Интегральная фотонная компонентная база для высокоскоростных систем телекоммуникаций

1.

«Интегральная фотонная
компонентная база для
высокоскоростных систем
телекоммуникаций»
А.А. Ковалев – АО «ЗНТЦ»
П.С. Приходько – АО «Росэлектроника»
В.В. Светиков – ФГБУН ИОФ РАН
Зеленоград
17 октября 2017 года

2.

Мировые тренды развития
производственных технологий
Энергия - Генерация, распределение, потребление
Тренд: диверсификация источников и снижение потерь
Технологические решения: умные сети
Приоритетная задача: накопитель
Информация – Передача, обработка, хранение
Тренд: Гиперхарактеристики (быстродействие, мощность, трафик ..)
Технологические решения: Использование фотонов вместо электронов
Приоритетная задача: интегральные оптоэлектронные устройства
(высокая степень интеграции; технологии кремниевой фотоники)
Производство - Проектирование, материалы,
инструменты, контроль качества
Тренд: повышение гибкости, скорости, точности;
Технологические решения: цифровое производство
Приоритетная задача: гибкая производственная ячейка
2

3.

Базовые планарные фотонные технологии
LiNbO3 (с 70-х XX века)
Интегральные технологии
на широкозонных
полупроводниках гр.III-V:
GaAs, InP
(с 70-х ХХ века)
Интегральные
Si-технологии
(с 80-х ХХ века)
литографические нормы: более 1мкм
• оптические модуляторы f<=60GHz
• нет интеграции с другими технологиями
литографические нормы: до 250 нм;
источники излучения;
фотодетекторы;
модуляторы;
гетерогенная интеграция с КМОП
(гибридная технология)
• литографические нормы: до 1 мкм
• совместимость с КМОП (гибридизация оптической и
электрической схемы на чипе)
• возможность использования волноводных структур
разной контрастности (SiON, SiO2:GeO2, Si3N4, Si
(SOI))
• использование Si или SiO2-подложек
• в настоящее время нет источников излучения и
фотодетекторов (l~1.55mm);
• интеграция с III-V (гибридные технологии (IMOS))

4.

Возможность прямой интеграции
фотонных волноводов с КМОП

5.

Гетерогенная интеграция для фотонных
микросхем
Полосковый волновод на кремниевой SOI
подложке
Полупроводниковый InP гетеролазер на кремниевой
SOI подложке, оптически связанный с кремниевым
полосковым волноводом по технологии Optical Bonding
Для изготовления фотонных интегральных схем требуется
гибридная III-V/Si-SOI КМОП технология.
5

6.

Игроки на целевом рынке фотоники
26.07.2018
6

7.

Анализ рынка кремниевой фотоники
Объем рынка, млн. $
Структура рынка на 2013-2024 гг., млн. $
800
700
600
500
400
300
200
100
0
2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024
Год
Другое
Телекоммуникации
Дата-центры
Суперкомпьютеры

8.

Эволюция развития интегральной фотоники
Передающий оптический модуль
Модуль на дискретных элементах
Основные
компоненты
Дополнительные
компоненты
Модуль в интегральном
исполнении с
мультиплексором (InP)

9.

Эффективность применения интегральной
фотоники
Соединение процессора с памятью
Электрическое соединение:
Скорость передачи
данных: 8.5 Гбит/с
Энерговыделение:
30мВт/(Гбит/с)
Оптическое соединение:
Скорость передачи
данных: >1 Тбит/с
Энерговыделение: <1
мВт/(Гбит/с)

10.

Институциональные
инвесторы

11.

• Подходы к разработке
технологических приоритетов ДК
Аэронет
Заседание РГ Аэронет
Москва
19 октября 2016 года

12.

• ДК Аэронет

13.

