Ученые НИЯУ МИФИ разработали оригинальную многоуровневую модель электрооптического модулятора – важнейшего компонента радиофотонных устройств (Разработка поддержана программой Приоритет 2030). Разработка является важным шагом в сфере импортозамещения компонентной базы в микроэлектронике.
Скорость приема и передачи информации в наше время является ключевым преимуществом, ибо, как известно, «кто владеет информацией, тот владеет миром». Важный шаг к созданию отечественной радиофотоники – науки, которая занимается передачей и преобразованием информационных сигналов в оптической форме, в том числе в системах связи, сделала группа ученых из ядерного университета МИФИ. Растущая плотность потоков информации и большие расстояния для ее передачи уже давно обусловили переход от чисто электронных систем к радиофотонным, где широкополосная информация, несущая десятки и сотни гигабит в секунду, распространяется по оптоволокну на расстояния в десятки километров. Именно такой принцип позволил перейти к современному широкополосному интернету. Однако данные технологии и применяемая компонентная база в модулях приема-передачи – зарубежные, поэтому задача импортозамещения и создания полностью отечественных разработок становится сегодня как никогда актуальной. Кроме того, глубокое осмысление физических ограничений, действующих в радифотонных системах и их компонентах, позволят существенно увеличить скорость и объемы передачи данных по сравнению с текущим мировым уровнем. На наших глазах рождается новое научное направление, которое, по мнению сотрудников университета, будет оставаться самым перспективным в телекоме в ближайшие несколько десятилетий.
Но – по порядку. В стационарном телефоне звук преобразовывается в электрический сигнал и передается по проводному медному кабелю, частота – несколько килогерц. Телевизионные сигналы несут более насыщенную информацию, ширина частот для одного канала – сотня мегагерц. В сотовом телефоне информация передается с помощью радиоволн. Но самый быстрый способ – это передача информации с помощью световых импульсов (пучков фотонов), которые проходят по оптоволокну. Частота света достаточно велика, чтобы в небольшой участок оптического спектра уместить несколько десятков информационных каналов с шириной полосы в несколько десятков гигагерц.
Скорость света – максимальная скорость, имеющаяся в природе. Волоконно-оптические технологии сегодня уже пришли практически в каждый дом – так работает современный интернет: это оптическое волокно с кварцевой сердцевиной, по которому передается световой сигнал. Тем не менее и здесь не обходится без радиоволн, которые передаются с помощью вышек сотовой связи.
Для растущих потребностей интернет-трафика необходимо развивать системы и компоненты, позволяющие работать с оптическим излучением, модулированным на частотах свыше десятков гигагерц.
Но можно попытаться сделать скорость передачи информации еще больше, если суметь убрать из этой цепочки электрический сигнал, чтобы системы связи работали уже только на оптическом сигнале, без использования электронов – носителями информации станут фотоны вместо электронов. Этот переход, по оценкам ученых, может произойти в далеком будущем, когда появятся фотонные транзисторы. Пока же нам надо решить задачи перевода информации из электрона в фотоны и обратно, причем сегодня решать ее надо на отечественной компонентной и технологической базе. Созданием условий для такого перехода занимается радиофотоника – она представляет собой синтез фотоники, СВЧ-электроники, лазерной техники и информационных технологий и является стратегическим направлением для развития широкополосных телекоммуникационных систем, в том числе 5G и выше, космической связи, радиоэлектронной борьбы. Роль радиофотоники – главная в развитии оптической составляющей систем связи.
Сердце каждого компьютера – процессор, внутри которого находится полупроводниковая интегральная схема: кремниевая пластина с выполненными на ней литографическими методами миллиардами логических элементов, в каждом из которых скорость ограничена переносом электрона в пространстве. А в фотонной интегральной схеме (ФИС) используются многокомпонентные полупроводниковые структуры более сложного состава и комбинаций слоев, и информация в них передается уже при помощи фотонов. Одним из ключевых элементов здесь выступает модулятор, цель которого – перевести электрический сигнал в модуляцию интенсивности светового потока. Это один из наиболее сложных элементов радиофотоники, поскольку тут критичными являются соединенные вместе электронная, оптическая и СВЧ-подсистемы. Разработкой такой модели для электрооптического модулятора и занялись в ядерном университете.
