Проект: Разработка интегрального акустооптического модулятора для LIDAR

По итогу выполненных работ в рамках проекта будет реализован интегральный акустооптический модулятор фазы оптического излучения для систем LIDAR. Продукт будет реализован в виде фотонной интегральной схемы с волноводной структурной в которой распространяется оптическое излучения и пьезоэлемента, генерирующего акустическую волну. Устройство будет проводить фазовую модуляцию оптического излучения ИК диапазона с эффективностью более 80%.Скорость модуляции составит более 100 МГц, энергопотребление менее 40 мВт.

В последние годы наблюдается стремительное развитие космической промышленности, в частности за счет увеличения числа запускаемых в космос спутников различных размеров. Особую популярность приобрели спутниковые системы типа CubeSAT — это миниатюрные спутники весом до нескольких килограмм, которые активно используются для коммерческих и исследовательских задач благодаря их низкой стоимости и доступности. Данный сегмент рынка космических технологий продолжает расти, требуя инновационных решений для обеспечения их функционирования. Одной из основных задач при разработки спутниковых систем типа CubeSAT является реализация точного позиционирования каждого мини-спутника относительно друг друга и земли (или других космических объектов). Это особенно важно в условиях перенасыщенности околоземной орбиты, на которой находится более 25 тысяч активных и неактивных спутников, а также миллионы единиц космического мусора размером от 1 см и более. Столкновения на высокой скорости могут привести к полному выходу из строя космических аппаратов, что требует от разработчиков систем точного позиционирования высокого уровня надежности и эффективности. Для решения этой задачи применяются различные системы, включая RADAR, LIDAR, и другие оптические системы. Важно подчеркнуть, что применение LIDAR-технологий в данном контексте связано не только с позиционированием спутников, но и с мониторингом окружающего пространства, что может быть критически важно для избежания столкновений с космическим мусором. Стоит отметить, что продемонстрированные на сегодняшний день LIDAR с использованием оптических фазированных антенных решёток (ОФАР), основаны либо на жидких кристаллах, либо на интегральных фотонных платформах. Несмотря на интегральное исполнение, данные ОФАР потребляют большое количество мощности, порядка нескольких ватт. Рынок космических технологий является одной из ключевых сфер применения интегральных акустооптических модуляторов. В последние годы наблюдается значительное увеличение количества запускаемых малых спутников, в частности, системы типа CubeSAT, которые активно используются как для коммерческих, так и для исследовательских целей. Сегмент малых спутников демонстрирует высокие темпы роста, обусловленные их доступностью и относительно низкой стоимостью запуска. В 2022 году объем рынка малых спутников оценивался более чем в 3,6 миллиарда долларов США и, по прогнозам, продолжит расти на 20-30% ежегодно. В условиях такой динамики критически важно развивать технологии, которые обеспечивают точное позиционирование и предотвращение столкновений на орбите, что делает интегральные АОМ важным элементом этих систем. В рамках проекта предлагается разработка инновационной акустооптической составляющей твердотельной LIDAR-системы на базе фотонных интегральных схем (ФИС). Акустооптический подход, в отличие от традиционных термооптических и электрооптических методов, позволяет значительно снизить энергопотребление устройства, одновременно увеличив скорость сканирования и угол обзора. Таким образом, данная технология нацелена на удовлетворение потребностей рынка космических аппаратов малых размеров, где критически важны компактность, энергосбережение и высокая производительность. Важно отметить, что на сегодняшний день отсутствуют коммерческие интегральные акустооптические модуляторы. Разработка подобного рода устройств способно легко занять нишу оптических модуляторов, используемых в технологиях оптической связи, заменив термо- и электрооптические модуляторы в данной сфере, как это происходило на рынке объемных модуляторов до появления интегральных электро- и термооптических модуляторов. Кроме применения в космической промышленности, интегральные акустооптические модуляторы имеют широкие перспективы в других областях. Они могут использоваться в системах лазерной связи, где требуется высокоскоростная передача данных, в лазерной спектроскопии для анализа химического состава материалов, в системах обработки изображений для управления лучом света, а также в квантовых вычислениях, где акустооптические модуляторы могут служить ключевыми элементами для манипуляции квантовыми состояниями света. Данные сферы требуют высокой точности, быстродействия и низкого энергопотребления, что делает предлагаемую технологию особенно актуальной для различных высокотехнологичных отраслей.

