Проект: Разработка программно-аппаратного комплекса для электрооптической модуляции сигналов

Конечным продуктом проекта будет являться программно-аппаратный комплекс, обеспечивающий электрооптическую модуляцию сигналов, включающий: - прототип электрооптического модулятора на основе гребенчатых волноводов из ниобата лития в виде фотонной интегральной схемы. - передающий и приемный оптические модули, обеспечивающие генерацию и прием оптического сигнала. - электронно-вычислительное устройство, выполняющее функции обработки сигналов. - устройство сопряжения с ЭВМ, обеспечивающее согласование интерфейсов. - программное обеспечение, реализующее управление комплексом: контроль уровня сигнала источника лазерного излучения и генератора СВЧ сигнала; регистрация данных приемного модуля; сохранение данных; визуализация и анализ данных; контроль рабочей точки модулятора.

Проект посвящен разработке программно-аппаратного комплекса для электрооптической модуляции сигналов. Ключевым элементом комплекса является электрооптический модулятор в виде фотонной интегральной схемы на основе волноводов из тонкоплёночного ниобата лития. Использование интегрально оптических волноводных технологий полностью отражает актуальность и тенденции развития современной компонентной базы информационных систем – повышение локализации и эффективности взаимодействия электромагнитных полей, и, как следствие, повышение скорости, расширение спектральной полосы, снижение амплитуды управляющих сигналов, миниатюризация. Современное развитие телекоммуникаций обуславливает потребность как в передаче большого объёма данных, так и в контроле высокочастотных электрических полей (беспроводные системы связи, радиолокация и т.п.). Обе эти задачи могут решаются путем применения сверхвысокочастотных электрооптических модуляторов, которые являются ключевыми элементами телекоммуникационного оборудования и высокочувствительных оптоэлектронных сенсорных систем. Высокие скоростные характеристики, миниатюрное исполнение таких элементов обеспечиваются благодаря реализации в виде фотонной (ФИС) и фотонно-электронной интегральной схемы (ФЭИС) на основе тонких плёнок ниобата лития.

Ключевым предметом разработки и исследования является электрооптический модулятор в виде фотонной интегральной схемы на основе тонкопленочных волноводов из ниобата лития. Помимо этого, объектами разработки являются система управления, программное обеспечение, а также реализация конструктивных решений элементов комплекса.

Реализация проекта подразумевает использование комплексного подхода, включающего: 1) Методы математического моделирование элементов фотонных интегральных схем с целью выявления оптимальных топологий и конфигураций. 2) Методы экспериментального исследования фотонных интегральных схем с целью верификации математических моделей. 3) Метод прототипирования фотонных интегральных схем с целью оценки характеристик и последующей корректировки прототипа.

Новизна предлагаемых в проекте решений заключается в том, что в качестве основы для фотонной интегральной схемы предлагается использовать структуру тонкопленочного ниобата лития на изоляторе. Тонкие пленки ниобата лития находятся в центре внимания многих исследовательских групп из-за большого потенциала их применения как для изготовления радиофотонных компонентов, использующих пьезоэлектрические свойства, так и для разработки интегрально-оптических чипов, использующих электрооптические и нелинейные свойства ниобата лития. Однако характеристики и взаимодействие этого материала с лазерным излучением в основном изучались применительно к объемным образцам кристаллов, когда тонкопленочная конфигурация в настоящее время представляет не меньший интерес. Помимо этого, потенциал применения тонких пленок ниобата лития расширяется за счет возможности интеграции с фотонными и электронными компонентами, если рассматривать, например, пленки ниобата лития на кремнии. Электрооптический модулятор, реализованный на основе тонкопленочных технологий позволит значительно уменьшить его габариты по сравнению с модулятором на основе объемного кристалла.

