Разработка технологий и компонентов интегральной сверхвысокочастотной радиофотоники

В ходе выполнения проекта по соглашению о предоставлении гранта в форме субсидии от 07 июня 2019 г № 075-15-2019-250 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 3 в период с 01.01.2019г. по 31.12.2019г. выполнялись следующие работы:

• изготавливались экспериментальные образцы гетероструктур на подложке InP;
• разрабатывались программа и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов гетероструктур на подложке InP;
• проводились исследовательские испытания экспериментальных образцов гетероструктур на подложке InP;
• проводилась корректировка эскизной конструкторской документации экспериментальных образцов гетероструктур на подложке InP по результатам исследовательских испытаний;
• проводилась корректировка лабораторной технологической инструкции изготовления экспериментальных образцов гетероструктур на подложке InP по результатам исследовательских испытаний;
• исследовалась топология кольцевых микрорезонаторных структур для модуляторов на платформе InP с повышенной линейностью;
• разрабатывалась лабораторная технологическая инструкция изготовления макетных образцов модулятора с системой ввода/вывода на основе МОП-структур с внедренным слоем ITO;
• изготавливались макетные образцы модулятора с системой ввода/вывода на основе МОП-структур с внедренным слоем ITO;
• разрабатывалась программа и методики исследовательских испытаний макетных образцов модулятора с системой ввода/вывода на основе МОП-структур с внедренным слоем ITO;
• проводились исследовательские испытания макетных образцов модулятора с системой ввода/вывода на основе МОП-структур с внедренным слоем ITO;
• дорабатывалась лабораторная технологическая инструкция изготовления макетных образцов модулятора с системой ввода/вывода на основе МОП-структур с внедренным слоем ITO по результатам исследовательских испытаний;
• разрабатывалась лабораторная технологическая инструкция изготовления макетов кремниевых модуляторов с pn переходами;
• проводилось моделирование макетов кремниевых модуляторов с pn переходами в схеме интерферометра Маха-Цендера;
• изготавливались макеты кремниевых модуляторов с pn переходами;
• разрабатывалась программа и методики исследовательских испытаний макетов кремниевых модуляторов с pn переходами;
• проводились исследовательские испытания макетов кремниевых модуляторов с pn переходами;
• изготавливались экспериментальные образцы радиофотонных компонент на подложках InP, в том числе: модуляторы, пассивные устройства, кольцевые микрорезонаторы;
• разрабатывалась программа и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов радиофотонных компонент на подложках InP, в том числе: модуляторов, пассивных устройств, кольцевых микрорезонаторов;
• проводились исследовательские испытания экспериментальных образцов радиофотонных компонент на подложках InP, в том числе: модуляторов, пассивных устройств, кольцевых микрорезонаторов;
• проводилась корректировка эскизной конструкторской документации экспериментальных образцов радиофотонных компонент на подложках InP, в том числе: модуляторов, пассивных устройств, кольцевых микрорезонаторов по результатам исследовательских испытаний;
• проводилась корректировка лабораторной технологической инструкции изготовления экспериментальных образцов радиофотонных компонент на подложках InP, в том числе: модуляторов, пассивных устройств, кольцевых микрорезонаторов по результатам исследовательских испытаний;
• проводилась оценка эффективности результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем;
• проводилась технико-экономическая оценка рыночного потенциала полученных результатов;
• разрабатывались рекомендации и предложения по использованию результатов проведенных работ;
• проводился анализ потенциала разработанных модуляторов в сравнении с мировым научно-техническим уровнем;
• изготавливались экспериментальные образцы модуляторов на основе МОП-структур с внедренным слоем ITO;
• разрабатывалась программа и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов модуляторов на основе МОП-структур с внедренным слоем ITO;
• проводились исследовательские испытания экспериментальных образцов модуляторов на основе МОП-структур с внедренным слоем ITO;
• проводилась оценка технологичности разработки;
• дорабатывалась лабораторная технологическая инструкция изготовления макетов кремниевых модуляторов с pn переходами по результатам исследовательских испытаний;
• изготавливались экспериментальные образцы кремниевых модуляторов с pn переходами и системой ввода/вывода;
• разрабатывалась программа и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов кремниевых модуляторов с pn переходами и системой ввода/вывода;
• проводились исследовательские испытания экспериментальных образцов кремниевых модуляторов с pn переходами и системой ввода/вывода;
• проводился анализ потенциала разработанных модуляторов в сравнении с мировым научно-техническим уровнем;
• приобреталось необходимое технологическое, контрольно-измерительное оборудование, материалы для изготовления и исследований радиофотонных модуляторов и пассивных компонентов (3 этап);
• разрабатывалась лабораторная технологическая инструкция на изготовление экспериментальных образцов фазового одноплечевого модулятора на платформе InP;
• изготавливались экспериментальные образцы фазового одноплечевого модулятора на платформе InP;
• разрабатывалась программа и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов фазового одноплечевого модулятора на платформе InP;
• проводились исследовательские испытания экспериментальных образцов фазового одноплечевого модулятора на платформе InP;
• приобреталось необходимое технологическое, контрольно-измерительное оборудование, материалы для разработки радиофотонных компонентов (3 этап);
• проводилась подготовка, настройка, ремонт необходимого технологического, контрольно-измерительного оборудования для изготовления и исследований радиофотонных модуляторов и пассивных компонентов (3 этап);
• разрабатывалась топология СВЧ составляющей макета модулятора и согласующей цепи;
• разрабатывался проект технического задания на проведение ОКР/ОТР;
• приобреталось необходимое технологическое, контрольно-измерительное оборудование, материалы для производства радиофотонных модуляторов (3 этап);
• разрабатывался стенд для исследования экспериментальных образцов модуляторов в тракте радиофотонной системы со спектроанализатором;
• изготавливался стенд для исследования экспериментальных образцов модуляторов в тракте радиофотонной системы со спектроанализатором;
• разрабатывалась программа и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов модуляторов на различных подложках;
• изготавливались экспериментальные образцы модуляторов на различных подложках;
• проводились исследовательские испытания экспериментальных образцов модуляторов на различных подложках в тракте радиофотонной системы со спектроанализатором;
• сопоставлялись параметры экспериментальных образцов модуляторов на различных подложках, и выбирался оптимальный для проведения дальнейших опытно-конструкторских и технологических работ.