Разработка ученых НИЯУ МИФИ заключается в создании не только модулятора, но и «библиотеки» всех деталей и блоков условного «конструктора», без которого нельзя собрать «лего-замок» из активных и пассивных компонентов с описанием работы для каждого из них. Активные устройства преобразуют входной сигнал, а пассивные только передают.
«Основная проблема – и одновременно перспектива – это создание больших ФИС, которые будут содержать все необходимые нам элементы на одной платформе, – рассказывает Андрей Горелов, сотрудник Центра радиофотоники и СВЧ-технологий НИЯУ МИФИ и автор многоуровневой и параметрической модели, позволяющей корректно описать взаимодействие оптической, СВЧ- и электронной подсистем электрооптического модулятора. – Почему это сложно? Потому что нужно работать на стыке оптики и электроники. Самая простейшая ФИС должна состоять из лазера, волноводов и фотонно-электронных преобразователей, датчиков, модуляторов. Но для лазера требуется одна структура, для модулятора другая, для фотодетектора третья и так далее. А нужно, чтобы все элементы были на одной пластине, чтобы были согласованы фазовые скорости СВЧ-волны и оптического излучения. Мы создали свою модель для многослойных гетероструктур на подложке фосфида индия (InP – химическое соединение индия и фосфора), так как на нем можно создавать квантовый дизайн структуры волновода. Благодаря чему мы сможем создавать либо прозрачные слои для определенной длины волны, либо поглощающие – в зависимости от стоящих задач. Это достаточно универсальная платформа для создания всех необходимых элементов будущей ФИС».
Методикой создания моделей радиофотонных компонент Андрей Горелов занимался под руководством своего научного руководителя Николая Каргина, директора Центра радиофотоники и СВЧ-технологий НИЯУ МИФИ, а квантовый дизайн разрабатывали специалисты кафедры физики конденсированных сред. Команде ученых удалось изготовить тестовые прототипы на технологической базе МИФИ, сейчас методика верифицируется, а модели корректируются, исходя из полученных экспериментальных данных.
Работа заняла около трех лет. В начале ученые описали алгоритм квантового моделирования электрооптического эффекта в многослойных квантовых гетероструктурах с учетом кулоновского взаимодействия носителей тока и внешнего электрического поля и на его основе провели критический анализ мирового опыта дизайна гетероструктур для электрооптических модуляторов. Выявленные физические особенности, наряду с оригинально примененным туннельным эффектом в полупроводниковых сверхрешетках InGaAlAs/InAlAs, позволили предложить новый путь для квантового дизайна гетероструктур, обеспечивающих как высокий электрооптический коэффициент, так и низкие оптические потери. Эти результаты лягут в основу создания модулятора для обработки СВЧ-сигналов с шириной полосы частотного спектра 30 ГГц, а в перспективе – до 100 ГГц и выше.
«В целях импортозамещения мы должны развивать свою собственную компонентную базу, как с точки зрения СВЧ, так и сточки зрения оптики, – это сейчас самое перспективное направление, и его разработкой занимаются наши крупнейшие научно-производственные центры. Но это должно быть не просто заимствование зарубежного опыта, нужно продвинуться дальше, а качественный прорыв – задача нетривиальная, так как надо суметь учесть и согласовать очень много различных параметров», – заключает Горелов.
Развитие отечественной радиофотоники – одно из условий технологического суверенитета нашей страны. Использование света в качестве несущей частоты для информационных сигналов позволит многократно расширить возможности для систем генерации, передачи, обработки аналоговой и цифровой информации с возрастающей плотностью и шириной частотной полосы сигнала в десятки и сотни гигагерц.