Основные научные результаты, полученные ранее: - проведено предварительное математическое моделирование характеристик электрооптического модулятора в конфигурации интерферометра Маха-Цендера на основе тонких плёнок ниобата лития [Kuznetsov I. V., Perin A. S. Mathematical modeling of the parameters of an electro-optic modulator in the Mach–Zehnder interferometer configuration based on thin lithium niobate films // Journal of Optical Technology. 2023. V. 90. № 2. P. 93-97.]; - предложен способ расширения верхних пределов измерения электрического поля электрооптического датчика напряженности электрического поля, заключающийся в использовании в качестве чувствительного элемента массива модуляторов: предложены блок-схема чувствительного элемента и алгоритм обработки данных, полученных от массива модуляторов [Kuznetsov I.V., Perin A.S. Increasing measurements range of electro-optic sensors for electric field by using a Mach-Zehnder interferometer modulators array // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2022. V.86, № 13. P. 119-123.]; - предложена методика оценки величины напряженности электрического поля, действующего на электрооптический модулятор по величине коэффициента оптического пропускания [I.V. Kuznetsov, A.S. Perin. Interference pattern analysis approach for sensory applications // St. Petersburg Polytechnic University Journal. Physics and Mathematics. 2023. Vol. 16. No. 1.2. P. 133-138]; - получен патент на изобретение «Преобразователь на основе тонкой пленки электрооптического кристалла» [159. Пат. 2794061 РФ. Патент на изобретение. Преобразователь на основе тонкой пленки электрооптического кристалла / Кузнецов И.В., Алтухов В.А., Перин А.С. – заявл. № 2022126610 от 13.10.2022; опубл. 11.04.2023.].

На сегодняшний день в микроэлектронике направление фотонных интегральных схем (ФИС) активно развивается во всем мире, но в основном представлены платформы на основе кремния и фосфида индия (InP). Быстрое развитие кремниевой фотоники объясняется в первую очередь низкой стоимостью, а также применением уже освоенных микроэлектронной промышленностью техпроцессов, что позволяет быстро интегрировать оптические (оптоэлектронные) элементы с традиционными аналоговыми и цифровыми КМОП-схемами. Однако, кремний обладает рядом недостатков, что не позволяет изготовить необходимый полный набор фотонных компонентов на одном чипе. В частности, у кремния отсутствует эффективное излучение или поглощение фотонов из-за непрямого межзонного перехода электронов, это затрудняет выполнение лазеров на его основе. Сравнительно слабые электрооптический и пьезоэлектрический эффекты не позволяют создавать электрооптические устройства с высокой частотой управления. Также кремний имеет ограниченную полосу оптической прозрачности, поэтому ФИС на его основе могут применяться только для ближнего ИК-диапазона. Развитие полупроводниковой фотоники на основе фосфида индия обусловлено возможностью интегрировать лазеры, модуляторы и детекторы на одном кристалле. Такой подход позволил занять этой технологии свою нишу в телекоммуникационных системах, где требуется высокая скорость передачи и обработки оптического сигнала в ближнем ИК-диапазоне. Однако, высокая плотность дефектов в подложках InP значительно повышает стоимость полупроводниковых структур для изготовления оптоэлектронных микросхем. Альтернативным вариантом для создания ФИС является платформа на основе тонких пленок ниобата лития. Ниобат лития является одним из самых популярных материалов для электрооптических и нелинейных оптических устройств в быстро развивающейся области интегральной фотоники. По сравнению с традиционными материальными платформами, такими как кремний, нитрид кремния и фосфид индия, ниобат лития имеет несколько естественных преимуществ, включая сильный электрооптический эффект, большой показатель преломления, широкое окно прозрачности и стабильные физико-химические характеристики, что делает его наиболее конкурентоспособным материалом для интегральной фотоники. Основным преимуществом по сравнению с традиционными модуляторами СВЧ колебаний является преодоление компромисса между полосой перестройки частоты модуляции и уровнем частотных либо, что аналогично, фазовых шумов. Кроме того, верхний предел частоты модуляции ограничен полосой пропускания оптоэлектронных компонентов, которая в настоящее время уже составляет десятки гигагерц, что, вследствие фундаментальных ограничений, трудно достижимо для современных интегральных СВЧ модуляторов. Главными конкурентными преимуществами разрабатываемого программно-аппаратного комплекса будут являться улучшенные характеристики электрооптической схемы модуляции сигналов, а именно меньшее значение полуволнового напряжения и расширенный частотный диапазон. Разрабатываемый модулятор, выполненный на основе тонкопленочных волноводов будет иметь рабочий частотный диапазон с шириной до 60 ГГц, полуволновое напряжение не более 1,5 В с рабочей длиной волны 1550 нм.