КАРТОЧКА ПРОЕКТА ПРИКЛАДНЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 23-91-06301

НазваниеИсследование и разработка технологических решений сборки фотонных интегральных схем, содержащих активные и пассивные волноводные элементы, для реализации компактных лазерных генераторов высокой когерентности

РуководительДрачев Владимир Прокопьевич, Доктор физико-математических наук

Организация - исполнитель, регионАвтономная некоммерческая образовательная организация высшего образования «Сколковский институт науки и технологий», г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

2023 г. - 2025 г.

Конкурс№3014 - Выполнение ориентированных и прикладных научных исследований в рамках стратегических инициатив Президента Российской Федерации в научно - технологической сфере в области производства фотонных интегральных схем.

Лот4

Область знания, основной код классификатора 11-400 - Производство фотонных интегральных схем, 11-412 - Технологические процессы изготовления фотонных интегральных схем

Ключевые словаФотонные интегральные схемы, волноводы на нитриде кремния, кремний на изоляторе, резонаторы, фотодетекторы, лазерные интегральные модули, микролазеры, оптическая когерентная связь

Вид научных исследованийприкладные

Наименование технологического предложенияРазработка технологии изготовления гибридных фотонных интегральных схем для сборки микролазеров высокой когерентности

Организация - заказчик технологического предложенияНПК "Технологический центр"

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Темпы развития современных систем обработки информации (дата-центров, "облачных" приложений, смарт-устройств) в настоящий момент ограничены быстродействием микроэлектронных схем, не только из-за предела миниатюризации, но и вследствие перегрева устройств. Революционным прорывом в повышении скорости обработки информации должен стать переход от микроэлектронных к интегральным оптоэлектронным устройствам. Преимуществом последних является не только широкая полоса пропускания (ТГц и выше), быстрота переключения, но и малое энергопотребление. Этими причинами обусловлено интенсивное развитие "кремниевой фотоники" – оптоэлектронных схем на основе интегральных волноводных структур из Si, SiO2 и Si3N4. Достоинством таких схем является совместимость со стандартными КМОП структурами и возможность их реализации на единой интегральной платформе с полупроводниковыми лазерами. Базисными элементами оптоэлектронных схем являются резонаторы, выполненные на основе волноводов с поперечным размером в сотни нм. Такие резонаторы могут быть использованы как для фильтрации оптических сигналов, так и для генерации, модуляции лазерного излучения с последующей обработкой, реализуемой непосредственно в интегральной структуре средствами нелинейной оптики. Квантовые генераторы, производящие когерентное оптическое излучение, являются основными источниками фотонов в оптических системах, собранных на фотонных интегральных схемах, выполняющими функции как синтеза, так и анализа радиочастотных сигналов. Микролазеры, обладающие высокой степенью когерентностью, могут быть созданы с использованием существующих технологий фотонных интегральных микросхем, путем их интеграции с полупроводниковыми лазерными модулями в гибридные приборы с оптическими и электронными компонентами, собранные на одном микрочипе. Реализация проекта будет проходить в тесной коллаборации с двумя другими проектами в рамках одного технологического предложения. Их успешное выполнение позволит решить важнейшую задачу отечественной радиофотоники - создание высокоэффективной, низкозатратной гибридной технологии, унифицированной для сборки изделий радиофотоники, объединяющей активные (лазеры, фотодетекторы, модуляторы, фазовращатели, усилители и т.д.) и пассивные (устройства ввода/вывода, волноводы, разветвители, микрокольцевые резонаторы, мультиплексоры, демультиплексоры, фильтры, линии задержки и т.д.) элементы в едином технологическом процессе. Новизна проекта состоит в исследовании и разработке технологических основ сборки фотонных интегральных схем, содержащих активные и пассивные волноводные элементы, для реализации компактных лазерных генераторов высокой когерентности. Частным результатом настоящего проекта должна стать выработка универсальных подходов к созданию новых лазерных источников, обладающих высокой степенью когерентности, путем их сборки из модулей активной лазерной среды и высокодобротных микрорезонаторов на основе пассивных фотонных интегральных схем в гибридные фотонные интегральные конфигурации. В основе технических решений проекта лежит использование высокодобротного микрорезонатора в качестве фильтрующего элемента оптической обратной связи лазерного резонатора может приводить к увеличению степени когерентности испускаемого излучения на несколько порядков. Самостабилизация таких режимов через эффекты захвата частоты является новым мировым трендом к реализации сверхузкополосной лазерной генерации в интегральной волоконной оптике. Содержанием проекта должны стать научно-исследовательские работы, основанные на знаниях о физических механизмах, лежащих в основе эффектов захвата частоты, и направленные на получение новых конструктивных и технологических решений с целью реализации экспериментальных образцов высококогерентных микролазеров с параметрами на уровне мировых стандартов. При развитии этого направления особое внимание будет уделяться также изучению фундаментальных свойств всего многообразия оптических, оптоэлектрических/электрооптических, акустооптических/оптоакустических и оптомеханических механизмов, обеспечивающих ввод, распространение, усиление и генерацию света в реализуемых фотонных интегральных схемах.

