Твердотельная активная среда для интегральных оптических гироскопов

И.А. Форофонов; А.О. Синельников; И.А. Сметанин; А.В. Королева; Е.А. Сметанин

doi:10.18127/j20700784-202605-09

Твердотельная активная среда для интегральных оптических гироскопов

И.А. Форофонов¹, А.О. Синельников², И.А. Сметанин³, А.В. Королева⁴, Е.А. Сметанин⁵

научная статья УДК 54.123 Страницы: 81-88 doi.org/10.18127/j20700784-202605-09

¹ Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» (НИЯУ МИФИ) (Москва, Россия)
^2,3,5 Российский университет дружбы народов имени Патриса Лумумбы (РУДН) (Москва, Россия)
⁴ Российский университет дружбы народов имени Патриса Лумумбы (РУДН) (Москва, Россия); Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара (Москва, Россия)

Ключевые слова: Интегральный оптический гироскоп твердотельный лазерный гадолиний-скандий-галлиевый гранат кристаллическая решетка запрещенная зона правило Вегарда миниатюризация

Аннотация

Постановка проблемы. Развитие микросистемной техники и интегральной фотоники формирует устойчивый спрос на создание миниатюрных, энергоэффективных и высокоточных датчиков вращения. Перспективным направлением является разработка полностью твердотельных лазерных гироскопов на основе кольцевых резонаторов, монолитно интегрированных в планарную структуру. Ключевой технологический барьер для их реализации – отсутствие активных лазерных сред, сочетающих оптическую эффективность со структурной стабильностью и возможностью эпитаксиального согласования с полупроводниковыми подложками.

Цель. Разработать методику и провести расчет оптимального состава четырехкомпонентного твердого раствора на основе гадолиний-скандий-галлиевого граната; определить стехиометрию, обеспечивающую одновременное согласование периода кристаллической решетки материала с подложкой фосфида индия и достижение заданной ширины запрещенной зоны, что является необходимым условием для создания стабильной активной среды в интегральной схеме.

Результаты. На основе применения правила Вегарда к системе из четырех бинарных соединений (GdGa, GdO, ScGa, ScO) определен оптимальный состав Gd3,2Sc2,2Ga1,05O0,5. Установлено, что данный состав обеспечивает период кристаллической решетки величиной 5,86 Å, что соответствует параметру подложки InP, и ширину запрещенной зоны 4,63 эВ. Проведен графический анализ, который подтвердил, что найденные концентрационные параметры являются единственным решением, удовлетворяющим обоим условиям структурного и электронного согласования.

Практическая значимость. Полученные результаты представляют собой готовое расчетное обоснование для последующего синтеза перспективного материала методом эпитаксиального роста. Это открывает путь к созданию принципиально нового элемента для интегральных оптических гироскопов – тонкопленочной активной среды с проектными свойствами. Разработанная методика может быть применена для инженерии состава и других многокомпонентных материалов в фотонике и микроэлектронике, способствуя развитию технологий миниатюрной инерциальной навигации.

Поступила: 05.02.2026
Одобрена: 24.02.2026
Принята: 30.04.2026

Для цитирования

Форофонов И.А., Синельников А.О., Сметанин И.А., Королева А.В., Сметанин Е.А. Твердотельная активная среда для интегральных оптических гироскопов // Успехи современной радиоэлектроники. 2026. T. 80. № 5. С. 81–88. DOI: https://doi.org/10.18127/ j20700784-202605-09

