2 использует продвинутую архитектуру Mixture of Experts, позволяя активировать только необходимые фрагменты триллионной модели для конкретной задачи, что резко повышает скорость и снижает требования к вычислительным ресурсам. Во-вторых, компания разработала собственный оптимизатор MuonClip, который обеспечил стабильное обучение сверхбольшой модели без сбоев и повторных итераций, чего не удалось достичь пока никому из крупнейших игроков индустрии. Такой инженерный подход вкупе с открытым исходным кодом и агрессивным ценовым предложением превращает Moonshot в претендента на лидерство в новой фазе ИИ-гонки.

Moonshot AI уже известна на китайском рынке благодаря своему популярному чат-боту Kimi, который стал одним из самых массово используемых ИИ-ассистентов в стране. Новый продукт — это гораздо более амбициозный проект. Kimi K2 — это большая языковая модель с открытым исходным кодом, которую Moonshot не просто опубликовала для исследований, но и предлагает для коммерческого использования через API по весьма конкурентным ценам, сообщает VentureBeat. Технически Kimi K2 построена на архитектуре Mixture of Experts и насчитывает 1 триллион параметров, из которых активными в каждом запросе становятся 32 миллиарда. Такой подход позволяет при каждом обращении активировать только ту часть модели, которая лучше всего подходит для конкретной задачи, значительно повышая скорость работы и снижая требования к аппаратным ресурсам.

Это не только экономический и инженерный прорыв, но и философский ответ на гонку параметров, в которой гиганты вроде OpenAI и Anthropic вкладывают сотни миллионов долларов в монолитные модели, требующие чудовищных затрат на обучение и эксплуатацию. Moonshot AI одновременно выпустила две версии своей модели: базовый вариант Kimi K2 для исследователей и разработчиков, и Kimi K2-Instruct, оптимизированный для чат-ботов и автономных ИИ-агентов. И именно здесь кроется главная стратегическая ставка китайского стартапа — на ИИ, способный не только поддерживать диалог в чате, но и реально работать как автономный агент, решающий комплексные задачи с минимальным вмешательством человека.

Результаты тестирования это подтверждают. На тесте SWE-bench Verified, который проверяет способность ИИ исправлять ошибки в программном коде, Kimi K2 показал точность в 65,8%, превысив большинство конкурирующих открытых моделей и вплотную приблизившись к коммерческим гигантам. В тесте Live CodeBench, где моделям нужно писать полноценный код, она показала 53,7%, обойдя DeepSeek–V3 (46,9%) и даже GPT-4.1 (44,7%). Особенно впечатляет результат в MATH-500 — тесте на математические рассуждения: 97,4% против 92,4% у GPT-4.1. Это серьёзный сигнал, что китайский стартап не просто копирует западные модели, а находит более эффективные методы обучения и специализации.

Moonshot при этом подчёркивает одну деталь, важную не меньше самих результатов бенчмарков. В их документации описан специальный оптимизатор MuonClip, который позволил провести обучение модели с триллионом параметров без сбоев и катастрофических провалов качества. В индустрии ИИ обучение таких больших моделей считается настоящим искусством — часто оно сопровождается взрывными расходами на вычисления и дорогостоящими итерациями дообучения, чтобы сделать модель стабильной. Возможность делать это дешевле и надёжнее может стать настоящим сдвигом парадигмы, особенно для компаний, которые не располагают миллиардными бюджетами на инфраструктуру.

Но технологическое лидерство — это лишь часть истории. Не менее важно, что Moonshot делает свою модель открытой. Это не альтруизм, а продуманный бизнес-ход. Каждое улучшение, внесённое исследовательским сообществом, снижает затраты самой компании на разработку. Одновременно Moonshot предлагает доступ к API Kimi K2 по ценам, которые значительно ниже, чем у OpenAI и Anthropic — $0,15 за миллион входных токенов и $2,50 за миллион сгенерированных. Для корпоративных клиентов это не просто «хорошее предложение», а аргумент для пересмотра бюджета.