• Технологические ограничения ДК
Аэронет
• 1.
Беспроводной
канал
связи,
использующих отличную от радиочастотной
коммуникационную среду (оптическую,
акустическую, квантовую и пр.) с уровнем
вероятности
нарушения
работы
в
результате радиопротиводействия 10Е-10
• 2.
Технологии
синтеза
активных
фазированных
антенных
решеток
в
элементах конструкции ЛА. Технологии
радикального удешевления создания АФАР

14.

Применение интегральной фотоники
Оптическое соединение
Проект архитектуры беспроводного оптического соединения
(интерконнекта) для удалённых объектов (спутники, ЛА)
Ключевые элементы:
MP1, MP2 – оптические мультиплексоры
OA- оптический усилитель
M1…Mn- модуляторы
AM- адаптивное зеркало (мембранное МЭМС зеркало)
L1…Ln- лазерные источники
PD1…PDn- фотодатчики

15.

Эффективное применение интегральной
фотоники
Стратегический БПЛА «Глобал Хоук» (RQ-4 Global Hawk)
Т=30 час, Н=18 (до 60) км.
Программа DARPA
совместно с Northrop Grumman
Начало проекта – 2004,
Опытный образец изготовлен в 2009 (P-STAR),
Серийный выпуск начат в 2011г.
(DARPA PMT-15, Mixed Technology Integration).
БПЛА оснащен РЛС Х-диапазона,
с фотонно-управляемой АФАР,
N >1000 элем. (ISS Reytheon),
выполняющей функции:
• СВЧ приемно-передающая станция сопровождающей лучевой связи со
спутниковыми и наземными станциями;
• РЛ станции наблюдения и изображения местности и обнаружения
летательных объектов
15

16.

Применение фотоники для управления
АФАР
Применение фотонных интегральных
компонент и оптических волокон
(красные линии) вместо металлических
СВЧ-кабелей (до тысячи шт.)
Это позволяет:
• сократить
в
20
раз
вес
и
энергопотребление системы управления
АФАР (SWAP)
• на порядок величины и отказаться от
водяного охлаждения АФАР,
• отделить и разнести систему управления
АФАР от полотна антенны
Блок-схема фотонно-управляемой АФАР
• сделать систему невосприимчивой к
ЭМ-помехам.
Применение радиофотоники создало решавшие условия,
чтобы размещать легкие фотонные РОФАР на БПЛА и
самолетах типа Т-50, СУ-35 и д.р. проектах
16

17.

Приоритеты Технет в НТИ
«Туманные технологии»
1
2
Квантовые
технологии
3
Запрос
технологий
2
3
10
7
8
Робототехника
Аддитивные
технологии
Сенсорика
Университеты НТИ
Рынки*
Приоритеты экономической политики
1
2
3
4
Большие
проекты
Цифровое
моделирование и
Сервисы****
проектирование
5
6
1
2
3
Слои “Фабрик Будущего”:
I. Цифровая фабрика
II. “Умная” фабрика
III. Виртуальная фабрика
ТНК российского происхождения
Новые
материалы
10
9
Приоритеты научной политики
«Фабрика
будущего»
Запрос
рынков
9
6
Большие
вызовы
науки
7
8
5
Технологии**
…
4
6
4
Приоритеты технологической политики
1
5
Сенсорика и компоненты Технологии управления свойствами
робототехники
биологических объектов
Нейротехнологии и
Новые производственные
Технологии
технологии
виртуальной и
технологии
беспроводной связи
дополненной реальностей
7
I.
II.
III.
IV.
4
Таланты***
Искусственный
интеллект
Новые и портативные
источники энергии
Управление
карьерами
Системы распределенного
реестра
Типы TestBed :
Промышленность
Университет
Сертификация
Акселератор
Приоритеты
образовательной
политики
Большие
данные
9
6
7
8
9
Требования к институтам развития
8
5
10
10
Обеспечение особых
Развитие
Поддержка
Налоговая система
Комфортная
условий
на внутреннем
интеллектуальной
продвижения
«0+Э»
юрисдикция
рынке
собственности
стандартов
(квазимонополии)
Стимулирование
Маркетинг и
КонсьержПоддержка
Сетевой реестр
потребителей компаний
поддержка экспорта
служба
стратегического роста
компаний НТИ
НТИ
регионов
17

18.

