Глава 8. Современное состояние и перспективы полупроводниковых лазеров
Основными стратегическими направлениями развития современной лазерной техники, которые в значительной степени определяют национальную безопасность, являются создание высокоскоростных и защищенных средств оптической связи и нового поколения комплексов высокоточного оружия, управляемых лазерными системами. Определяющими компонентами этих систем являются полупроводниковые источники излучения (лазеры, суперлюминесцентные и светоизлучающие диоды, передающие оптические модули) и фотоприемные устройства.

Рис.1 Мощные импульсные одноэлементные лазерные диоды (905 нм)
Параметры | ДЛ-120 | CVD-68 | 2950 | PGAUIS16 | SPLPL90 |
Полюс | Laser Diode Incorporated USA | High Power Devices USA | Perkin Elmer USA | Osram Германия | |
Мощность импульса излучения, Вт | 25 | 25 | 25 | 22 | 25 |
Размер области излучения, мкм | 100 | 400 | 380 | 400 | 200 |
Длительность импульса излучения, нс | 100 | 50 | 200 | 160 | 100 |
Частота повторения импульсов излучения, кГц | 30 | 20 | 2 | 5 | 10 |




С другой стороны, если удалось создать полупроводниковый лазер с требуемыми характеристиками, то эксплуатация его проще, чем у твердотельного лазера. Ведь, с точки зрения схемотехники, полупроводниковый лазер – это диод (его так и называют – «лазерный диод»). Можно собрать электрическую схему, подключить туда лазерный диод, и он заработает. К примеру, во всех известных медицинских приборах таких, как «Узор» («Восход-КРЛЗ»), «МИЛТА», «РИКТА», «Витязь» (МИЛТА-ПКП-ГИТ), «Мустанг» («Техника»), «ЛИТА» (ВНИИМП), «Азор» и многих других, стоит один и тот же излучатель серии ЛПИ, разработанный на «Полюсе». «Сложно сделать уникальный лазер, а все остальное сделать проблемы нет», – комментирует В.А. Симаков.
Таблица 1. Сравнительные характеристики серийно выпускаемых лазеров импульсного режима работы и изделия ЛПИ-122
№ п/п | Наименование параметра, единица измерения | Изделие | |||
ЛПИ-101 | ЛПИ-102 | ЛПИ-121 | ЛПИ-122 | ||
1 | Средняя мощность импульса лазерного излучения, Вт | не менее 4 Вт в конусе с углом при вершине 40° в НКУ | не менее 3 Вт в конусе с углом при вершине 40°в НКУ | не менее 6 Вт в конусе с углом при вершине 40° в НКУ | не менее 20 Вт в конусе с углом при вершине 30° в диапазоне температур от минус 50ºС до плюс 65ºС |
2 | Размер излучающей области, мкм | 450 | 450 | 400 | 200 |
3 | Частота повторения импульсов лазерного излучения, кГц | 6 | 6 | 12 | 30 |
4 | Средняя наработка до отказа, количество импульсов | 5 х 108 | 6 х 108 | 4 х 109 | 1011 |
5 | Неравномерность интенсивности излучения по ширине области накачки, % | Не задано | Не задано | Не задано | Не более 30 % |
Выполнение качественной разработки и организации последующего серийного выпуска полупроводниковых лазеров возможно только при наличии современной высокотехнологичной базы: от выращивания эпитаксиальных наногетероструктур и формирования активных элементов (чипов) до изготовления законченных приборов и их тестирования в соответствии с требованиями заказчика. НИИ «Полюс» разрабатывает и производит широкую номенклатуру изделий: от мощных импульсных полупроводниковых лазеров с высокой энергетической яркостью для систем управления малоразмерными скоростными объектами до широкополосных (1–12 ГГц) волоконно-оптических передающих и приемных модулей для управления фазированными антенными решетками и высокостабильных источников накачки космических атомных стандартов частоты системы ГЛОНАСС.
Полупроводниковые источники излучения систем управления высокоточного оружия
Необходимость управления движением скоростных и малоразмерных реактивных боеприпасов в условиях пониженной видимости требует разработки полупроводниковых лазеров с повышенной яркостью и мощностью излучения, работающих на повышенных (несколько десятков кГц) частотах повторения световых импульсов. В большинстве практически важных применений средняя мощность импульса лазерного излучения должна составлять десятки ватт. При этом для снижения массогабаритных показателей оптических систем, используемых для формирования оптического луча малой расходимости, требуется, чтобы размер тела излучения полупроводниковых лазеров составлял 100–200 мкм, а основной поток генерируемой световой энергии был сконцентрирован в конусе с углом при вершине не более 30 градусов. Необходимость круглосуточной работы оптических средств накладывает дополнительные требования по ресурсу работы лазеров. Реально эта величина достигает 1011 импульсов.