На этом фоне особенно важно, что Kimi K2 позиционируется не как игрушка для разговоров или маркетинговая демонстрация, а как рабочий инструмент. В своих демонстрациях Moonshot показывает, как Kimi K2 не просто отвечает на вопросы, а автономно планирует мероприятия, проводит анализ данных, генерирует сложный код и даже управляет интерфейсами и внешними сервисами. Например, модель может спланировать поездку с покупкой билетов и бронированием гостиниц через разные сайты, выполнить статистический анализ зарплатных данных, включая построение графиков и выводы, или помочь автоматизировать процессы в компаниях без необходимости постоянного контроля человека. Эта ставка на полезность, а не только на «человечность» диалога, заметно отличает Moonshot от многих конкурентов. В то время как OpenAI и Anthropic всё ещё конкурируют за то, чтобы их модели звучали более «естественно», Moonshot делает ставку на создание настоящих цифровых агентов.

Это напрямую отвечает на запрос бизнеса: компаниям не нужен виртуальный собеседник ради шоу, им нужен инструмент, который решает задачи — пишет код, анализирует данные, планирует процессы. Эта философия отражает более широкую трансформацию рынка ИИ. Бизнес и государственные структуры по всему миру всё больше переходят от экспериментов к внедрению ИИ в производственные процессы, автоматизацию обслуживания клиентов, аналитические службы и даже управление цепочками поставок. Ключевым критерием становится не количество параметров и не стилистика ответа, а то, насколько хорошо модель выполняет работу.

Важен и геополитический контекст. Китай последние годы целенаправленно развивает собственные крупные языковые модели, чтобы уменьшить зависимость от западных ИИ-компаний и обеспечить цифровой суверенитет. Поддержка таких стартапов, как Moonshot, вписывается в стратегию Пекина по созданию полноценной экосистемы ИИ, которая может конкурировать на мировом рынке наравне с американскими гигантами. Открытая модель, способная работать на китайских серверах и развиваться независимо от зарубежных API, — это важный элемент этой стратегии. Технологический прорыв Moonshot в создании эффективного ИИ, их открытый подход и более доступное ценообразование создают давление на рынок.

Для OpenAI и Anthropic это проблема: если они снизят цены в ответ — уменьшат прибыльность. Если не снизят — рискуют отдать часть рынка более дешёвым и не менее качественным решениям. Эта конкуренция может подтолкнуть индустрию к новому витку инноваций, сделать ИИ-доступ более массовым. Всё это делает запуск Kimi K2 важным моментом в истории развития больших языковых моделей. Это не просто ещё один «клон GPT» — это попытка сделать ИИ более открытым, более полезным и более экономичным. Если подход Moonshot сработает, он может задать новую планку для всей индустрии, где ключевым станет не просто умение вести диалог, а способность автономно решать реальные задачи и помогать людям работать быстрее и эффективнее.

Новый шаг к функциональным квантовым компьютерам сделали исследователи из США. Они описали в своей статье устройство, объединяющее квантовые источники света с электроникой на единой платформе при помощи стандартного 45-нанометрового полупроводникового процесса. Интегральная схема, генерирующая потоки коррелированных фотонных пар, пригодится в будущем для квантовых вычислений, датчиков и безопасной связи. Это первый случай создания столь сложной системы с использованием стандартных технологий производства микросхем. Каждая схема, созданная учеными из Бостонского университета, Калифорнийского университета в Беркли и Северо-Западного университета, содержит двенадцать независимых квантовых источников света площадью менее квадратного миллиметра. Эти «фабрики квантового света» питаются лазерным излучением и используют микрокольцевые резонаторы для генерации пар фотонов. Резонаторы чрезвычайно чувствительны к изменениям температуры и нюансам производства, из-за которых часто возникает рассинхронизация и нарушение светового потока.