Предметом исследования и разработки является интегральный акустооптический модулятор, представляющий из себя фотонную интегральную схему, на которой расположена волноводная структура, с пьезоэлементом, который производит акустическую волну. Данная ФИС может быть встроена в оптический тракт при помощи оптоволоконных соединителей для осуществления фазовой модуляции оптического излучения.

При проведении теоретических исследований будут применены современные методы математического, численного и имитационного моделирования, информационные технологии, включающие пакеты прикладных программ. Формирование макета акустооптического модулятора будет осуществляться с использованием методов сканирующей лазерной и электронно-лучевой литографии, электронно-лучевого напыления, плазмохимического осаждения и травления, жидкостного травления, высокочастотного магнетронного распыления и бондинга. Использование фото- и электронной литографии позволяет реализовывать элементы топологии с минимальным размером менее 100 нм. Плазмохимическое травление позволяет проводить операцию анизотропного травления как металлических, так и диэлектрических пленок. Формирование тонких металлических пленок будет проводиться методами электронно-лучевого и магнетронного распыления. Формирование тонких диэлектрических пленок будет осуществляться методами электронно-лучевого, магнетронного и плазмохимического осаждения. Изменение технологических параметров процессов осаждения позволит изменять механические, оптические и электрические свойства данных плёнок. Свойства формируемых структур будут оцениваться методами контактной и бесконтактной профилометрии, энергодисперсионным анализом, сканирующей электронной, а также оптической микроскопией. Морфология поверхности и внутренние механические напряжения могут быть оценены при помощи оптической или стилусной профилометрии. Элементный анализ и составление элементных карт может быть выполнено с помощью энерго-дисперсионной спектроскопии. Визуальный контроль выполняется с помощью оптической и элеткронной микроскопии. Экспериментальное исследование акустооптического модулятора, а также его отдельных составных частей будет реализовано на кристалле при помощи зондовой станции, векторного анализатора цепей, генераторов сигнала, генераторов оптического сигнала, измерителей мощности, источников питания и т.д.

Исследование направлено на внедрение технологии акустооптической модуляции в интегральные ОФАР с целью повышения скорости модуляции и снижения энергопотребления посредством прецизионного контроля амплитудно-фазовых характеристик излучения, обеспечения более высокой скорости фазовой модуляции в сравнении с электро- и термооптическими методами, а также обеспечение технологического контроля материальных параметров ОФАР. Благодаря внедрению акустооптической модуляции сигнала в ОФАР возможна реализация скоростей сканирования до нескольких ГГц, потребляемых мощностей порядка мВт, сохраняя при этом преимущества монолитной интегральной твердотельной сканирующей системы на базе полупроводниковых платформ.