Список источников

Азарова В.В., Голяев Ю.Д., Дмитриев В.Г. Кольцевые газовые лазеры с магнитооптическим управлением в лазерной гироскопии // Квантовая электроника. 2000. Т. 30. № 2. С. 96–104.
Борейшо А.С., Ивакин С.В. Лазеры: устройство и действие: Учеб. пособие. СПб.: Лань. 2023.
Брославец Ю.Ю., Георгиева М.А., Фомичев А.А. Особенности генерации сверхкоротких импульсов в кольцевом YAG: Cr4+-лазере в режиме синхронизации мод // ТРУДЫ МФТИ. 2013. Т. 5. № 1(17). С. 163–174. EDN PVGCYV.
Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов. М.: Бином. Лаборатория знаний. 2008.
Ларионцев Е.Г., Фирсов В.В., Чекина С.Н. Взаимодействие встречных волн в кольцевом лазере на кристалле Nd: YVO4 // Квантовая электроника. 2021. Т. 51. № 7. С. 597–600. EDN REIDAK.
Ларионцев Е.Г., Фирсов В.В., Чекина С.Н. Возможность повышения чувствительности к вращению с помощью постоянного магнитного поля в кольцевом лазере на кристалле Nd: YVO4 // Оптика и спектроскопия. 2024. Т. 132. № 10. С. 1038–1042. DOI: 10.61011/OS.2024.10.59417.5887-24. EDN SMHOCZ.
Лидин Р.А. Химические свойства неорганических веществ. М.: Химия. 2006.
Синельников А.О., Запотылько Н.Р., Зубарев Я.А., Катков А.А. Особенности применения ситалла СО-115М при изготовлении оптических деталей кольцевых He–Ne-лазеров // Стекло и керамика. 2023. Т. 80. С. 171–177. DOI: 10.1007/s10717-023-00579-5.
Синельников А.О., Медведев А.А., Голяев Ю.Д., Грушин М.Е., Чекалов Д.И. Роль тепловых дрейфов нуля в магнитооптических зеемановских лазерных гироскопах // Гироскопия и навигация. 2021. Т. 29. № 4. С. 115.
Синельников А.О., Тихменев Н.В., Ушанов А.А., Медведев В.М. Современное состояние и тенденции развития инерциальных навигационных систем на кольцевых лазерных гироскопах // Фотоника. 2024. Т. 18. № 6. С. 450–466. DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2024.18.6.450.466.
Трофимова Е.С., Пустоваров В.А., Зацепин А.Ф. Конверсия энергии в нанокристаллах Gd2O3, легированных ионами Er3+ // Физика твердого тела. 2019. Т. 61. № 5. С. 872–875. DOI: 10.21883/FTT.2019.05.47583.13F.
Федотов А.В., Михеев Е.Н., Лысиков А.В., Новиков В.В. Теоретическая и экспериментальная плотность соединений
(U, Gd)O2 и (U, Er)O2 // Атомная энергия. 2012. Т. 113. Вып. 6. С. 344–347.
Форофонов И.А., Синельников А.О. Расчет активной среды для твердотельного лазерного гироскопа // Бортовые комплексы управления: Материалы II конф. молодых ученых. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2025. С. 95–97. DOI: 10.22184/978-5-94836-729-3/95.97. EDN CTXMGF.
Aronowitz F. Fundamentals of the ring laser gyro // Optical Gyros and their Application, RTO AGARDograph 339. 1999. P. 3-1–3-45.
Armenise M.N., Ciminelli C., Dell’Olio F., Passaro V.M.N. Advances in Gyroscope Technologies. Springer. 2010. DOI: 10.1007/978-3-642-15494-2.
Attaway D.C. MATLAB: A Practical Introduction to Programming and Problem Solving. 5th ed. Butterworth-Heinemann. 2018.
Badaoui N.E., Morbieu B., Martin P., Rouchon P., Pocholle J.-P., Gutty F., Feugnet G., Schwartz S. Towards a solid-state ring laser gyroscope // Comptes Rendus Physique. 2014. V. 15. P. 841–850. DOI: 10.1016/j.crhy.2014.10.008.
