Регистрация / Вход
Прислать материал

Интегрально-оптический модулятор для широкополосных систем телекоммуникаций и радиофотоники

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
интегрально-оптический модулятор, ниобат лития, волоконные линии связи, радиофотоника, оптические датчики.

Цель проекта:
Разработка комплекса научно-технологических решений в области создания новых технологий изготовления высокочастотных интегрально-оптических модуляторов.

Основные планируемые результаты проекта:
Будут разработаны технологические решения изготовления высокочастотных интегрально-оптических модуляторов, в том числе:
технология формирования канальных оптических волноводов на подложках ниобата лития; технология изготовления СВЧ электродов; технология корпусирования высокочастотных интегрально-оптических модуляторов (стыковки с оптическим волокном, стыковки с СВЧ трактом, сборки в корпус). Разработанные технологические решения будут оформлены в виде лабораторных технологических регламентов.
Будет разработана методика измерения технических характеристик экспериментальных образцов высокочастотных интегрально-оптических модуляторов.
Будут сформулированы рекомендации по использованию результатов проведенных прикладных научных исследований в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Современные информационные технологии всё шире используют оптический диапазон электромагнитных колебаний. Широкополосные системы оптической связи, оптические системы памяти и различные оптические датчики требуют всё более быстрого и гибкого управления световыми потоками.
Интегрально-оптический модулятор является ключевым элементом оптических информационных систем, обеспечивающим перевод цифрового или аналогового информационного контента на оптическую несущую. Использование волноводных технологий в данном устройстве полностью отражает тенденции развития компонентной базы информационных систем - повышение локализации и эффективности взаимодействия электромагнитных полей, и, как следствие, повышение скорости, расширение спектральной полосы, снижение амплитуды управляющих сигналов и миниатюризация.
Несмотря на то, что уже давно существуют промышленные образцы высокочастотных интегрально-оптических модуляторов, работы по повышению эффективности модуляции, а именно снижению полуволнового напряжения и повышению коэффициента экстинкции продолжаются активно вестись во всем мире. Это связано, с новыми применениями, прежде всего специальными, требующими одновременно сверхширокой полосы частот (более 20 ГГц) и сверхвысокого динамического диапазона (порядка 100 дБ). Кроме того, технологии высокочастотных модуляторов у нас в стране практически отсутствуют, а импорт затруднен в связи с известными ограничениями на поставку компонентной базы для специальных систем.
Таким образом, цель проекта, направленного на разработку технологии высокочастотных интегрально-оптических модуляторов, является весьма актуальной и напрямую связана с конкурентоспособностью нашей страны в таких ключевых стратегических направлениях как широкополосные системы связи, высокоточные оптические датчики, радиофотонные системы обнаружения и слежения.
Данный проект базируется на результатах научных исследований, проводимых в ФТИ им. А.Ф. Иоффе . Данные результаты заложили основную идейную и технологическую базу для разработки новых принципов передачи оптических сигналов с использованием электрооптической модуляции в различных оптических информационных системах и сделали возможным разработку и изготовления интегрально-оптических СВЧ модуляторов.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Высокочастотный интегрально-оптический модулятор является ключевым элементом оптических информационно-телекоммуникационных систем. Помимо традиционных цифровых телекоммуникационных применений, в последнее время стремительно растет число специальных применений, связанных с бурно развивающейся областью радиофотоники и высокоточными оптическими датчиками. Полученные результаты представляют собой комплексное решение научно технической проблемы разработки СВЧ модуляторов, связывающее воедино разработку технологических решений и поиск оптимальной конфигурации. Результаты представляют интерес не только для разработки СВЧ модуляторов, но и для других смежных областей микроэлектроники.
Развитие отечественных технологий высокочастотной оптоэлектроники осо-бенно важно, поскольку импорт зарубежной компонентной базы сильно ограничен. Таким образом, результаты проекта напрямую связаны с реализацией курса развития направленного на импортозамещение и расширение экспорта высокотехнологичной продукции.
Главным потребителем результатов проекта является Пермская научно-производственная приборостроительная компания, выступающая в качестве индустриаль-ного партнера. Предполагается, что результаты проекта будут внедрены индустриальным партнером, что позволит наладить выпуск отечественных высокочастотных интегрально-оптических модуляторов. Данная продукция будет востребована различными российскими производителями систем телекоммуникации, высокочастотных радиолокационных систем, а также систем волоконно-оптических датчиков, например, ЗАО «Центр ВОСПИ», ОАО НИИ "Вектор", ОАО «ЦКБА», Концерн ПВО «Алмаз-Антей», ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор».

