Исследователи из Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН разработали интегрально-оптические СВЧ-модуляторы на основе ниобата лития. Эти устройства, управляющие характеристиками оптических сигналов, являются ключевыми элементами информационно-телекоммуникационных систем, в частности, волоконно-оптических линий защищенной (квантовой) связи, систем генерации и передачи сверхширокополосных СВЧ-сигналов, а также высокоточных систем морской навигации. По своим параметрам разработка превосходит российские аналоги и соответствует уровню ведущих мировых производителей модуляторов, поэтому является перспективной для импортозамещения зарубежных компонентов в отечественной фотонике и оптоэлектронике.
Модулятор внешний вид и в разрезе. Фото предоставлено А. В. Шамраем.
В последние десятилетия информационно-телекоммуникационные системы базирующиеся на классической электронике по целому ряду характеристик и требований, среди которых быстродействие, помехозащищенность и энергоэффективность, подходит к пределу своих возможностей. Поэтому научные коллективы по всему миру ведут исследования и разработки устройств на альтернативных физических принципах, которые бы позволили вывести информационно-телекоммуникационные системы на новый уровень.
Одним из перспективных исследовательских направлений в данной сфере является фотоника, которая исследует способы генерации, передачи и обработки сигналов с помощью электромагнитных волн оптического диапазона (свет – частный случай таких волн) и отлично зарекомендовала себя в волоконно-оптических линиях связи. В последние годы сфера применения фотоники значительно расширилась и включает в себя системы генерации, передачи и обработки сверхширокополосных СВЧ-сигналов (радиофотоника), а также квантовые системы передачи и обработки данных (квантовая фотоника).
«Мы разработали интегрально-оптический сверхширокополосный модулятор – это устройство для преобразования электрических сигналов в оптические и управления характеристиками этих сигналов. Такие модуляторы являются ключевыми элементами для построения оптических информационно-телекоммуникационных систем. Они используются на линиях волоконно-оптической связи», – рассказывает заведующий лабораторией квантовой электроники ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН Александр Шамрай.
В основе разработанного модулятора – интегрально-оптический чип из монокристалла ниобата лития (LiNbO3). Ниобат лития обладает уникальными свойствами и обладает целым рядом эффективных оптических эффектов (электрооптическим, пьезоэлектрическим, нелинейностью второго порядка и др.), которые могут быть использованы для формирования и управления оптическими сигналами, что делает его одним из наиболее перспективных материалов для создания оптоэлектронных устройств.
Свет внутри чипа распространяется по оптическим волноводам – каналам с повышенным показателем преломления шириной в несколько микрометров, аналогично тому, как электрический ток распространяется по металлическим дорожкам внутри электронной схемы. Управление оптическим излучением обеспечивается особой конфигурацией электродов, расположенных вдоль оптического волновода, в которых реализуется так называемый режим бегущей волны, когда управляющее электромагнитное поле радиодиапазона распространяется синхронно (с одной скоростью) со светом внутри оптического волновода. Современный уровень технологии позволяет изготавливать на одной пластине ниобата лития диаметром 72,6 мм несколько десятков чипов интегрально-оптических модуляторов.
«Технология изготовления волноводов настолько хорошо отработана, что позволяет минимизировать внутренние потери – они составляют менее 0,1 дБ/см. Достигнутая полоса частот модуляции превосходит 25 ГГц, что соответствует лучшим зарубежным аналогам. Поэтому в текущих экономических условиях наша разработка отвечает запросу импортозамещения в российской электронике. АО „Концерн «ЦНИИ „Электроприбор”»” использует наши модуляторы в составе волоконно-оптических гироскопов для построения высокоточных навигационных систем. Кроме того, в сотрудничестве с компаниями „Квант-Телеком” и РЖД мы участвуем в проекте создания протяженной линии квантовой связи, где наши модуляторы управляют состоянием одиночных фотонов», – поясняет Александр Шамрай.
Сейчас в ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН продолжаются работы по совершенствованию технологии модуляторов на основе ниобата лития. Последние разработки направлены на использование гибридных тонкопленочных подложек ниобата лития с толщиной в тысячу раз меньше миллиметра. Это потенциально позволит уменьшить длину модулятора до нескольких миллиметров, снизит уровень управляющих напряжений и расширит полосу модуляции до 100 ГГц и выше, что выведет оптико-информационные системы на принципиально новый уровень развития.