Broslavets Y.Y., Ambartsumyan D.M., Semenov V.G., Fomichev A.A., Polukeev E.A. Multifrequency solid-state ring laser gyroscope based on YAG:Cr4+ // 28th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems (ICINS). 2021. P. 1–8. EDN TRBWER.
Broslavets Y.Y., Fomichev A.A., Polukeev E.A., Ambartsumyan D.M. Noise rejection during mode-locking in a solid-state laser gyroscope based on YAG:Cr4+ // International Conference on Laser Optics. 2020. P. 9285628. DOI: 10.1109/ICLO48556.2020.9285628. EDN JQCULN.
Chopra K.N. Ring Laser Gyroscopes // Optoelectronic Gyroscopes, Progress in Optical Science and Photonics. V. 11. 2021. P. 137. DOI: 10.1007/978-981-15-8380-3_1.
Esmaeili N., Parandin F., Feali M.S., Shama F. Design of Photonic Crystal All-Optical Analog-to-Digital Using Nonlinear Kerr Effect // Microwave and Optical Technology Letters. 2025. V. 67. № 4. P. e70181. DOI: 10.1002/mop.70181. EDN UDVXGO.
Fedorenko A.Y., Ismaeel A., Orekhov I.O., Dvoretskiy D.A., Sazonkin S.G., Denisov L.K., Karasik V.E. Similariton-like Pulse Evolution in an Er-Doped Fiber Laser with Hybrid Mode Locking // Photonics. 2024. V. 11. № 4. P. 387. DOI: 10.3390/photonics11040387.
Greenwood N., Earnshaw A. Chemistry of the Elements. 2nd ed. Oxford: Butterworth-Heinemann. 1997.
Harrison F.E. Mathematics for Physical Science and Engineering. Symbolic Computing Applications in Maple and Mathematica. Elsevier Science & Technology Books. 2014.
Lobanov N.N., Tsirelson V.G., Zharikov E.V. Features of the electron structure of gadolinium-scandium-gallium garnet // Doklady Akademii nauk SSSR. 1989. V. 306. № 5. P. 1125–1128.
Lu D., Guo C., Ma C., Fan W., Gong X., Zhang Z., Li W., Xu J., Liu K., Yeh H.-C. All-solid-state miniature laser gyroscope based on a single monolithic non-planar ring oscillator // Photonics Research. 2025. V. 13. № 4. P. 897–904.
Mohammadi M., Seifouri M., Olyaee S. Theoretical investigation and optimization of rotation sensing in the new photonic crystal gyroscope based on the Sagnac effect using nonlinear photonic resonators // Modern Physics Letters B. 2023. DOI: 10.1142/s0217984924501379. EDN LBUUGR.
Mohammadi M., Seifouri M., Olyaee S. The rotation sensing based on the Sagnac effect in silicon-integrated optical gyroscope with noise considerations // Optical and Quantum Electronics. 2024. V. 56. № 6. P. 995. DOI: 10.1007/s11082-024-06895-6. EDN VUYJNF.
Stokowski S., Caird J., Shinn M., Smith L., Wilder R. GSGG crystals growth and quality: a status report // Advances in Laser Science-I. 1985. DOI: 10.1063/1.35859.
Susilo R.A., Cadogan J.M., Ryan D.H., Lee-Hone N.R., Cobas R., Muñoz-Pérez S. Spin-reorientation in GdGa // Hyperfine Interactions. 2014. V. 226. P. 257–266. DOI: 10.1007/s10751-013-0924-4.
Svanidze E., Morosan E. Type I Superconductivity in ScGa3 and LuGa3 Single Crystals // Physical Review B. 2012. V. 85. № 1.
Zharikov E.V. Features of rare-earth scandium garnets influencing crystal growth for solid-state lasers // Advanced Solid-State Lasers. Optica Publishing Group. 1990. P. MT1. DOI: 10.1364/ASSL.1990.MT1.
Zhu R., Gong X., Li W., Zhou G., Fan W., Liu D., Ma C., Xu J., Guo C., Yeh H.-C. Frequency-shifted laser feedback interferometry in non-planar ring oscillators. arXiv. 2024. arXiv: 2409.19870.