Достигнутый в последние годы значительный прогресс в технологии изготовления полупроводниковых лазеров в НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха и многолетний опыт совместных работ с Тульским КБ Приборостроения и Калужским заводом «Восход» позволили разработать лазер ЛПИ-122 (главный конструктор В.А. Симаков), в состав которого входят мощный лазерный диод и источник импульсов тока накачки, и подготовить его серийное производство. Сравнительные характеристики серийно выпускаемых лазеров импульсного режима работы и изделия ЛПИ-122 приведены в таблице 1.
Из данных, приведенных в таблице 1, следует, что изделие ЛПИ-122 значительно превосходит серийные лазеры по импульсной мощности излучения, частоте повторения импульсов излучения и надежности при значительно меньшем размере излучающей области в сочетании с высокой однородностью распределения излучения и степенью поляризации излучения. В совокупности это означает, что разработано комплектующее изделие межотраслевого применения с высокой степенью востребованности и готовности к серийному производству.
На сегодняшний день поставлена задача поднять до ста раз энергетический потенциал изделий данного класса. В результате проведенных работ по всем направлениям повышения мощности излучения (рис. 3) были созданы двумерные наборные матрицы лазерных диодов. Основные технические решения нашли конкретное применение при разработке излучателей ИЛПИ-135, ИЛПИ-131 (главный конструктор Ю.П. Коваль), которые используются в составе комплексов «Сосна», «Пальма», «Деривация» (рис. 4–6).
Дальнейший прогресс оптико-электронных средств высокоточного вооружения требует в несколько раз увеличить энергетический потенциал излучателей при минимально возможном размере излучающей области. Реально необходимо обеспечить более 1000 Вт/мм2. НИИ «Полюс» делает ставку на создание излучателей на основе эпитаксиально-интегрированных наногетероструктур (рис. 7 и 8). В едином процессе эпитаксиального роста последовательно формируются несколько лазерных гетероструктур, соединенных посредством туннельного перехода. Достигнуто увеличение квантовой эффективности лазерных диодов с двумя активными областями в 1,7– 2,0 раза, с тремя – в 2,5–3,0 раза, с четырьмя – в 3,4–4,0 раза.
Это позволяет создать и производить в необходимом количестве источники лазерного излучения мощностью более 1000 Вт/мм2, что более чем в 100 раз превышает результаты, полученные на обычных конструкциях лазерных диодов. Достигнутые результаты обсуждались на международных конференциях и опубликованы в известных изданиях, что в очередной раз подтверждает высокий уровень разработок института (рис. 9).

В последние годы достигнут значительный прогресс в создании мощных непрерывных полупроводниковых лазеров, что позволило провести разработку и обеспечить поставку потребителям нескольких тысяч излучателей ИЛПН-133 (главный конструктор В.П. Коняев) (рис. 11).

