Как-то совсем незаметно российской фотонике за последнее десятилетие удалось выйти на достаточно передовые позиции. В том, чтобы сделать акцент именно на фотонику, есть своя логика: ведь по части микроэлектроники мы, к большому сожалению, существенно отстали от нынешних мировых передовиков: Тайваня, США, Японии, Южной Кореи. Чтобы существенно сократить образовавшийся здесь технологический разрыв, нам может потребоваться десяток лет, а возможно, и не один. Возникает закономерный вопрос: есть ли способ срезать этот путь? И, похоже, наши учёные сочли, что именно фотоника поможет проложить нам дорогу в высокотехнологическое будущее.
Фотонные интегральные схемы (ФИС) для передачи данных используют свет (фотоны), тогда как традиционные интегральные схемы (ИС) используют электрические сигналы (электроны). В ИС поток электронов проходит через электронные компоненты: транзисторы, резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы. В ФИС фотоны следуют через оптические компоненты: лазеры, поляризаторы, волноводы и фазовращатели. В ФИС лазерный источник подаёт свет, управляющий прочими компонентами. В этом смысле лазеры можно сравнить с транзисторами, подающими электричество, а волноводы — с проводами и резисторами в традиционных интегральных схемах.
Таким образом в фотонных ИС сигналы по определению передаются со скоростью света, что обеспечивает значительно большую скорость и пропускную способность по сравнению с традиционными ИС. Поскольку фотон не обладает массой, то и резистивные потери у ФИС гораздо меньше, чем у ИС, что обеспечивает меньшее энергопотребление и тепловыделение. Ну и впридачу ко всем этим преимуществам фотонные микросхемы невосприимчивы к электромагнитным помехам, в отличие от микросхем электронных. Отсюда их выдающаяся надёжность, особенно важная в системах связи.
В общем, там, где требуется быстрая передача данных, фотонные чипы себя показывают очень хорошо: высокоскоростная оптическая связь, квантовые вычисления, сервера систем искусственного интеллекта. Всё чаще используются кремниевые фотонные интегральные схемы, в которых фотонные компоненты интегрируются непосредственно на кремниевой подложке (изначально одним из наиболее распространённых материалов для изготовления ФИС являлся фосфид индия InP).
Мировым лидером по части производства фотонных микросхем является американская компания Infinera, в прошлом году приобретённая финской Nokia. Финский конгломерат сейчас отошёл от деятельности по производству мобильных телефонов и сосредоточился на предоставлении услуг в области телекоммуникационного оборудования. Так что усилия в области фотоники выглядят для финнов вполне логичными. Особенно принимая в расчёт тот факт, что крупнейший в мире производитель телекоммуникационного оборудования, китайский Huawei, находится под жёсткими санкциями со стороны США и других западных стран.
Дело дошло даже до того, что уже установленное оборудование Huawei в таких странах как США и Великобритания, попросту демонтируется. Таким образом для Nokia, крупнейшей западной компании в этой области, открываются самые широкие перспективы. Крепкие позиции на мировом рынке по части производства опто-электронных компонентов и систем также занимают японская Hamamatsu Photonics и американская Coherent Corp.
У нас в России также существует несколько ярких предприятий в области фотоники. Прежде всего хочется отметить сколковскую компанию «Фистех». Это предприятие основано в 2020 году с целью коммерциализации разработок Лаборатории интегральной фотоники Сколтеха (Сколковского института науки и технологий). Именно «Фистех» впервые в России разработал и уже успешно протестировал фотонные интегральные схемы для работы с высокочастотными сигналами с шириной полосы до 22 ГГц.
Учитывая, что в России взят курс на использование исключительно отечественного телекоммуникационного оборудования, наличие российских ФИС является абсолютно необходимой предпосылкой для реализации этой задачи. Поэтому этот проект был реализован при поддержке Минпромторга России, Сколтеха и Фонда «Сколково».
Уже сейчас «Фистех» готова перейти к серийному производству ФИС для отечественных производителей оборудования для волоконно-оптических линий связи, мультиплексоров (устройства, объединяющие несколько потоков данных в один канал), оптических трансиверов (преобразователи электрических сигналов в оптические и наоборот). К слову, в настоящий момент российский рынок оптических трансиверов занят импортной продукцией либо производится нашими предприятиями, но с использованием импортных комплектующих. В общем, таким компаниям как «Фистех» есть где развернуться.
Однако «Фистех» — компания без собственных производственных мощностей. Где же физически производятся российские фотонные интегральные схемы?Например, на мощностях Зеленоградского нанотехнологического центра. Также в качестве партнёров привлекаются китайские товарищи из компании CUMEC. К тому же сейчас в Зеленограде при поддержке Минпромторга РФ возводится ультрасовременный Московский центра фотоники. Новое предприятие как раз предназначено для производства современных фотонных микросхем.
Важно подчеркнуть, что фотонные ИС не требуют ультрасовременного производственного оборудования вроде фотолитографов, работающих по техпроцессам в несколько нанометров. Речь обычно идёт о гораздо более зрелых техпроцессах 350-90 нм. А ведь это ровно тот уровень оборудования, который должен быть достигнут отечественной полупроводниковой промышленностью в течение ближайших нескольких лет. Фотолитограф на 350 нм уже создан, в следующем году ожидается выпучк 130 нм машины, да и над 90 нм установкой работа уже вовсю идёт. В общем, с фотоникой всё должно получиться, причём достаточно скоро.
❗ Для знатоков и любителей микроэлектроники, полупроводниковой промышленности и фотолитографии: заходите в премиум-раздел канала «Фотолитограф».