Для того чтобы решить эту проблему, исследователи встроили непосредственно в чип систему управления в реальном времени. В каждый резонатор были интегрированы фотодиоды для обнаружения рассогласования с входящим лазерным излучением, а встроенные нагреватели и управляющая логика непрерывно корректируют любые отклонения. Этот контур обратной связи обеспечивает бесперебойную работу тонкого процесса генерации квантового света даже при изменении условий. Поскольку перед учеными стояла задача приспособить систему к работе на коммерческой платформе, команде пришлось переосмыслить принципы сосуществования квантовой и классической электроники на кристалле. В итоге чип был создан на основе 45-нанометровой платформы КМОП, которая уже зарекомендовала себя поддержкой ИИ и межкомпонентных соединений суперкомпьютеров.

«Квантовые вычисления, связь и датчики находятся на многолетнем пути от концепции к реальности, — сказал Милош Попович из Бостонского университета. — Это небольшой шаг на этом пути, но важный, поскольку он показывает, что мы можем создавать воспроизводимые, управляемые квантовые системы на коммерческих заводах по производству полупроводников».

Исследователи из США разработали первую в мире фотон-кристаллическую лазерную установку (PCSEL) с фотонакачкой, способную работать при комнатной температуре, безопасную для глаз и не требующую хрупких воздушных полостей. Исследователям удалось значительно улучшить существующие конструкции лазеров этого типа, которые активно применяются для производства лидаров. Новые лазеры можно будет использовать в ближайшие 20 лет в беспилотных автомобилях, лазерной резке, сварке и космической связи. Разработкой заинтересовалось военное ведомство.

Команда ученых из Иллинойского университета десятки лет ведет исследования вертикально-излучающих лазеров (ВИЛ), разновидности диодного полупроводникового лазера, которые излучают свет в направлении, перпендикулярном поверхности кристалла. ВИЛ применяются в смартфонах, лазерных принтерах, сканерах штрих-кодов и даже автомобилях. Но в начале 2020 года ученых заинтересовало новаторское исследование, описывающие новый тип лазера — фотонно-кристаллический поверхностно-излучающий лазер (ФКПИЛ). Лазеры ФКПИЛ — это новое направление полупроводниковых лазеров, использующих фотонный кристаллический слой для создания лазерного луча с весьма востребованными характеристиками, такими как высокая яркость и узкие, круглые размеры пятна. Этот тип лазера полезен для лидаров, которые применяются, в том числе, для дистанционного зондирования, навигации и сопровождения целей. Не удивительно поэтому, что группа исследователей получила финансирование на разработку этой технологии от Исследовательской лаборатории ВВС США.

Диоды ФКПИЛ обычно изготавливаются с использованием воздушных полостей, которые оказываются внутри устройства после того, как по периметру нарастает полупроводниковый материал. Однако атомы полупроводника имеют тенденцию перестраиваться и заполнять эти полости, нарушая целостность и однородность структуры фотонного кристалла. Для того чтобы предотвратить деформацию фотонного кристалла, ученые заменили воздушные полости сплошным диэлектрическим материалом. Внедрив диоксид кремния в наращиваемый полупроводник в качестве части слоя фотонного кристалла, исследователи смогли продемонстрировать первый прототип ФКПИЛ со скрытыми диэлектрическими свойствами.

«Когда мы впервые попытались заново вырастить диэлектрик, мы не знали, возможно ли это вообще, — сказала Эрин Рафтери, главный автор работы. — В идеале при выращивании полупроводников необходимо сохранить очень чистую кристаллическую структуру на всем протяжении от базового слоя, чего сложно добиться с аморфным материалом, таким как диоксид кремния. Но нам удалось вырастить диэлектрик латерально и соединить его наверху».

Новые лазеры можно будет использовать в ближайшие 20 лет в беспилотных автомобилях, лазерной резке, сварке и космической связи. А пока специалисты из Иллинойса собираются усовершенствовать свою нынешнюю конструкцию, добавив электрические контакты, чтобы можно было подключать лазер к источнику электропитания.