За последние 15–20 лет в жизнь буквально ворвалось техническое новшество, сразу получившее глобальное распространение и самое широкое применение, причем не только для сложных научных и технологических целей, но и активно востребованное на бытовом уровне. Этим новшеством является Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС). Глобальность систем обеспечивается функционированием на орбитах набора видимых из любой точки Земли спутников, непрерывно передающих высокоточные измерительные сигналы. Тем самым вокруг нашей планеты создано как бы информационное координатно-временное поле, находясь в котором, пользователь с помощью специального приемника может черпать из него данные о своем положении в пространстве и времени.
Базовым прибором, обеспечивающим высокоточное навигационное и временное обеспечение глобальных систем позиционирования, является стандарт частоты на основе атомно-лучевой трубки (АЛТ). Серийно выпускаемые в настоящее время АЛТ с магнитной селекцией атомных состояний практически достигли предела совершенствования. Значительное улучшение характеристик АЛТ возможно за счет принципиально новой схемы лазерного возбуждения и регистрации атомного пучка.
Использование оптических методов в атомно-лучевых трубках позволяет заменить магнитную селекцию атомов по состояниям более эффективными методами – оптической накачкой и оптическим детектированием. В результате упрощается геометрия и конструкция прибора, снижается его вес, существенно повышается эффективность использования рабочего вещества и амплитуды выходного сигнала.
Наиболее перспективными для использования в АЛТ являются одночастотные полупроводниковые излучатели, которые отличаются исключительно малыми весом, габаритами, простотой накачки и высокой эффективностью преобразования электрической энергии в когерентное излучение в диапазоне длин волн 850–895 нм, охватывающих область резонансных оптических переходов в атомах цезия.
В перспективных требованиях к системе ГЛОНАСС до 2030 года определяют требование по эквивалентной погрешности дальности на уровне приблизительно 0,15 метра. Это требование достижимо при условии развития бортовых стандартов частоты космического аппарата ГЛОНАСС, в том числе достижения суточной нестабильности на уровне не более 5·10–15 и менее. Уверенно можно говорить о повышении точностных характеристик при использовании оптических методов в 5 раз по сравнению с существующими (стоящими на дежурстве) АЛТ с магнитной селекцией. В целом неточность таких промышленных бортовых стандартов частоты составит не более 1 с за 100 млн. лет.
Рис. 10
Наименование параметра, единица измерения | Модель полупроводникового лазера | ||||
32ДЛ-526 | 32ДЛ-526-1 | 32ДЛ-526-2 | 43ДЛ-527 | ||
Длина волны лазерного излучения, нм | λ | 870-930 | 940-970 | 1030-1070 | 1540-1560 |
Длина импульса лазерного излучения, нс | t | 100 | 100 | 100 | 100 |
Частота повторения импульсов излучения, Гц | F | 5000 | 5000 | 5000 | 5000 |
Средняя мощность импулься лазерного излучения, Вт | P | 1000 | 1000 | 1000 | 100 |
Размер области излучения, мкм | 1000х1000 | 1000х1000 | 1000х1000 | 1000х1000 |
В последние годы проведена СЧ ОКР «Разработка образцов высокостабильных излучателей на длины волн 780 нм, 794,7 нм и 852 нм на основе одночастотных полупроводниковых лазеров с шириной линии генерации не более 10 МГц для космических квантовых стандартов частоты» (В.Д. Курносов и А.В. Иванов), рисунок 12.


Создание ЭКБ для высокоскоростных и защищенных средств связи
Аналоговые оптоэлектронные модули для ВОЛС
Для диапазона частот модуляции 1–12 ГГц единственным способом реализации технических требований для систем специального назначения, предназначенных для передачи информации на расстояния более 100 м, является применение волоконно-оптических линий связи, так как потери на один километр в коаксиальном кабеле составляют 1500–2000 дБ, а в волоконно-оптическом кабеле не превышают 0,5–1,0 дБ.


Новая перспективная аппаратура РЭБ должна решать задачу повышения неуязвимости объектов ВВТ (воздушных, наземных, надводных) от поражения средствами современного высокоточного оружия. Наиболее перспективным способом ее решения является формирование высокоэффективной ложной цели для электронных систем обнаружения, сопровождения и поражения за счет управляемой имитации радиолокационных эхо-сигналов обнаружения и сопровождения. При этом принятый сигнал обнаружения переизлучается с заданными спектральной характеристикой и временной задержкой для имитации сигнала ложной цели.


