Регистрация / Вход
Прислать материал

14.604.21.0055

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.604.21.0055
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Название доклада
Интегрально-оптический модулятор для широкополосных систем телекоммуникаций и радиофотоники
Докладчик
Шамрай Александр Валерьевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Разработка комплекса научно-технологических решений в области создания новых технологий изготовления высокочастотных интегрально-оптических модуляторов.
Актуальность и новизна исследования
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, понижение управляющих сигналов и миниатюризация.Работы по повышению эффективности модуляции, снижению полуволнового напряжения и повышению коэффициента экстинкции активно ведутся во всем мире. Это связано, прежде всего, с новыми применениями, требующими одновременно сверхширокой полосы частот (>20ГГц) и сверхвысокого динамического диапазона (>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.
В связи с выше сказанным 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.
Описание исследования

Модуляция и управление оптическим излучением, как правило, реализуется через взаимодействие оптического излучения со средой, характеристики которой изменяются за счет внешних воздействий. Поскольку наиболее сильное взаимодействие происходит вблизи линий поглощения, существует конфликт между требованием эффективного управления и низкими оптическими потерями, а также требованием низкого уровня шума и помехоустойчивости. В данном проекте предлагается использовать несколько подходов для разрешения данного противоречия. 

Интегрально-оптический СВЧ модулятор – оптоэлектронное устройство осуществляющее перенос радиосигналов в область оптических частот для дальнейшей передачи по оптическому волокну. Технология интегрально-оптических модуляторов на подложках ниобата лития является одной из лидирующих и занимает более 50 % мирового рынка СВЧ модуляторов. В России технология интегрально оптических схем на подложках ниобата лития реализована на АО «ПНППК» и ООО «НПК «Оптолинк» для целей производства низкочастотных модуляторов, входящих в состав волоконно-оптических гироскопов. Технология высокочастотных модуляторов в России отсутствует.

Удачное соотношение целого комплекса характеристик: большая доступная полоса частот, низкий чирп, невысокое управляющее напряжение, низкий коэффициент шума в комбинации с технологичностью и стойкостью к внешним воздействиям обуславливает широкий круг практических применений данных устройств, и обусловливает выбор развития в рамках данного проекта именно этой технологии. В основе принципа действия данных модуляторов лежит электрооптический эффект. Данный эффект связан с изменением показателя преломления под действием внешнего электрического поля. Воздействие поля реализуется через изменение поляризации электронных оболочек, что обуславливает огромные доступные частоты управления > 100 ГГц. Изменение показателя преломления приводит к изменению фазы оптического излучения и фазовой модуляции, которая может быть преобразована в амплитудную модуляцию внутри оптического интерферометра. Использование волноводной интегрально-оптической конфигурации позволяет реализовать наиболее эффективное взаимодействие оптического излучения и радиочастотного сигнала, обеспечивает высокую концентрацию энергии оптического излучения и радиосигнала при большой длине взаимодействия.

В качестве объекта исследований в проекте выбран интегрально-оптический СВЧ модулятор на основе интерферометра Маха-Цендера. Оптимизация конструкции модулятора была, прежде всего, связана с поиском путей увеличения длины взаимодействия оптического излучения и модулирующего СВЧ сигнала, а также повышения коэффициента взаимодействия за счет увеличения области перекрытия моды оптического волновода и радиочастотной моды СВЧ электродов, выполненных в виде копланарной линии. Кроме того, другие паразитные факторы снижающие характеристики модулятора, такие как преобразование поляризации оптического излучения, были исследованы.
Оптимизация конструкции модулятора, напрямую связана с применением новых или модернизацией существующих технологий изготовления. Целый ряд новых технологических решений был разработан в ходе выполнения проекта.

 

Результаты исследования

Конечным результатом проекта является разработанная технология изготовления интегрально-оптических СВЧ модуляторов. В ходе проекта был предложен и экспериментально реализован целый ряд оригинальных технологических решений.  

Разработана воспроизводимой технологии изготовления на подложках ниобата лития оптических волноводов. Определены параметры технологических процессов, а также некоторые контрольные операции, позволяющие сформировать на Х-срезе кристалла ниобата лития одномодовые канальные волноводы с характеристиками соответсвующими лучшим зарубежным образцам: 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. Экспериментально определены оптимальные конфигурации топологии отдельных элементов. 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 все технологические операции изготовления СВЧ электродов: формирование диэлектрического буферного слоя, формирование маски фоторезиста с топологическим рисунком электродов, формирование методом вакуумного напыления тонкого металлического рисунка топологии электродов, утолщение электродов методами электрохимического (гальванического) осаждения золота. Основное внимание было уделено наиболее проблемной и мало изученной операции гальванического осаждения. 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.

Разработана конфигурация корпуса для СВЧ модулятора. Проведено численное моделирование влияние корпуса и переходных СВЧ соединений на характеристики модулятора. Показано, что возникающее из-за рассогласования волновых сопротивлений, а также паразитной индуктивности отражение СВЧ волны не превышает -10 дБ от мощности входного СВЧ сигнала, что полностью удовлетворяет требованиям технического задания. В заданном диапазоне частот 100 МГц – 20 ГГц передаточная характеристика гладкая и не наблюдается паразитных резонансов, связанных с влиянием корпуса.

Отработаны технологические этапы корпусирования и стыковки чипов интегрально-оптических модуляторов с оптическим волокном. Проведен анализ и обоснован выбор материалов и используемого для корпусирования оборудования.

Подтверждением эффективности разработанных технологических решений являются изготовленные экспериментальные образцы модуляторов, с характеристиками соответствующими мировому уровню в данной области. 

 

Практическая значимость исследования
Результаты проекта, прежде всего, ориентированы для использования в области широкополосных систем радиофотоники и телекоммуникаций. Создание новой компонентной базы в этих областях позволит расширить возможности проектирования данных систем, даст возможность создания новых конфигураций, а также новых сервисов базирующихся на оптической обработке.
Помимо этого, проработанные в проекте технологические проблемы имеют большое значение в различных областях микроэлектроники и могут в последствии использоваться в производстве.
Результаты ПНИ могут быть реализованы для создания производства отечественных СВЧ модуляторов. Являясь ключевым элементом компонентной базы радиофотоники, данные устройства позволят реализовать дальнейшее развитие перспективных комплексов, разрабатываемых отечественными предприятиями, такими как ОАО РТИ им. А.Л. Минца, Концерн «Радиотехнические и Информационные Системы», Концерн ПВО «Алмаз-Антей», ОАО "Концерн "Вега" и др.