Хирурги из британского Кембриджшира впервые в Европе провели операцию по пересадке сердца, переставшего биться. Медикам удалось «перезапустить» орган умершего донора. Как сообщает BBC, за последний год в Великобритании была проведена 171 трансплантация сердца. Однако спрос превышает предложение, и многие пациенты годами ждут операции, не всегда дожидаясь ее. Новая процедура позволила «перезапустить» остановившееся сердце через пять минут после смерти человека.

«Мы убедились, что сердце успешно работало 50 минут, мониторинг показал, что оно находится в хорошем состоянии», – пояснил ведущий трансплантолог Стивен Лардж.

Затем сердце перевезли к месту операции, где оно еще три часа ждало пересадки, находясь под пристальным наблюдением врачей.

Орган был пересажен 60-летнему жителю Лондона Хусейну Улюкану, у которого в 2008 году случился сердечный приступ.

«Перед операцией я еле ходил и быстро выдыхался. Сейчас я чувствую себя сильнее с каждым днем», – отметил пациент.

Первую операцию по пересадке переставшего биться сердца по технологии heart-in-a-box провели в прошлом году австралийские медики. По словам хирургов, сегодня такая операция обходится в 150 тысяч британских фунтов.

Пациентам, для которых не удалось найти подходящего донора, обычно не делают пересадку, чтобы организм не начал отторгать «чужие» клетки. Однако исследователи из США нашли способ помочь людям, нуждающимся в трансплантации костного мозга или стволовых клеток, вне зависимости от того, насколько пересаживаемый материал подходит пациенту. Одна из самых актуальных тем современных медицинских исследований — борьба с нехваткой органов для трансплантации. В частности, доктора исследуют возможность пересадки людям органов животных, и уже описан случай, когда женщина со свиной почкой прожила рекордные 62 дня. Тем не менее риск любой трансплантации (в том числе когда донором выступает человек) связан со способностью организма распознавать новые клетки и отвергать их как чужеродные. Это свойство даже использовали, чтобы остановить развитие рака: опухолевые клетки «маскировали» под свиные, и иммунная система пациента атаковывала их.

Международная команда ученых из Южной Кореи и МФТИ создала инновационную платформу для фотонной полимеразной цепной реакции (ПЦР). Им удалось уменьшить время, необходимое для достижения достаточной для анализа концентрации ДНК, с одного-двух часов до нескольких минут. Кроме того, теперь для проведения реакции не нужно громоздкое и дорогое оборудование — достаточно одного светодиода. Недорогие и простые в применении чипы могут найти применение в качестве экспресс-тестов на инфекции.

Исследование опубликовано в престижном научном журнале Laser Photonics Reviews. Открытие метода ПЦР произвело революцию в медицине, науке и повседневной жизни человечества. Благодаря ему можно выяснить, присутствуют ли в образце искомые последовательности ДНК, что можно использовать для генноинженерных манипуляций, диагностики заболеваний и в расследовании преступлений. Однако для проведения классической ПЦР необходимо довольно много времени (порядка двух часов) и громоздкое лабораторное оборудование. ДНК в образце нужно амплифицировать, то есть увеличить количество копий нужного фрагмента.

Проведение маммографии часто бывает болезненным и травматичным, поскольку требует сжатия ткани молочных желез в аппарате. Ученые из США разработали более безопасную и удобную альтернативу — новый метод визуализации с высоким уровнем точности. Главное преимущество новой технологии в том, что она универсальна и подходит всем женщинам независимо от плотности ткани груди. Маммография считается основным методом визуализации потенциальной опухоли, особенно у женщин старше 40 лет. К главным проблемам относится болезненность процедуры, облучение и низкая точность у женщин с плотной тканью молочных желез. При высокой плотности тканей можно выполнить ультразвуковую визуализацию, но нередко УЗИ дает ложноположительные результаты, а точность напрямую зависит от квалификации врача и надежности оборудования.

Теперь ученые из Университета Буффало представили новую технологию OneTouch-PAT, которая объединяет методы фотоакустической визуализации и ультразвука. При проведении диагностики проводится поэтапное сканирование каждого слоя ткани. Данные обрабатывает ИИ.

