Создание новых высокоскоростных устройств для передачи и обработки информации требует изучения компонентной базы такой передачи — материалов на основе фотонов. Ученые Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета имени В. И. Ленина (СПбГЭТУ «ЛЭТИ») провели исследования и выяснили новые характеристики материалов, перспективных для массового производства фотонных интегральных микросхем. Для этого они провели измерения характеристик опытных образцов компонентов фотонных интегральных схем с использованием нового уникального оборудования.
Подавляющее большинство современных систем для обработки и передачи информации использует компонентную базу на основе полупроводниковых интегральных микросхем. За последние десятилетия электроника приблизилась к пределу своих возможностей по целому ряду ключевых характеристик, не удовлетворяющих запросам развития высокоскоростных информационных систем.
Одной из наиболее перспективных областей науки для подобного технологического перехода является фотоника. Она использует для создания различных электронных устройств и приборов вместо электронов кванты электромагнитного поля — фотоны. Разработка и внедрение компонентов на новых радиофотонных принципах обработки сигналов открывает широкие перспективы развития самых разных высокотехнологичных отраслей промышленности и формирования новых перспективных рынков.
Однако такие кардинальные изменения в области компонентной базы требуют проведения целого комплекса исследований как в части материалов и технологий радиофотоники, так и в части проектирования и конструирования компонентов и устройств.
«Материалы фотонных интегральных схем, которые мы изучаем, — это монокристаллические полупроводники, эпитаксиальные пленки и наногетероструктуры на их основе. Устройства, которые мы разрабатываем, могут располагаться на кристалле площадью 1 кв. мм и даже меньше. Нам необходимо изучить широкий спектр характеристик и свойств как самого материала, так и разработанных устройств, что крайне сложно сделать ввиду малого размера образцов. Поэтому для исследования таких материалов мы используем уникальное оборудование — зондовую станцию, которая позволяет проводить исследования прямо на кристалле, подводя сигналы непосредственно к волноведущим структурам топологии», — поясняет директор департамента науки СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Александр Семенов.
Зондовая станция была приобретена в рамках программы обновления приборной базы нацпроекта «Наука и университеты». Она состоит из специального «столика», на котором размещаются образцы кристаллов фотонной интегральной схемы. Как отмечают ученые, по ряду характеристик и применений она уникальна по сравнению с аналогичными зондовыми станциями для измерения материалов. С помощью специальных зондов в исследуемую структуру можно завести оптические или СВЧ-сигналы, подать постоянный потенциал на активные элементы схемы. Изменения сигнала, который проходит сквозь исследуемые учеными материалы, фиксируются при помощи векторного анализатора цепей — этот прибор позволяет регистрировать различные характеристики сигнала (амплитудные, фазовые, временные характеристики в широком диапазоне частот до 50 ГГц).
С помощью данного оборудования ученые ЛЭТИ исследовали характеристики компонентов фотонных интегральных схем, изготовленных на основе перспективных материалов радиофотоники — арсенида галия и нитрида кремния. Они выяснили, что при передаче сигналов с помощью этих полупроводников происходит меньше помех. Кроме того, технология их получения может быть применена для серийного производства.
Образцы были выращены в лабораториях Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе РАН — ключевого партнера ЛЭТИ.
По словам Александра Семенова, проведенные исследования позволят в будущем скорректировать технологические параметры синтеза материалов, получить волноведущие структуры с предельно малыми потерями как в оптическом, так и в микроволновом диапазонах, пригодные для изготовления на их основе компонентов фотонных интегральных схем различного функционального назначения.
Проект реализуется в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет 2030», которая является одной из мер государственной поддержки университетов нацпроекта «Наука и университеты».
Индустриальными и академическими партнерами проекта выступают ФТИ имени А. Ф. Иоффе РАН, РФЯЦ — Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики и другие компании.