Уровни системной иерархии
фотонной коммуникации для
больших данных

19.

Приборы кремниевой фотоники
Июнь 2010 г. Intel Photonics Technology Lab демонстрирует
интегральную оптическую систему, включающую гибридные
лазеры, модуляторы, сплиттеры, мультиплексоры –
демультиплексоры и фотоприемники, обеспечивающую
скорость передачи данных до 50 Гбит/с.

20.

Проект ЗНТЦ и АО «Росэлектроника»
Оптические одномодовые
интегральные сплиттеры
направление ДК
«наземная инфраструктура»,
«ДЗЗ и мониторинг»
Дорожная карта «Аэронет»
Полное название проекта
Разработка конструкции и технологии с
изготовлением прототипов оптических

21.

Конструкция планарного сплиттера
Основной элемент – оптический
волновод
Основа конструкции – массив Yразветвителей
Модуль разветвителя в сборе
Конфигурация
1xN, 2xN

22.

Проект ЗНТЦ и АО
«Росэлектроника»
Мультиплексоры и
демультиплексоры
Направление ДК
«наземная инфраструктура»,
«ДЗЗ и мониторинг»
Дорожная карта «Аэронет»
Полное название проекта
Разработка и изготовление прототипов
оптических интегральных (де-

23.

Конструкция интегрального DWDMмультиплексора на основе
фазированной решётки
Принципиальная схема мультиплексора на основе волноводной
фазированной решётки (AWG-структуры)
Основные параметры AWG-структур:
• спектр. разделение: Dn=50ГГц (
dl=0.4нм); 100ГГц (0.8нм); 200ГГц
(1.6nm)
• число каналов: N=8; 16; 32; 64; и более
• межканальное проникновение: <-22dB
26.07.2018
WA- массив канальных волноводов
FP- фокусирующие элементы
Wi, Wo-входные и выходные волноводы
23

24.

Конструкция и топология
интегрального AWGОсновные параметры разрабатываемого прототипа:
• спектральный диапазон
и параметры разделения: ITU grid, 100ГГц (0.8нм);
мультиплексора
число каналов: N=8; 16 и более
межканальное проникновение: <-22dB
Эскиз интегрального мультиплексора на
основе фазированной решётки (AWG)
26.07.2018
Экземпляр AWG-мультиплексора,
изготовленный ранее при
непосредственном участии ведущих
членов проекта («Юник Ай Сиз»,
24
Свидзинский К.К., Гончаров А. и др.)

25.

Фотонная элементная база для систем связи и
АФАР
Дискретные активные и пассивные элементы фотоники
Волоконно-оптический одномодовый волновод
Полупроводниковый лазерный диод (гетеролазер)
Волоконно-оптический усилитель
Лазер с синхронизацией мод
Волноводный магнито-оптический изолятор и циркулятор
Интегральные элементы и функциональные приборы фотоники
• Планарная оптическая волноводная интегральная схема на кремниевых SOIструктурах и на SiN/SiO2/Si: разветвители, мультиплексоры, полосовые фильтры
• Полупроводниковый оптический (лазерный) усилитель
• Волноводный электро-оптический модулятор: фазовый ЭОМ, амплитудный на
ИМЦ, электро-адсорбционный (на эффекте Франца-Келдыша)
• Волноводный фотоприемник
• Оптический спектральный мультиплексор и демультиплексор
• Волноводный переключатель оптических каналов
• Электронно переключаемый оптический кольцевой резонатор (ОКР)
• Термо-перестраиваемый ОКР

26.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!
ПРИХОДЬКО ПАВЕЛ СЕРГЕЕВИЧ
Главный специалист
АО «Росэлектроника»
[email protected]
www.ruselectronics.ru