- сверхширокая полоса пропускания, низкие искажения сигнала, малые габариты, вес, высокая помехозащищенность и скрытность;
- масса и габариты ВОЛЗ не менее чем на порядок ниже аналогичных характеристик запоминания и воспроизведения радиосигналов на аналоговых и цифровых линиях задержки; энергопотребление ВОЛЗ на 1–2 порядка меньше энергопотребления цифровых линий задержки СВЧ-сигналов;
- использование ВОЛЗ не требует преобразования несущей частоты радиосигнала и применения сверхбыстродействующих микросхем аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования;
- в спектре выходного сигнала ВОЛЗ отсутствуют побочные гармоники преобразования частоты, шумы квантования и дискретизации, что облегчает решение проблемы электромагнитной совместимости с радиоэлектронными средствами на борту летательного аппарата и повышает энергетические характеристики помеховых воздействий.
Указанные преимущества определяют следующие основные области применения комплекта широкополосных ПОМ и ПРОМ для ВОЛЗ в технике РЭП:
- создание устройств формирования ложных радиолокационных эхо-сигналов для активных радиолокационных ложных целей для защиты воздушных, наземных и надводных объектов;
- создание устройств кратковременного запоминания частоты для формирователей помеховых сигналов малогабаритной техники РЭП;
- передача СВЧ-сигналов на значительные расстояния, например, для буксируемых активных радиолокационных ловушек.
Приоритетным является использование ВОЛЗ для создания аппаратуры помех для беспилотных летательных аппаратов, передатчиков помех одноразового использования и забрасываемых передатчиков помех.
Основными элементами, входящим в состав волоконно-оптической линии связи (ВОЛС), являются передающий оптоэлектронный модуль (ПОМ) и приемный оптоэлектронный модуль (ПРОМ). Коэффициент передачи ПОМ-ПРОМ в этом диапазоне частот составляет величину минус 25 дБ – минус 30 дБ и определяется потерями на преобразование электрического сигнала в оптический, потерями на ввод и вывод излучения из одномодового волокна, потерями в оптическом разъеме, потерями на обратное преобразование оптического сигнала в электрический. Сегодняшний этап этой работы – разработка и организация серийного производства принципиально новых малошумящих оптоэлектронных модулей (ПОМ и ПРОМ) с полосой модуляции 1–10 ГГц для волоконно-оптических систем передачи широкополосных аналоговых сигналов СВЧ-диапазона с компенсацией потерь преобразования для применения в перспективных и модернизируемых фазированных антенных решетках (ФАР), АФАР различного базирования с фазостабильными волоконнооптическими каналами контроля и диаграммообразования, в аппаратуре спутниковой связи, в дистанционно управляемых наземных постах разведки и целеуказания, в перспективной аппаратуре РЭБ.


