Фотоника: техника уточнения

Фотоника не может существовать без микроэлектронных технологий. Фотонные интегральные схемы оказались в центре внимания разработчиков и интеграторов самых разнообразных оптических систем связи и систем сенсорики. Однако системы оптической обработки информации (оптические компьютеры или оптические нейросети) все еще находятся на стадии лабораторных исследований. Проблемы развития социума, когда основной поток информации практически мгновенно становится известен любому члену этого социума, на современном этапе обусловлены запаздыванием социальной структуры за техническим прогрессом. Поэтому в кругу многообразия оптико-­электронных и фотонных умений и компетенций необходимо выделить критически важные задачи для успешного достижения целей Стратегии научно-­технологического развития России. Это под силу только объединенному сообществу науки и инженерии. 27 сентября 2024 года в рамках форума «Микроэлектроника 2024» состоялся круглый стол по вопросам координации усилий при создании дорожной карты по фотонике. Модератором научной встречи выступил д. ф. м. н. профессор «Сколтеха» Аркадий Владимирович Шипулин. В статье представлены его ответы на ряд вопросов, поднятых во время обсуждений планов создания дорожной карты.

Аркадий Владимирович, какие приборы и устройства способствовали динамичному росту разработок фотонных интегральных схем?

Мы живем в информационном обществе, где за счет передачи информационных потоков происходят коммуникации между его членами. В системах оптических коммуникаций чаще всего используются оптоэлектронные преобразователи (то есть приборы, преобразующие оптический сигнал в электрический и наоборот, электрический в оптический). Это обусловлено тем, что без оптики в современных линиях связи (особенно магистральных) попросту не обойтись. Это, в свою очередь, обусловлено тем, что для передачи любого высокочастотно модулированного сигнала (в аналоговом или цифровом формате) необходимо, чтобы несущая частота опорного сигнала была существенно выше частоты информационной модуляции. Несущая частота света приблизительно 1015 Гц, частоты же информационной модуляции (без учета мультиплексирования) не превышают 1011 Гц (это на четыре порядка ниже световой частоты). Поэтому свет является идеальной несущей с точки зрения повышения емкости информационного потока. Генератором светового опорного сигнала (1015 Гц) служит обычно лазер, а информационная модуляция осуществляется либо прямой модуляцией лазера (в формате амплитудной модуляции до частот порядка 1010 Гц), либо с помощью электрооптического модулятора для более высоких частот и более сложных форматов модуляции. До настоящего времени части оптических систем, отвечающие за преобразование из оптики в электрический сигнал (детекторы или приемники) и из электричества в оптику (лазеры и модуляторы), поставлялись отдельно и монтировались на платы в соответствии с дизайном, разработанным для конкретной системы.

Рассмотрим, например, трансмиттер (передатчик), преобразующий электрический сигнал в оптический. Как мы знаем, большинство современных систем использует цифровой формат модуляции, то есть «нули» и «единицы» формируются в электрической области и далее переносятся в оптику. В каждом конкретном временном слоте формируется оптический сигнал, в котором упакованы «нули» и «единицы», переносящие информацию. В современных системах связи используются сложные форматы модуляции, в которых информация кодируется как в амплитуде, так и в фазе оптического сигнала. Таким образом, в одном временном слоте может быть упаковано не просто один «ноль» или одна «единица», а много «нулей» и «единиц» одновременно.

Кроме того, для мультиплексирования информационных потоков используются разные поляризации светового поля, что позволяет вдвое увеличивать количество передаваемой информации на одной длине волны. Ну и наконец таких длин волн может быть несколько сотен. Итак, мы видим, что для преобразования электрической последовательности «нулей» и «единиц» в трансмиттере необходимо иметь возможность модулировать амплитуду и фазу светового сигнала и, кроме того, делать это на разных поляризациях и разных длинах волн. Отсюда становится понятен и в достаточной степени определен базовый инженерный облик такого трансмиттера. Он состоит из источников когерентного излучения (лазеров), модуляторов (современные модуляторы могут одновременно модулировать и амплитуду, и фазу оптического сигнала), а также необходимых пассивных оптических элементов и электроники.

До появления ФИС все эти компоненты поставлялись и монтировались раздельно. В случае ФИС все эти компоненты изготавливаются сразу в рамках сложного, многоступенчатого технологического процесса.

Идеологией любой интегральной схемы (электрической или фотонной) является уменьшение размеров устройства при сохранении функциональности всех составных частей. При этом, как правило, повышается стабильность функционирования такого устройства, а также уменьшается цена при условии массового производства как интегральных схем, так и устройств на их основе.

Хотелось бы сказать несколько слов о том, как электронные интегральные схемы (ЭИС) качественно изменили наш мир. ЭИС позволяет с чудовищными скоростями принимать, обрабатывать, и отправлять информационные электрические сигналы. Переход на ЭИС привел в прошлом веке к созданию информационного общества – состоянию социума, где основной поток информации практически мгновенно становится известен любому члену этого социума. В большой степени проблемы развития социума на современном этапе обусловлены несоответствием структур последнего условию мгновенной доступности информации. Такая ситуация в истории – запаздывание социальной структуры за техническим прогрессом – происходит не в первый и, надеюсь, не в последний раз. К слову, попытки как-то ограничивать информационные потоки предпринимаются практически во всех социальных системах (имеется в виду как в западных, так и не западных системах) и на всех уровнях и выглядят в большинстве случаев достаточно нелепо. Информационные каналы сами по себе не есть что-то плохое или что-то хорошее – это просто аналог нервной системы любого организма. По ним могут передаваться любые сообщения любого содержания, что и поддерживает жизнеспособность данного организма. Искусственная «фильтрация» информации приводит к искажению естественного, эволюционного развития. Например, искусственное ограничение «плохой» информации препятствует развитию иммунитета, что мы и можем наблюдать как в живых организмах (отсутствие иммунитета в случае «тепличного» развития), так и в социумах с жестким контролем информационных потоков.

ФИС в данном техническом концепте также представляет из себя аналогичную (как и в случае электронных интегральных схем) попытку перенести на одну платформу набор элементов для создания того же функционала, как и в случае систем, собранных из дискретных компонент. Основным драйвером интереса к ФИС также является применение последних в оптических информационных системах. Помимо этого, ФИС находят свое применение в области оптической сенсорики (включая лидары), оптических вычислений, применения квантовых технологий, радиофотоники и др.

Приведет ли массовое использование ФИС к такому же качественному скачку, которое вызвало в прошлом веке внедрение ЭИС? Думаю, да, и это будет связано уже не с системами коммуникации «человек-­человек», а все больше с коммуникациями с системами искусственного интеллекта (ИИ) типа «человек-­гаджет» и «гаджет-­гаджет»; в частности, с применением ФИС для систем искусственного интеллекта и связанных с ним упомянутых новых типов информационных потоков. В основном же применение ФИС будет обусловлено возрастанием количества точек перехода электричество-­оптика и обратно в системах связи следующего поколения 6G. В этих точках перехода и предполагается использование ФИС.

Подпишитесь на журнал, чтобы прочитать полную версию интервью.