Текущие результаты проекта:
Проведен аналитический обзор литературы, в ходе которого было рассмотрено более 200 источников, включая статьи в научных журналах и монографии, более 20 работ относятся к периоду за последние пять лет (2009 – 2014). Было выявлено, что интегрально-оптические модуляторы на подложках ниобата лития в настоящее время являются одной из лидирующих технологий и демонстрируют рекордные параметры. Результаты обзора литературы были подкреплены результатами патентных исследований, где было показано, что развитие конструкций интегрально-оптических модуляторов на основе ниобата лития направлены, в основном, на улучшение следующих параметров, по значимости: 1) полосы пропускания (частот); 2) увеличение эффективности модуляции; 3) повышение температурной стабильности; 4) облегчение монтажа модулятора в интегрально-оптическую систему.
Проведенный аналитический обзор литературы и патентные исследования полностью подтвердили обоснованность и правильность выбранных направлений исследований.
В ходе выполнения научно-исследовательских работ с использованием широкого спектра методов были проведены детальные исследования, направленные на разработку воспроизводимой технологии изготовления волноводов с заданными оптическими характеристиками. Были определены параметры процессов, а также некоторые контрольные операции, позволяющие сформировать на Х-срезе кристалла ниобата лития одномодовые канальные волноводы с параметрами, соответствующими лучшим зарубежным образцам: низкими оптическими потерями на уровне 0,01 – 0,02 дБ/мм, и профилем моды, согласованным со стандартным одномодовым оптическим волокном (NA = 0,13).
Проведен анализ оптической схемы интегрально-оптического СВЧ модулятора на основе интерферометра Маха-Цендера. Были экспериментально определены оптимальные конфигурации топологии отдельных элементов. Была построена компьютерная модель оптической схемы модулятора, составленной из элементов оптимальной конфигурации. Численное моделирование показало, что предложенная оптическая схема обеспечивает оптические характеристики, полностью удовлетворяющие требованиям технического задания (оптические потери на уровне 3дБ, коэффициент экстинкции на уровне 30 дБ).
Проведен теоретический анализ конфигурации СВЧ электродов. Была предложена конфигурация СВЧ электродов в виде копланарной линии бегущей волны. Топология электродов была привязана к оптимальной топологии оптической схемы. Были определены условия, обеспечивающие заданную техническим заданием полосу частот модулятора 20 ГГц, которые соответствуют толщине электродов ~ 20 - 25 мкм при толщине диэлектрического буферного слоя ~ 1 мкм.
Отработаны базовые технологические операции изготовления СВЧ электродов: (1) формирование диэлектрического буферного слоя, (2) формирование маски фоторезиста с топологическим рисунком электродов, (3) формирование методом вакуумного напыления тонкого металлического рисунка топологии электродов, (4) утолщение электродов методами электрохимического (гальванического) осаждения золота. Были разработаны технологические решения, обеспечивают осаждение СВЧ-электродов необходимой толщины (более 20 мкм) с приемлемой шероховатостью и адгезией к подложкам ниобата лития с буферным слоем диоксида кремния. Определены условия технологических процессов, обеспечивающие малые механические напряжения внутри электродов.
Проведен теоретический анализ корпуса и СВЧ плат согласования, использующий модель корпуса с вложенным внутрь чипом и численный расчет волнового сопротивления, обратного отражения и СВЧ резонансов корпуса и согласующих плат. По результатам анализа была построена трехмерная модель корпуса модулятора и плат согласования. Подготовлена эскизная конструкторская документация на изготовление корпуса.
Работы, запланированные в соответствии с планом графиком исполнения проекта выполнены полностью. К настоящему моменту были получены все исходные данные и подготовлен основной технологический базис для изготовления экспериментальных образцов интегрально-оптических СВЧ модуляторов. Полученные результаты полностью удовлетворяет требованиям технического задания к выполняем работам и научно-техническим результатам, что обуславливает целесообразность продолжения работ по проекту.