«Ультразвуковой компонент системы превосходно выявляет подозрительные очаги, а фотоакустическая визуализация фиксирует рост кровеносных сосудов вокруг этих очагов, предоставляя дополнительную информацию о потенциальной злокачественности и типе опухоли», — объяснили ученые.

В результате требуется всего пара минут, чтобы визуализировать опухоль и определить ее тип. Классификация типа рака выполняется по уникальным сосудистым изменениям, каждый из которых соотносится с тем или иным типом опухоли.

Бетон, который считается основой цивилизации, стал и одной из причин климатического кризиса: на его производство приходится 9% мировых выбросов парниковых газов. Основной виновник загрязнения — цемент, при изготовлении которого выделяется огромное количество CO₂. Исследователи из Пенсильванского университета разработали новый вид бетона, основанный на особом компоненте из панцирей микроскопических водорослей. Этот бетон способен поглощать на 142% углекислого газа больше по сравнению с традиционными смесями, при этом оставаясь прочным и легким.

Материал объединяет 3D-печать, экологически чистые компоненты и геометрию, вдохновленную природой. Вместо обычных наполнителей в смесь добавлен диатомит — пористое вещество, получаемое из окаменевших панцирей микроскопических водорослей. Благодаря своей структуре он активно захватывает CO₂ из воздуха. Главный секрет — в форме. Ученые вдохновлялись трижды периодическими минимальными поверхностями (TPMS) — природными структурами, встречающимися в кораллах, морских звездах и костях. Эти гладкие и непрерывные конструкции увеличивают площадь поверхности и обеспечивают высокую прочность при минимальном использовании материала. С помощью метода полиэдральной графической статики исследователи проанализировали распределение сил в этих формах и создали похожие конструкции. Они остаются устойчивыми при сжатии, даже с крутыми выступами и большими пустотами.

Инженеры также усилили конструкцию натяжными тросами, чтобы сохранить устойчивость при сжатии, не утяжеляя структуру. После цифрового моделирования бетон был напечатан послойно на 3D-принтере с использованием специально разработанных «чернил». Несмотря на пористость, полученный материал сохранил 90% прочности обычных бетонных блоков, при этом потребовал на 68% меньше материала и обеспечил на 32% больше поглощения CO₂ на единицу цемента. Команда уже масштабирует технологию для архитектуры — от фасадных панелей и стен до морских сооружений. Благодаря пористости и устойчивости в воде новый бетон может использоваться для восстановления коралловых рифов и создания искусственных экосистем. Это открывает возможности не только для строительства, но и для экологической регенерации. Кроме того, исследователи рассматривают замену цемента на альтернативные вяжущие вещества, в том числе магниевые и щелочеактивированные составы. Это позволит ещё больше снизить углеродный след, сделав материал устойчивым и экологически безопасным.

Научная фантастика является источником множества невероятных технологий, некоторые из которых уже давно перебрались в наш реальный мир, другие же пока остаются на страницах книг. Какие-то из этих технологий имеют очень специфическое описание, функционал и, как следствие, не так популярны среди читателей, но есть и те, без которых невозможно представить выдуманный футуристический мир: роботы, телепортация, гипердвигатели, клонирование, голограммы, лазеры и многое-многое другое.

Касательно лазеров, то они во многом изменили наш мир, став неотъемлемой частью многих устройств, используемых как в быту, так и в лабораторных условиях. Человек может знать крайне мало о лазерах, но одно известно практически всем — они опасны. Ожоги и потеря зрения одни из самых распространенных травм при работе с лазерами, степень повреждений варьируется от мощности лазера. Но что если сделать лазеры безопасными, сохранив при этом их эффективность? Именно это и сделали ученые из Иллинойсского университета (США). Они создали первый в мире кристаллический лазер, который работает при комнатной температуре и является безопасным для глаз.