[1] Азарова В.В., Голяев Ю.Д., Дмитриев В.Г. Кольцевые газовые лазеры с магнитооптическим управлением в лазерной гироскопии // Квантовая электроника. 2000. Т. 30. № 2. С. 96–104.

[2] Борейшо А.С., Ивакин С.В. Лазеры: устройство и действие: Учеб. пособие. СПб.: Лань. 2023.

[3] Брославец Ю.Ю., Георгиева М.А., Фомичев А.А. Особенности генерации сверхкоротких импульсов в кольцевом YAG: Cr4+-лазере в режиме синхронизации мод // ТРУДЫ МФТИ. 2013. Т. 5. № 1(17). С. 163–174. EDN PVGCYV.

[4] Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов. М.: Бином. Лаборатория знаний. 2008.

[5] Ларионцев Е.Г., Фирсов В.В., Чекина С.Н. Взаимодействие встречных волн в кольцевом лазере на кристалле Nd: YVO4 // Квантовая электроника. 2021. Т. 51. № 7. С. 597–600. EDN REIDAK.

[6] Ларионцев Е.Г., Фирсов В.В., Чекина С.Н. Возможность повышения чувствительности к вращению с помощью постоянного магнитного поля в кольцевом лазере на кристалле Nd: YVO4 // Оптика и спектроскопия. 2024. Т. 132. № 10. С. 1038–1042. DOI: 10.61011/OS.2024.10.59417.5887-24. EDN SMHOCZ.

[7] Лидин Р.А. Химические свойства неорганических веществ. М.: Химия. 2006.

[8] Синельников А.О., Запотылько Н.Р., Зубарев Я.А., Катков А.А. Особенности применения ситалла СО-115М при изготовлении оптических деталей кольцевых He–Ne-лазеров // Стекло и керамика. 2023. Т. 80. С. 171–177. DOI: 10.1007/s10717-023-00579-5.

[9] Синельников А.О., Медведев А.А., Голяев Ю.Д., Грушин М.Е., Чекалов Д.И. Роль тепловых дрейфов нуля в магнитооптических зеемановских лазерных гироскопах // Гироскопия и навигация. 2021. Т. 29. № 4. С. 115.

[10] Синельников А.О., Тихменев Н.В., Ушанов А.А., Медведев В.М. Современное состояние и тенденции развития инерциальных навигационных систем на кольцевых лазерных гироскопах // Фотоника. 2024. Т. 18. № 6. С. 450–466. DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2024.18.6.450.466.

[11] Трофимова Е.С., Пустоваров В.А., Зацепин А.Ф. Конверсия энергии в нанокристаллах Gd2O3, легированных ионами Er3+ // Физика твердого тела. 2019. Т. 61. № 5. С. 872–875. DOI: 10.21883/FTT.2019.05.47583.13F.

[12] Федотов А.В., Михеев Е.Н., Лысиков А.В., Новиков В.В. Теоретическая и экспериментальная плотность соединений
(U, Gd)O2 и (U, Er)O2 // Атомная энергия. 2012. Т. 113. Вып. 6. С. 344–347.

[13] Форофонов И.А., Синельников А.О. Расчет активной среды для твердотельного лазерного гироскопа // Бортовые комплексы управления: Материалы II конф. молодых ученых. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2025. С. 95–97. DOI: 10.22184/978-5-94836-729-3/95.97. EDN CTXMGF.

[14] Aronowitz F. Fundamentals of the ring laser gyro // Optical Gyros and their Application, RTO AGARDograph 339. 1999. P. 3-1–3-45.

[15] Armenise M.N., Ciminelli C., Dell’Olio F., Passaro V.M.N. Advances in Gyroscope Technologies. Springer. 2010. DOI: 10.1007/978-3-642-15494-2.

[16] Attaway D.C. MATLAB: A Practical Introduction to Programming and Problem Solving. 5th ed. Butterworth-Heinemann. 2018.

[17] Badaoui N.E., Morbieu B., Martin P., Rouchon P., Pocholle J.-P., Gutty F., Feugnet G., Schwartz S. Towards a solid-state ring laser gyroscope // Comptes Rendus Physique. 2014. V. 15. P. 841–850. DOI: 10.1016/j.crhy.2014.10.008.

[18] Broslavets Y.Y., Ambartsumyan D.M., Semenov V.G., Fomichev A.A., Polukeev E.A. Multifrequency solid-state ring laser gyroscope based on YAG:Cr4+ // 28th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems (ICINS). 2021. P. 1–8. EDN TRBWER.

