Управляемое взаимодействие света с веществом — один из ключевых путей к созданию новых квантовых устройств и высокочувствительных сенсоров. Особое внимание исследователей привлекают оптические микрорезонаторы: компактные структуры, способные «запирать» свет и многократно усиливать оптические эффекты. Пористый кремний в этом контексте выглядит особенно привлекательно: он сравнительно недорог, совместим с гибкими технологическими маршрутами и позволяет тонко задавать параметры при электрохимическом травлении. Но есть и трудности: многофакторность процесса, сложность обеспечения воспроизводимости и ограничение по добротности — обычно этот показатель, характеризующий способность резонатора долго удерживать свет, редко поднимается выше 100.
Новый технологический цикл НИЯУ МИФИ: от модели к образцу
В Центре «Нано-Фотон» НИЯУ МИФИ создана комплексная технология контролируемого изготовления микрорезонаторов из пористого кремния, в которой теоретическое моделирование тесно связано с экспериментальной валидацией. Такой «замкнутый контур» разработки позволяет заранее вычислять требуемые параметры структуры, затем получать их в материале и оперативно корректировать режимы, пока не будет достигнут целевой отклик. Результат — изготовление микрорезонаторов с выросшей вдвое добротностью, то есть с существенно увеличенным временем жизни фотонов в резонаторе и более узкими оптическими резонансами. При этом расчеты показывают, что запас для дальнейшего роста добротности еще есть: совершенствование геометрии и пористости, оптимизация интерфейсов и подавление паразитных потерь способны дать дополнительный прирост качества.
Практическая ценность подхода — в предсказуемости и воспроизводимости. Комбинация моделирования и тонкой настройки электрохимического травления облегчает контроль над параметрами слоя: пористостью, толщиной, показателем преломления и контрастом между слоями. Это напрямую влияет на спектральное положение и ширину резонансов, глубину провалов/пиков в спектрах пропускания и отражения, а также на уровень внутреннего рассеяния.
Усиление флуоресценции и повышение спектрального разрешения
Ключевой демонстрацией эффективности технологии стало встраивание флуорофоров в оптимизированный микрорезонатор. При правильно подобранных модах и геометрии удалось почти в шесть раз сузить спектр флуоресценции и заметно усилить сигнал. Это означает, что излучение из активной среды лучше «согласовано» с модами резонатора, а энергия света дольше циркулирует внутри структуры, повышая вероятность взаимодействия фотонов с материалом. На практике эффект выражается в более яркой и стабильной эмиссии, уменьшении перекрытия соседних линий и облегчении выделения полезного сигнала на фоне шумов.
Такое сужение спектра и рост интенсивности — критично для сенсорики, где требуется высокое спектральное разрешение и чувствительность к малым изменениям в составе раствора или окружающей среды. Микрорезонаторы из пористого кремния хорошо интегрируются с микрофлюидными системами, допускают функционализацию поверхности и позволяют селективно «привязывать» молекулы-мишени. В результате чувствительность к малым вариациям показателя преломления или к специфическим биомаркерам возрастает, а считывание становится точнее.
Важно и то, что достигнутая добротность напрямую улучшает отношение сигнал/шум в спектроскопических измерениях. Улощающиеся резонансы и более высокий контраст позволяют надежнее регистрировать небольшие сдвиги линий, вызванные, например, адсорбцией молекул, температурными эффектами или изменением состава исследуемой среды.
От лаборатории к прикладным решениям
Достигнутые результаты открывают путь к целому спектру приложений. В области квантовых технологий микрорезонаторы с повышенной добротностью и контролируемыми модами рассматриваются в качестве платформы для создания источников единичных фотонов и структур, усиливающих светоизлучение отдельных центров. Для биомедицины и экологии это — высокочувствительные сенсоры, способные выявлять целевые аналиты при низких концентрациях, обеспечивая узкую линию регистрации и снижая погрешности распознавания. В аналитической химии оптимизированные резонаторы улучшают условия для узкополосной флуоресценции и усиливают слабые сигналы, что полезно в экспресс-диагностике и мониторинге качества среды.
Переход к промышленному масштабу облегчается самим выбором материала. Пористый кремний совместим с кремниевой микро- и наноэлектроникой, а значит, возможна интеграция микрорезонаторных структур с волноводами, фотодетекторами и управляющей электроникой на одном кристалле. Учитывая гибкость электрохимического травления, перспективно производство массивов резонаторов с различными параметрами на одной подложке — для мультиплексных измерений и параллельной регистрации нескольких каналов.
Модели, разработанные в Центре «Нано-Фотон», задают алгоритм «инверсного проектирования»: исходя из целевого спектрального отклика и требуемой добротности, подбираются архитектуры многослойных структур и режимы формирования пор. Такой подход сокращает число пробных итераций и экономит ресурс, повышая стабильность результатов от партии к партии. В дальнейшем возможно расширение библиотеки параметров, учет факторов окружающей среды, а также разработка программных инструментов для быстрой настройки процесса непосредственно на производственной линии.
Команда, поддержка и оптимистичный взгляд вперед
Исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (соглашение/грант № 075-15-2025-609). Проект возглавляет профессор Николай Каргин. Слаженная работа теоретиков и экспериментаторов, проведение серийных валидационных измерений и постоянное сопоставление с моделями позволили добиться заметного прогресса в контроле оптических свойств пористого кремния. Результаты представлены научному сообществу и демонстрируют высокую степень готовности технологии к переходу на уровень прототипов.
Следующим шагом видится наращивание добротности за счет повышения однородности слоев, оптимизации интерфейсных границ и минимизации потерь на рассеяние, а также интеграция с микрооптическими элементами для управления направлением и поляризацией излучения. Обсуждаются решения для температурной стабилизации резонансов, что особенно актуально при работе в полевых условиях и при длительном мониторинге. Отдельное направление — совместимость с различными классами флуорофоров и меток, включая биосовместимые варианты для медицинской диагностики.
Таким образом, в НИЯУ МИФИ создана технологическая основа, позволяющая целенаправленно усиливать взаимодействие света и вещества в компактных микроструктурах, не жертвуя масштабируемостью и экономичностью процесса. Рост добротности и контролируемое сужение спектральных линий — это прочный фундамент для новых приборов, которые объединят научную новизну и практическую пользу. Благодаря ресурсу и экспертизе Центра «Нано-Фотон» разработка уже сегодня демонстрирует зрелость, а в ближайшей перспективе может стать важной частью отечественной экосистемы фотонных и сенсорных решений.