Фотонно-кристаллические лазеры с поверхностным излучением (PCSEL от photonic-crystal surface-emitting lasers) появились как новый класс полупроводниковых лазеров, обладающих превосходным качеством излучения, одновременно устраняя узкие места, связанные с масштабированием мощности, характерные для традиционных лазеров с торцевым или вертикальным резонатором и излучением с поверхности (VCSEL от vertical-cavity surface-emitting laser). Вместо резонатора. Фабри-Перо, в PCSEL используется двумерный слой фотонного кристалла (PhC от photonic crystal), встроенный в активную область, который диафрагмирует и связывает свет, формируя двумерную стоячую волну, которая затем усиливается усиливающим материалом. Благодаря правильной конструкции элементарной ячейки PhC часть этого света рассеивается в вертикальном направлении, в идеале формируя одну гауссову моду на требуемой длине волны.

PhC позволяет сохранять единственную гауссову моду даже при увеличении размеров резонатора PCSEL. Таким образом, основное преимущество PCSEL заключается в возможности масштабирования выходной мощности за счет увеличения объема активной области при сохранении одной лазерной моды, что, в свою очередь, позволяет значительно повысить яркость лазера. Ранее разработанные PCSEL на основе GaAs демонстрировали выходную мощность в несколько десятков ватт при угле расходимости менее 1°. Для сравнения: VCSEL с одной гауссовой модой обычно обеспечивает мощность всего в несколько милливатт при угле расходимости от 6 до 11°. Благодаря такому качеству излучения PCSEL становятся привлекательным источником без использования линз для таких приложений, как LiDAR, оптическая связь, обработка материалов и направленная энергия. Для реализации в различных диапазонах длин волн в конструкции PCSEL применяются различные структуры фотонных кристаллов с разнообразной формой элементарных ячеек и различными полупроводниковыми материалами.

Новые демонстрации возможностей PCSEL переосмысливают пределы возможного для одиночного полупроводникового излучателя. Ранее уже сообщалось о выходной мощности 50 Вт в непрерывном режиме с сохранением угла расходимости 0.05° для одного PCSEL, а также о мощности 400 Вт в непрерывном режиме для массива из девяти элементов PCSEL на длине волны 940 нм. Эти PCSEL на основе GaAs используют фотонные кристаллы, состоящие из полостей с низким показателем преломления, заключенных в материал с высоким показателем, и, как правило, выращиваются методом металлоорганического химического осаждения из паровой фазы (MOCVD от metal-organic chemical vapor deposition). Трехмерная геометрия воздушных полостей тщательно оптимизирована как на этапе проектирования, так и в процессе изготовления, чтобы подавлять высшие моды и сохранять требуемые характеристики пучка на больших площадях. Для получения одинаковых, равномерных воздушных полостей необходимо учитывать такие параметры, как соотношение V/III, температура роста, скорость роста, кристаллографические различия и деформации, вызванные высокотемпературной предварительной обработкой.

PCSEL на основе InP (фосфида индия), в частности, все еще заметно отстают по выходной мощности от аналогичных устройств на основе GaAs из-за сложности самой материальной системы. При повышенных температурах материалы на основе InP также подвержены эффектам массового переноса, что приводит к деформации геометрии воздушных полостей и потенциальному ухудшению качества лазерного пучка со временем. Несколько исследовательских групп сообщили о трудностях с точной передачей заданных структур фотонных кристаллов в заглубленные воздушные полости InP-PCSEL, вызванных именно этим массовым переносом. Среди зафиксированных эффектов — деформация круглых отверстий в прямоугольные формы, нерегулярности в форме и размерах, асимметричные искажения, влияющие на работу устройства, а также вертикальные отклонения шаблона и вариации заполнения, зависящие от диаметра отверстий. Такие несоответствия затрудняют оптимизацию выходной мощности путем проектирования формы отверстий. Более того, эта локальная случайность при изготовлении и непреднамеренная неоднородность структуры фотонного кристалла могут особенно усиливаться при увеличении площади фотонного кристалла, что в итоге ухудшает качество пучка.