Ожидаемые результаты
Результаты реализации проекта в рамках технологического предложения, ориентированного на долгосрочное развитие перспективных направлений радиофотоники, будут востребованы для оптических систем приема, генерации и анализа радиочастотных сигналов. Ключевым элементом таких систем являются компактные лазерные источники, которые должны быть реализованы на интегральной волноводной платформе и с рекордными характеристиками в терминах длины когерентности и уровня шума. Технологическая разработка Проекта будет согласовано выполняться с двумя другими запланированными проектами, направленными на создание конструктивных блоков таких источников – пассивные интегральные волноводные структуры на кремнии и/или нитриде кремния, в том числе высокодобротные микрорезонаторы на их основе (предположительно МИЭТ) и новые конфигурации активной среды полупроводниковых лазеров, также выполненные в виде, предназначенном для сопряжения с фотонными чипами (предположительно НИИ “Полюс" имени М. Ф. Стельмаха”). Особое внимание в проектах будет быть уделено исследованию фундаментальных физических механизмов, обеспечивающих генерацию, стабилизацию и контроль режимов работы лазеров в гибридных конфигурациях, собранных из элементарных блоков, а также способам внедрения механизмов контроля в разработанные оптические модули. В целом, в результате научно-технологического Проекта, объединяющего усилия партнеров по двум другим проектам, будут реализованы экспериментальные образцы компактных лазерных генераторов (микролазеров) высокой когерентности, собранные из согласованных блоков в интегральном исполнении. - В результате реализации Проекта будут разработаны и изготовлены экспериментальные образцы гибридной сборки фотонных интегральных схем компактных лазерных генераторов. - Будет разработана эскизная конструкторская и технологическая документация изготовления гибридной сборки фотонных интегральных схем компактных лазерных генераторов. - Все источники, реализованные в проекте, будут удовлетворять современным требованиям компактности, интегрируемости и надежности. В ближайшем будущем они будут востребованы: - для генерации радиочастотного излучения высокой спектральной чистоты (весь ГГц диапазон); - в системах когерентной оптической связи, в том числе, для оптической связи в открытом пространстве; - в качестве накачки других устройств радиофотоники, выполненных на микрочипах, а именно: + компактный оптический гироскоп, + оптоэлектронные генераторы сигналов в ГГц диапазоне, + синтез радиосигналов, + устройства кодирования-раскодирования сигналов, + перестраиваемая линия задержки, + системы мгновенного измерения радиочастоты, в т.ч. как средство электронной борьбы; - в качестве альтернативы дорогостоящих оптических источников в анализаторах оптической рефлектометрии и системах распределенного мониторинга. Экономическая и социальная значимость результатов проектов, выполняемых по технологическому предложению, заключается также в том, что: - будет сформирован научно-технологический задел по направлению Радиофотоника, который в дальнейшем будет задействован при создании полного цикла серийного производства отечественных радиофотонных интегральных схем, а также систем на базе радиофотоники как гражданского, так и двойного назначения. - будут разработаны технологические подходы к производству ключевых элементов фотонных интегральных схем, включающая пассивные компоненты (резонаторы) и активные компоненты (лазерные модули, высокочастотные фотодетекторы, оптические усилители). - будет налажено взаимодействие научно-образовательных и промышленных организаций в сфере радиофотоники (развитие и расширение Консорциума по развитию радиофотонных технологий), которое в дальнейшем обеспечит совершенствование и внедрение разработанных технологических подходов. - будет создан кадровый резерв как из опытных, так и из молодых специалистов и ученых, принимающих участие в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах в области радиофотоники и смежных направлений. - будут определены перспективные темы фундаментальных и прикладных научных исследовательских работ для дальнейшего развития научного, технического, технологического и производственного базиса в области интегральной радиофотоники и смежных областей (фотоники в целом, СВЧ электроники, волоконной оптики).

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---