Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка компонентной базы радиофотоники для создания современных оптических аналогово-цифровых преобразователей

Номер контракта: 14.581.21.0013

Руководитель: Бугров Владислав Евгеньевич

Должность: Заведующий кафедрой световых технологий и оптоэлектроники

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
компонентная база, радиофотоника, фотонная интегральная схема, лазер с пассивной синхронизацией мод, фотоприемник pin , гетероструктура, сверхвысокочастотный сигнал, фосфид индия.

Цель проекта:
Разработка компонентной базы радиофотоники для создания современных оптических аналогово-цифровых преобразователей (АЦП), а именно лазеров с пассивной синхронизацией мод (лазер ПСМ) и PIN фотоприемников (ФП PIN).

Основные планируемые результаты проекта:
Лазер с пассивной синхронизацией мод (лазер ПСМ) спектрального диапазона 1300-1550 нм, частота следования импульсов 10 ГГц, длительность импульсов 5-10 пс, оптическая мощность 10 мВт + КД + ТД.
Фотоприемник (ФП) спектрального диапазона 1300-1550 нм, предельная частота модуляции 20 ГГц + КД + ТД.
Программы и методики испытаний макетов, экспериментальных образцов, предварительных испытаний опытных образцов и приемочных испытаний опытных образцов ФП PIN и ПСМ. Промежуточные и заключительный научно-технические отчеты по ГОСТ 7.32-2001, отчет о патентных исследованиях по ГОСТ15.001-96.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Для того, чтобы стать жизнеспособной альтернативой электронным компонентам, фотонные блоки должны быть исполнены в виде микрочипов – фотонных интегральных схем (ФИС). В настоящее время большинство ФИС работают в аналоговом режиме. Из-за этого они накапливают ошибки по мере увеличение количества устройств. Это приводит к значительному ухудшению качества сигнала и требует регенерации сигналов. В некоторых перспективных применениях, таких как сверхширокополосная связь и радары высокого разрешения, использование цифровой обработки сигнала является ключевым требованием. Только цифровая обработка сигналов в них обеспечивает существенное улучшение характеристик приборов и возможность быстрого изменения функциональных возможностей. Ограничивающим фактором к использованию цифровой обработки сигнала обычно является быстродействие и компактность электронных (CMOS) АЦП. Переход от аналоговых к цифровым сигналам является ключевой задачей радиофотоники на ближайшие годы.
В электронных АЦП быстродействие ограничено фундаментальными факторами, такими как дрожание тактовой частоты (временной джиттер), время установки цепей, скорость компаратора и др. В настоящее время быстродействие таких АЦП ограничено на аналоговой частоте ~10 ГГц для достижения ENOB=4 и ~1 ГГц для ENOB=8.
Полностью оптические АЦП в настоящее время реализованы только на уровне лабораторных результатов. Достигнутое эффективное число битов ENOB=4 при частотах до 10 ГГц [Stanford Microwave Integrated Circuits Laboratory].
В современных оптических АЦП требуется задающий источник оптических импульсов, отличающихся стабильностью амплитуды и частотой повторения. Такие последовательности импульсов выполняют функции стробирования в радиофотонных АЦП и синхронизующего сигнала в системах передачи данных. Лазеры ПСМ позволяют получать оптические импульсы с частотами повторения от 5 до 250 ГГц, которые недоступны другим методам. В частности, достижение таких высоких частот повторения методами прямой токовой модуляцией лазеров или использование модуляторов на основе ниобата лития на данный момент не представляется возможным. Общепринятым решением для передачи сигнала по линиям ВОЛС является связка лазера 1300-1550 нм и внешнего модулятора, чаще всего модулятора типа Маха-Цендера. В модуляторах Маха-Цендера требуется использование прозрачных волноводов, что усложняет его интеграцию с полупроводниковым лазерным диодом.
Для создания лазера ПСМ в рамках данного проекта предполагается использовать интегральную конструкцию лазера, поскольку она минимизирует размеры устройства и помогает избежать проблем оптического согласования. Интегральное исполнение прибора должно предполагать использование модулятора на эффекте Штарка. В отличии от модуляторов Маха-Цендера, модуляторы на эффекте Штарка изготавливаются на том же волноводе, что и полупроводниковый лазер и управляются приложенным к ним напряжением обратной полярности. Длина модулятора на эффекте Штарка существенно меньше, чем длина модуляторов Маха-Цендера, что упрощает подведение модулирующего СВЧ-сигнала за счет меньшей паразитной емкости. Предлагаемая конструкция позволит создать лазер ПСМ, излучающий импульсы света пикосекундной длительности с частотой следования импульсов 10-20 ГГц. Генерация сверхкоротких импульсов реализуется при приложении постоянного тока, что значительно проще, чем использование прямой модуляции лазеров или электрооптической модуляции излучения. Предполагается создание двухсекционного полупроводникового лазера, состоящего из собственно лазера с распределенными брэгговскими отражателями (РБО) на подложках InP, а также насыщающегося поглотителя. Активный слой лазера РБО будет содержать несколько InGaAsP квантовых ям, разделенных InGaAsP барьером. Лазерные структуры с квантовыми ямами будут изготовлены методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ). Метод МПЭ обеспечивает высокую точность изготовления эпитаксиальных слоев при росте лазерных структур. Высокая точность изготовления структур позволяет контролировать положение линии генерации лазеров и изготавливать структуры с туннельно-связанными квантовыми ямами.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Внедрение и промышленная реализация компонентной базы на основе разработанных технологий и опытных образцов будет осуществлена индустриальным партнером проекта ОАО "РТИ», которое ведёт активные разработки в области радиофотоники и имеет опыт проведения научных исследований и разработок в области радионавигационной аппаратуры, радиоаппаратуры дистанционного управления, систем связи. ОАО "РТИ" обеспечивает внедрение (промышленное освоение) результатов ПНИЭР не позднее 2018 года посредством внедрения разработанной технологии на предприятиях, входящих в группу Индустриального партнёра и расположенных в Зеленограде, Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде.

Мировой рынок радиофотоники в 2012 году достиг объема 20 млрд. долларов США со скоростью роста более 10 процентов в год, что почти в 3 раза превышает мировые показатели прироста валового внутреннего продукта. Рынок ФИС уже в настоящее время составляет около 200 млн. долл. США, ожидается, что к 2020 году размер рынка ФИС превысит 1 млрд. долл. США.

Текущие результаты проекта:
Работа стартовала 2 месяца назад.
На данный момент в комплексном проекте проводятся:
Разработка базовых технологий. Разработка эскизных проектов гетероструктур ФП PIN и лазера ПСМ (1.3).
Аналитический обзор научных и информационных источников, затрагивающих разработку и применение компонентной базы для оптических АЦП в части ФП PIN, лазеров ПСМ. Проведение патентных исследований (1.4).
Разработка методов математического моделирования и математическое моделирование гетероструктур ФП PIN, лазеров ПСМ (1.4).
Разработка методик исследования СВЧ характеристик ФП PIN и лазеров ПСМ в диапазоне частот до 20 ГГц. Создание измерительного стенда.