Для решения этих проблем авторы исследования предложили конструкцию PCSEL с заглубленным диэлектриком, которая разработана для сохранения структуры фотонного кристалла (PhC) на всем протяжении эпитаксиального роста, а также потенциального повышения однородности, надежности и теплопроводности при эксплуатации в жестких условиях. Хотя замена воздушных полостей на заглубленный диэлектрик снижает контраст показателей преломления и, следовательно, ослабляет одномерные и двумерные коэффициенты связи, диэлектрические фотонные кристаллы не подвержены деформациям формы, описанным выше. Таким образом, заглубленные диэлектрические PhC представляют собой промежуточный вариант между PhC с воздушными полостями (обеспечивающими высокий оптический контраст) и полностью полупроводниковыми PhC (которые лучше отводят тепло и обладают большей надежностью), при этом уникально избегая термически индуцированной деформации, наблюдаемой в обоих предыдущих вариантах. Метод бокового эпитаксиального надращивания (LEO от lateral epitaxial overgrowth) с «углублением» диэлектрических элементов ранее был продемонстрирован в GaAs с помощью MBE (молекулярно-пучковой эпитаксии) еще в 2019 году в труде «High-Quality GaAs Planar Coalescence over Embedded Dielectric Microstructures Using an All-MBE Approach». Авторы рассматриваемого нами сегодня исследования недавно адаптировали этот подход LEO для InP с использованием также MBE.

В данном труде описана первая демонстрация генерации лазерного излучения от фотонасоса в PCSEL с заглубленным диэлектриком, работающем при комнатной температуре на длине волны 1,5 мкм. Это первый в мире полупроводниковый лазер с полностью инкапсулированными диэлектрическими структурами в активной области, заменяющий стандартные воздушные полости или полностью полупроводниковые фотонные кристаллы.

В идеале, чтобы усилить вертикальное излучение, необходимо максимизировать контраст показателей преломления между компонентами с высоким и низким показателями в слое фотонного кристалла (PhC). Поэтому в качестве низкопреломляющего материала был использован диэлектрик - диоксид кремния.

В предыдущей работе ученых была продемонстрирована возможность полного эпитаксиального надращивания полупроводника поверх твердого диэлектрического фотонного кристалла для изготовления PCSEL и зарегистрировано усиленное спонтанное излучение. Одним из ключевых требований при проектировании является достижение достаточно высокого перекрытия моды (modal overlap) между лазерной модой и слоем фотонного кристалла. Это перекрытие зависит как от взаимного расположения слоев PhC и активной области, так и от коэффициента заполнения (FF, fill factor — определяется как процент площади, занятой диэлектриком, от общей площади элементарной ячейки PhC). Например, увеличение FF снижает среднее значение показателя преломления в PhC, что ведет к вытеснению оптической моды и снижению перекрытия. В случае с заглубленным диэлектриком FF можно легко регулировать, в отличие от воздушных полостей, размеры которых сильно зависят от условий роста и геометрии. Следует отметить, что уменьшение FF требует увеличения толщины диэлектрического слоя, чтобы сохранить модовое перекрытие с PhC. В исследуемой конструкции для PhC с FF = 13%, расположенного на 50 нм выше активной области, расчетное перекрытие с модой составляет 8%.

Ученые изготовили заглубленные диэлектрические PCSEL-лазеры с коэффициентами заполнения (FF) 10% и 13% для экспериментов с фотонасосом. Слой SiO₂ толщиной 214 нм осаждается методом плазменно-усиленного химического осаждения из паровой фазы (PECVD от plasma-enhanced chemical vapor deposition), а узоры фотонного кристалла (PhC) с решеткой из прямоугольных треугольников формируются с помощью электронно-лучевой литографии и переносятся на диэлектрик сухим травлением. Период решетки варьируется немного короче и длиннее значения a = 480 нм, чтобы получить излучение на длине волны 15xx нм. Далее используется дополнительный шаг фотолитографии для открытия периферийного диэлектрического материала вокруг узоров PhC. Этот шаг обусловлен использованием положительного электронно-лучевого резиста и необходимостью обнажения поверхности InP для повторного наращивания. Как структуры PhC из SiO₂, так и фоновые узоры травятся методом реактивного ионного травления с индуктивно связанной плазмой (ICP-RIE от inductively coupled plasma reactive-ion etching).