При этом были получены следующие результаты

Разработана техническая документация и проведены лабораторные испытания экспериментальных образцов радиофотонных компонент. Проведено моделирование параметров радиофотонных компонент на различных подложках: фосфид индия, кремниевых МОП структур с внедренным слоем ITO и МОП гетероструктур с pn переходами, разработаны эскизные конструкторские документации и лабораторные технологические инструкции изготовления указанных компонент. На основе разработанной документации изготовлены экспериментальные образцы, проведены их испытания, по результатам которых внесены предложения по корректировке данных документаций.

Установлено, что:

• для установления связи между кольцевым и прямолинейным волноводами при значениях их ширины вблизи рабочей длины волны, необходимо увеличивать область их контакта (например, за счет увеличения радиуса кольцевого волновода), уменьшать зазор между ними и повышать показатель преломления в зазоре. При создании кольцевых резонаторов с шириной волноводов порядка 1.5 мкм и рабочей длинной волны 1.55 мкм необходимы зазоры между кольцевой и прямолинейной частями схемы порядка 0.2 мкм и радиусы кольца порядка 1 мм;
• максимальная выводимая мощность света из волновода на подложке InP через прямую дифракционную решетку не превышает 10 %, что связано с довольно низким «контрастом» показателя преломления в слоевой структуре волновода. При этом наклонная дифракционная решетка способна обеспечить достаточно высокую эффективность вывода света ∼ 60%, но имеет ряд технологических сложностей реализации;
• для эффективного преобразования основной моды прямоугольного волновода на подложке InP шириной 1.5 мкм в основную моду волновода с шириной 4 мкм и обратно длина линейного тейпера должна быть не менее 150 мкм;
• эффективность ввода/вывода оптического излучения для различных модуляторов на основе МОП-структур с внедренным слоем ITO для оптических длин волн диапазона 1530 – 1610 нм составляет более 20%;
• теоретический предел пропускания модулятора на основе кремниевых МОП структур с внедренным слоем ITO составляет порядка 8 ТГц;
• геометрия однородных решеток с глубиной травления не меньше 80 нм и периодом 0.57-0.58 мкм дает теоретическую эффективность стыковки не меньше 47% для случаев наличия защитного покрытии из двуокиси кремния (толщиной 0.28 мкм) и 38% процентов для решетки без покрытия;
• доработанный технологический маршрут изготовления ЭОМ обеспечивает концентрацию дырок на уровне (2-5) ·1017 см-3 в р-области модулирующего pn- диода;
• напряжение пробоя pn-перехода кремния, сформированного областью сильного легирования и p-волноводом не зависит от травления поверхности и составляет Vbd = 10±0,3 В. При этом напряжение пробоя структуры с шиной несколько снижается после травления поверхности, что может быть связано с утечками по поверхности.

Научной новизной результатов работ на данном этапе являются:

• закономерности изменения функциональных характеристик кольцевых микрорезонаторов на подложках InP от физико-конструктивных параметров волновода (радиуса кольцевого волновода, величины зазора между кольцевой и прямолинейной частями и показателя преломления в зазоре);
• физико-топологическая модель согласования профилей электромагнитных полей в кварцевом волноводе круглого сечения с волноводом прямоугольного сечения на подложке InP, позволяющая значительно уменьшить оптическое ограничение вдоль вертикальной оси;
• физико-топологическая модель линейного тейпера, оптимизированная по величине эффективного преобразования основной моды сигнала;
• закономерности изменения эффективного показателя преломления активной области модулятора от его характерных размеров;
• конструкционная модель расположения и концентрационного состава зон легирования, контактных зон в кремниевых модуляторах, позволяющая существенно повысить эффективность кремниевого модулятора.

Полученные результаты соответствуют техническим требованиям к выполняемому проекту и свидетельствуют о целесообразности перехода проекта в стадию опытно-конструкторских и технологических работ.