Решающий успех ведения боевых действий в современных условиях в значительной мере определяется уровнем информационного обеспечения стационарных и мобильных развертываемых командных пунктов управления. Оперативность и адекватность принятия решений прямо зависят от возможности доступа к различного рода информации в необходимом объеме за минимально возможное время. Разработка новых высокоточных систем вооружения и модернизация существующих типов ВВТ обусловили значительный рост информационных потоков. При этом существующие системы обмена данными с ограниченной пропускной способностью уже не соответствуют современным требованиям. В настоящее время проводятся интенсивные исследования по разработке новых, нестандартных технологий передачи информации на основе широкого применения волоконно-оптических средств передачи информации и совершенствования в целом технических характеристик связных технологий. В связи с этим разработка современной оптоэлектронной элементной базы для цифровых локальных информационных сетей (ЛИС) является актуальной задачей.
В НИИ «Полюс» разработаны и освоены в опытном производстве оптоэлектронные передающий ПОМ–24 и приемный ПРОМ–12 (главный конструктор А.В. Иванов), (рис. 21) модули для волоконно-оптических локальных информационных сетей кольцевой топологической структуры построения со скоростью передачи данных до 120 Мбит/c.
Назначение ПОМ–24 – преобразование цифровых электрических сигналов в оптические. В качестве активного элемента в ПОМ-24 использован СИД с широким спектром излучения на основе двойной гетероструктуры соединений InP/ InGaAsP.
Назначение ПРОМ–12 – преобразование оптических сигналов в выходные цифровые электрические сигналы. В качестве активного элемента в ПРОМ-12 использован p-i-n фотодиод с активным диаметром 70 мкм на основе двойной гетероструктуры соединений InP/InGaAs.
Принципиальным отличием разработанных ПОМ и ПРОМ от выпускавшихся ранее модулей является высокая готовность к совместимости с существующими проводными цифровыми системами передачи информации. Для решения этой задачи при разработке конструкции модулей в состав ПОМ был введен цифровой модулятор, а в состав ПРОМ –усилитель и формирователь выходных уровней, выполненные по гибридно-интегральной технологии. В результате при установке ПОМ в цифровой тракт передачи данных ЛИС обеспечивается непосредственное электронно-оптическое преобразование входных электрических ТТЛ импульсов в импульсы излучения с длиной волны 1310 нм. В ПРОМ происходит обратное оптоэлектронное преобразование импульсов излучения в выходные электрические сигналы в уровнях ТТЛ.
Полупроводниковые источники накачки малогабаритных всепогодных твердотельных лазеров для систем дальнометрии и целеуказания
НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха ведет разработку и производство наземных лазерных целеуказателей-дальномеров (ЛЦД) с середины 70-х годов прошлого века. За прошедшее время разработано 4 поколения ЛЦД, последняя разработка ОКР «Визир» по созданию унифицированных ЛЦД для межвидового применения завершена в декабре 2009 года.
Все существующие типы разработанных ЛЦД (1Д15, 1Д20, 1Д22, 1Д22С, 1Д22М, 1Д26, 1Д26М, 1Д29) базируются на применении в качестве излучающего канала твердотельных лазеров с ламповой накачкой. Совершенствование ТТХ ЛЦД в течение прошедших 30 лет велось в направлении снижения массогабаритных характеристик, повышения дальности действия, снижения энергопотребления, развития многофункциональности, комплексирования со средствами наблюдения и вычислительной техники.






Указанная масса по результатам проведенных государственных испытаний уже является критичной при применении вариантов наземного ЛЦД (1Д29–2, 1Д29–3) подразделениями специального назначения и абсолютно неприемлема при создании бортового оборудования для легких беспилотных летательных аппаратов (БЛА).
В то же время отсутствие таких БЛА, оснащенных компактным средством лазерного целеуказания, создает значительные ограничения в применении, например, высокоточных артиллерийских средств поражения с полуактивным лазерным наведением.
Действительно, при дальности стрельбы 20–25 км (управляемый артиллерийский снаряд типа «Краснополь») максимальная дальность подсвета наземного ЛЦД составляет 5–7 км. При реализации в перспективе дальности стрельбы до 50 км разница становится критической. Исходя из этого, давно назрела необходимость доставки средств лазерного целеуказания ближе к удаленной цели с помощью беспилотных летательных аппаратов (БЛА). Но для оснащения легкого БЛА таким средством требуется кардинальное снижение массы и энергопотребления лазерного канала, что в настоящее время может быть реализовано при сохранении или улучшении его выходных параметров только с применением накачки другого типа – накачки полупроводниковыми лазерными излучателями.