После формирования узоров PhC образцы очищаются плазмой кислорода и погружением в H₂SO₄ перед повторной эпитаксией методом молекулярно-пучковой эпитаксии (MBE от molecular beam-epitaxy). Боковое эпитаксиальное наращивание InP проводилось в два этапа: первый — для достижения селективности, второй — для инкапсуляции диэлектрических элементов. После общего наращивания 900 нм InP все структуры PhC были полностью инкапсулированы. Длины сторон диэлектрических треугольников составляли от 200 до 260 нм. Повторно выращенный слой InP был недопированным для обеспечения фотонасоса.

Наконец, вокруг каждого узора PhC были определены изоляционные мезо-структуры, которые анизотропно протравливались с использованием хлорсодержащего ICP-RIE через активный слой. Получившиеся квадратные мезо-структуры имели размеры 200×200 мкм и высоту ступени 1,6 мкм. Боковые стенки не были пассивированы для фотонасоса.

Ученые осуществляли фотонасос заглубленных диэлектрических PCSEL при комнатной температуре, используя насос с длиной волны 980 нм, сфокусированный на отдельных мезо-структурах с помощью объектива ближнего ИК-диапазона. Диаметр пятна накачки составлял примерно 200 мкм, освещая всю поверхность мезо-структуры PCSEL. Лазер накачки с длительностью импульса 300 нс и рабочим циклом 0,3% возбуждал устройство, установленное на стеклянной подложке или медном блоке без активного охлаждения. Спектры лазерного излучения собирались через длинноволновой фильтр в спектрометр с линейной матрицей InGaAs, охлажденный жидким азотом. Для съемки ближнего и дальнего поля использовались камеры InGaAs в диапазоне SWIR. Чтобы визуализировать дальнее поле, между объективом и поверхностью PCSEL был вставлен дихроичный фильтр, наклоненный вверх, чтобы проецировать свет с длиной волны 1,5 мкм на экран, размещенный на расстоянии 65 мм от образца. В результате PCSEL-структуры перестали освещаться равномерно из-за искаженного и вытянутого пучка накачки. Тем не менее такое расположение не помешало генерации лазерного излучения.

В рассмотренном труде ученые впервые в мире продемонстрировали фотонасосную лазерную генерацию от заглубленного диэлектрического PCSEL при комнатной температуре с излучением на длине волны 1,5 мкм. Эта новая конструкция PCSEL, в которой подмикронные заглубленные диэлектрические (SiO₂) треугольники выступают в роли компонента с низким показателем преломления в фотонном кристалле.

Долгие годы исследовательская группа занималась изучением лазеров VCSEL, которые повсеместно используются в смартфонах, принтерах, сканерах штрих-кодов и т. д. Однако с 2020 года они перенаправили свое внимание на PCSEL — лазеры с поверхностным излучением на основе фотонного кристалла. PCSEL является новинкой в области полупроводниковых лазеров, где используется фотонный кристалл для формирования лазерного пучка с желаемыми характеристиками: высокой яркостью и узким, круглым пятном.

Классические PCSEL изготавливаются с воздушными полостями, которые встраиваются в устройство после повторного наращивания полупроводникового материала вокруг их границ. Проблема в том, что атомы полупроводника имеют тенденцию перераспределяться и заполнять эти полости, что нарушает целостность и однородность структуры фотонного кристалла. Авторы исследования решили эту проблему путем замены воздушных полостей на твердый диэлектрический материал, а именно диоксид кремния (SiO₂). Он выступил в роли низкопреломляющего компонента. Ученые уверены, что в ближайшие десятилетия подобного рода лазеры будут использоваться в самых разных сферах, от лазерной резки до беспроводной оптической связи.