[19] Broslavets Y.Y., Fomichev A.A., Polukeev E.A., Ambartsumyan D.M. Noise rejection during mode-locking in a solid-state laser gyroscope based on YAG:Cr4+ // International Conference on Laser Optics. 2020. P. 9285628. DOI: 10.1109/ICLO48556.2020.9285628. EDN JQCULN.

[20] Chopra K.N. Ring Laser Gyroscopes // Optoelectronic Gyroscopes, Progress in Optical Science and Photonics. V. 11. 2021. P. 137. DOI: 10.1007/978-981-15-8380-3_1.

[21] Esmaeili N., Parandin F., Feali M.S., Shama F. Design of Photonic Crystal All-Optical Analog-to-Digital Using Nonlinear Kerr Effect // Microwave and Optical Technology Letters. 2025. V. 67. № 4. P. e70181. DOI: 10.1002/mop.70181. EDN UDVXGO.

[22] Fedorenko A.Y., Ismaeel A., Orekhov I.O., Dvoretskiy D.A., Sazonkin S.G., Denisov L.K., Karasik V.E. Similariton-like Pulse Evolution in an Er-Doped Fiber Laser with Hybrid Mode Locking // Photonics. 2024. V. 11. № 4. P. 387. DOI: 10.3390/photonics11040387.

[23] Greenwood N., Earnshaw A. Chemistry of the Elements. 2nd ed. Oxford: Butterworth-Heinemann. 1997.

[24] Harrison F.E. Mathematics for Physical Science and Engineering. Symbolic Computing Applications in Maple and Mathematica. Elsevier Science & Technology Books. 2014.

[25] Lobanov N.N., Tsirelson V.G., Zharikov E.V. Features of the electron structure of gadolinium-scandium-gallium garnet // Doklady Akademii nauk SSSR. 1989. V. 306. № 5. P. 1125–1128.

[26] Lu D., Guo C., Ma C., Fan W., Gong X., Zhang Z., Li W., Xu J., Liu K., Yeh H.-C. All-solid-state miniature laser gyroscope based on a single monolithic non-planar ring oscillator // Photonics Research. 2025. V. 13. № 4. P. 897–904.

[27] Mohammadi M., Seifouri M., Olyaee S. Theoretical investigation and optimization of rotation sensing in the new photonic crystal gyroscope based on the Sagnac effect using nonlinear photonic resonators // Modern Physics Letters B. 2023. DOI: 10.1142/s0217984924501379. EDN LBUUGR.

[28] Mohammadi M., Seifouri M., Olyaee S. The rotation sensing based on the Sagnac effect in silicon-integrated optical gyroscope with noise considerations // Optical and Quantum Electronics. 2024. V. 56. № 6. P. 995. DOI: 10.1007/s11082-024-06895-6. EDN VUYJNF.

[29] Stokowski S., Caird J., Shinn M., Smith L., Wilder R. GSGG crystals growth and quality: a status report // Advances in Laser Science-I. 1985. DOI: 10.1063/1.35859.

[30] Susilo R.A., Cadogan J.M., Ryan D.H., Lee-Hone N.R., Cobas R., Muñoz-Pérez S. Spin-reorientation in GdGa // Hyperfine Interactions. 2014. V. 226. P. 257–266. DOI: 10.1007/s10751-013-0924-4.

[31] Svanidze E., Morosan E. Type I Superconductivity in ScGa3 and LuGa3 Single Crystals // Physical Review B. 2012. V. 85. № 1.

[32] Zharikov E.V. Features of rare-earth scandium garnets influencing crystal growth for solid-state lasers // Advanced Solid-State Lasers. Optica Publishing Group. 1990. P. MT1. DOI: 10.1364/ASSL.1990.MT1.

[33] Zhu R., Gong X., Li W., Zhou G., Fan W., Liu D., Ma C., Xu J., Guo C., Yeh H.-C. Frequency-shifted laser feedback interferometry in non-planar ring oscillators. arXiv. 2024. arXiv: 2409.19870.

Аннотация

Для цитирования

Похожие статьи