- 32ДЛ-523 (ОКР «Квант-3», главный конструктор В.А. Симаков) – многоспектральная решетка лазерных диодов, не требующая термостабилизации в диапазоне рабочих температур;
- 32ДЛ-525А, 32ДЛ-525 Б (ОКР «Наногетероструктура», главный конструктор В.А. Симаков) – многоспектральная решетка лазерных диодов повышенной мощности;
- гетеролазер ИЛПИ-138–1 (ОКР «Квант-17», главный конструктор С.М. Сапожников) – мощные гетеролазеры с повышенным ресурсом работы для систем полупроводниковой накачки ТЛ на основе АИГ: Nd3+;
- гетеролазер ИЛПИ-138–2 (ОКР «Квант-17», главный конструктор Сапожников С.М.) – мощные гетеролазеры с повышенным ресурсом работы для систем полупроводниковой накачки ТЛ на основе стекла, легированного ионами Er, Yb.
В таблице 2 представлены основные технические характеристики разработанных изделий.
Таблица 2
Модель | Средняя мощность импульса лазерного излучения, Вт, не менее | Амплитуда импульсов тока накачки, А, не более | Частота повторения импульсов излучения, Гц | Длительность импульса лазерного излучения, мкс | Длина волны лазерного излучения, нм (при Ткорп=20°С) | Размер области излучения, мм | Диапазон рабочих температур, °С |
Параметры измеряются при температуре 20±3 °С | |||||||
ИЛПИ-138–1 (ОКР «Квант-17») | 2500 | 110 | 22 | 200 | 808±4 | 5х10 | -50…50 |
ИЛПИ-138–2 (ОКР «Квант-17») | 1000 | 70 | 5 | 2500 | 940±20 | 5х10 | -50…+50 |
32ДЛ-525А (ОКР «Наногетеро структура») | 1300 | 130 | 20 | 250 | 807 | 5х4,5 | -40…+50 |
32ДЛ-525Б | 2500 | 250 | 20 | 200 | 795…812 | 10х5 | -40…+50 |
Параметры измеряются без стабилизации температуры | |||||||
32ДЛ-523–1 (ОКР «Квант-3») | 1800 | 70 | 20 | 100 | 795±3, 809±3, 826±3 | 10х5 или 5х10 | -60…+65 |




Из данных, приведенных в таблице 3, видно, что по совокупности параметров оцениваемые изделия соответствуют техническому уровню зарубежных образцов. Основная разница заключается в оптической мощности, снимаемой с единичной линейки лазерных диодов, входящей в РЛД.
Таблица 3
Наименование параметра, ед. измерения | Значение показателей | |||||
Гетеролазер ИЛПИ-138–1 | Зарубеж ный аналог LT-5500 (S4) | Изделие 32ДЛ-523 | Зарубеж ный аналог QD-Q1412-B (n) | Изделие 32ДЛ-525А | Изделие 32ДЛ-525Б | |
1. Средняя мощность импульса лазерного излучения, Вт | 2500 | 2400 | 1500 | 1200 | 1300 | 2500 |
2. Длина волны лазерного излучения, нм | 808 | 808 | 795, 808, 826 | 790–820 | 807 | 795–812 |
3. Размер области излучения, мм | 5х10 | 10х2,9 | 5х10 | 10х3,63 | 5х4,5 | 10х5 |
4. Количество ЛЛД в решетке | 24 | 9 | 36 | 12 | 12 | 12 |
5. Амплитуда импульсов тока накачки, А | 106 | 300 | 60 | 95 | 130 | 250 |
6. Рабочее напряжение, В | 44 | 16 | 60 | 24 | 22 | 22 |
7. Длительность импульса лазерного излучения, мкс | 200 | 300 | 100 | 200 | 250 | 200 |
8. Частота повторения импульсов излучения, Гц | 20 | 20 | 20 | 100 | 20 | 20 |
9. КПД, % | 53,6 | 50 | 41,7 | 58 | 45 | 45 |
10. Диапазон рабочих температур, °С | -50…+50 | -40…+70 | -50…+65 | -40…+75 | -40…+50 | -40….+50 |
11. Тип накачки | поперечная | поперечная | поперечная | продольная | продольная | поперечная |
В заключение отметим, что сегодня сочетание слов нанотехнологии, фотоника, инновации, привычные при обсуждении приоритетных направлений инновационного развития страны с экранов телевизоров, в НИИ «Полюс» понятны и активно реализуемы более 30 лет. Как показано выше, на предприятии создан уникальный комплекс высоких технологий, позволяющий выполнять на современном научно-техническом уровне сложнейшие задания и разрабатывать продукцию, иногда не имеющую зарубежных аналогов. Этого удается добиваться благодаря наличию собственной технологической базы и высококвалифицированного персонала. Именно это позволяет НИИ «Полюс» вести новые работы аналогично академическим институтам и производить в необходимом количестве изделия аналогично серийным заводам.