Все участники проектной группы имеют продолжительный опыт в исследовании и разработке фотонных интегральных схем. Членами команды проведено большое количество исследований в области интегральной фотоники. На момент июля 2024 года, исследования подтверждены следующими публикациями: 1. Моховиков Д.М., Гуляева А.А., Кулинич И.В., Таловская А.А., Мырзахметов А.С. Интегрально – оптический конвертор поляризации на основе Si3N4 // Наноиндустрия. 2023. – В. 7 – 8. doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.7-8.456.461 2. Мырзахметов А.С., Гуляева А.А., Кулинич И.В., Моховиков Д.М. Программа для расчета геометрических параметров фазовых резонансных решеток на основе Si3N4 / Пат. 2023661547. Дата регистрации: 19.06.2023. 3. Мырзахметов А.С., Гуляева А.А., Моховиков Д.М. Модовый анализ различных типов волноводов на основе ТНЛНИ X-среза// Электронные средства и системы управления: материалы докладов XIХ Международной научно-практической конференции (15–17 ноября 2023 г.): в 2 ч. – Ч. 1. – Томск: В-Спектр (ИП Бочкарева В.М.), 2023. –c. 81-84. 4. Кузьмин А.С., Иваничко С.П., Жидик Ю.С., Моховиков Д.М. Влияние парциального давления кислорода при осаждении плёнок ITO методом реактивного магнетронного распыления на их оптические свойства// Электронные средства и системы управления: материалы докладов XIХ Международной научно-практической конференции (15–17 ноября 2023 г.): в 2 ч. – Ч. 1. – Томск: В-Спектр (ИП Бочкарева В.М.), 2023. –c. 97-99. 5. Мырзахметов А.С., Гуляева А.А. Колмаков А.А., Моховиков Д.М. Программа для расчета диаметра модового пятна в оптических гребенчатых волноводах / Пат. 2023667672, Дата регистрации: 17.08.2023. 6. Моховиков Д.М., Таловская А.А., Мырзахметов А.С., Моховиков Д.М.; Куценко К.В., Кулинич И.В. Исследование зависимости чувствительности от конфигурации резонаторов // Сборник избранных статей научной сессии ТУСУР, Томск, 17–19 мая 2023 г.: в 3 ч. – Томск: ТУСУР (заказчик); В-Спектр (ИП Бочкарева В.М., исполнитель), 2023. – Ч. 1. c.193-196 7. Моховиков Д.М., Таловская А.А., Мырзахметов А.С., Моховиков Д.М.; Куценко К.В., Кулинич И.В. Исследование влияния RF-мощности в процессе плазмохимического осаждения на механическую напряжённость плёнок SixNy // Сборник избранных статей научной сессии ТУСУР, Томск, 17–19 мая 2023 г.: в 3 ч. – Томск: ТУСУР (заказчик); В-Спектр (ИП Бочкарева В.М., исполнитель), 2023. – Ч. 1. c.254-257 8. Моховиков Д.М., Таловская А.А., Мырзахметов А.С., Куценко К.В., Кулинич И.В. Исследование зависимости показателя преломления пленки sin от rf-мощности плазмохимического осаждения методом спектроскопии // Сборник избранных статей научной сессии ТУСУР, Томск, 17–19 мая 2023 г.: в 3 ч. – Томск: ТУСУР (заказчик); В-Спектр (ИП Бочкарева В.М., исполнитель), 2023. – Ч. 1. c. 324-327 9. Таловская А.А., Моховиков Д.М., Барбин Е.С., Кулинич И.В., Гуляева А.А. Исследование механических параметров чувствительного элемента резонансно-частотного датчика давления // Известия вузов. Физика. – Томск.

Для реализации ОФАР необходимо использовать оптическую модуляцию света по фазе. На рынке существуют компании предоставляющие фазовые оптические модуляторы в интегральном исполнении: Santec Corporation: TO-5100 Series Потребление энергии: 100-200 мВт. Тип модуляции: термооптическая модуляция. Скорость модуляции: 10 кГц. Mellanox Technologies: Silicon Photonics Thermo-Optic Modulator Потребление энергии: 200 мВт. Тип модуляции: термооптическая модуляция. Скорость модуляции: 10 кГц. Kaiam: Optical Interconnect Modulator Потребление энергии: 50 мВт. Тип модуляции: электрооптическая модуляция. Скорость модуляции: 25 МГц. Разрабатываемый продукт Потребление энергии: <50 мВт. Тип модуляции: акустооптическая модуляция. Скорость модуляции: >100 МГц. Главным конкурентным преимуществом создаваемого продукта является его конструктивное исполнение, в виде компактного чипа с фотонной интегральной схемой внутри. Также, разрабатываемый продукт позволяет достигать больших скоростей модуляции при меньшем энергопотреблении, что в сущности повышает его значимость на рынке.