Современные информационные технологии всё шире используют оптический диапазон электромагнитных колебаний, причем требования новых применений все ближе приближаются к теоретическим пределам. Необходимая пропускная способность широкополосных систем оптической связи составляет несколько десятков Тбит/с, а пропускная способность единичного оптического канала уже сейчас составляет 400 Гбит/с. Высокоточные оптические датчики, например, волоконно-оптический гироскоп, должны обладать относительной чувствительностью на уровне 10^-15. С расширением полосы частот в области обработки сигналов все более остро стоит вопрос о разработке фотонного АЦП с тактовой частотой и разрядностью близкими к квантовому пределу. Вызовом для современных оптических технологий является разработка компонентной базы квантовых информационных систем, манипулирующих единичными фотонами. Все это приводит к беспрецедентно высоким требованиям ко всем оптическим компонентам в составе таких систем.
Технология интегрально-оптических схем на подложках ниобата лития является одной из базовых для разработки и производства современных оптоэлектронных компонентов, прежде всего высокочастотных интегрально-оптических модуляторов. Несмотря на то, что данная технология развивается уже более 40 лет и находится на промышленном уровне, отмеченные выше тенденции требуют поиска новых подходов к созданию оптических волноводов на подложках ниобата лития. В проекте предполагается развивать два современных направления в области интегральной оптики.
Первое направление связано с технологией прямой оптической записи волноводных структур, активно развивающееся в последнее время для разных оптических материалов. Оригинальностью нашего подхода является то, что мы предлагаем вариант аддитивной технологии, объединяющей стандартную промышленную технологию изготовления оптических волноводов в ниобате лития методом термической диффузии титана с зондовой технологией оптической микро-модификации. Это позволяет объединить плюсы данных технологий – обеспечивает изготовление оптических волноводов высокого оптического качества с потерями на уровне 0,01 дБ/мм и дает возможность гибкой прецизионной локальной подстройки волноводных характеристик.
Второе направление связано с использованием гибридной технологии тонких монокристаллических пленок ниобата лития на кварцевых и полупроводниковых подложках. Созданные на таких пленках методами травления оптические волноводные структуры за счет высокой разницы показателей преломления обеспечивают высокую локализацию оптического излучения и компактность оптических компонентов, при этом сохраняя уникальные электрооптические и нелинейные оптические характеристики ниобата лития, что должно значительно поднять эффективность управления оптическим излучением и повысить частоты управления до уровня 100 ГГц и выше.
Решаемые в проекте научно-технические задачи имеют высокое прикладное значение для создание отечественной оптоэлектронной компонентной базы для новых бурно развивающихся отраслей современных информационных технологий, таких как высокоскоростные и высокозащищенные волоконно-оптические системы связи, оптические датчики с чувствительностью близкой к квантовому пределу, радиофотоника и квантовые информационные системы. Для демонстрации этого в рамках проекта планируется разработать и изготовить экспериментальные образцы интегральных электрооптических модуляторов с полуволновым напряжением менее 3 В и контрастом модуляции выше 50 дБ.
Ожидаемые результаты
Будет развита оригинальная аддитивная оптическая зондовая технология улучшения характеристик интегрально-оптических схем на подложках ниобата лития.
Будут исследованы фоторефрактивные механизмы локальной оптической модификации канальных волноводов, сформированных на подложках ниобата лития методом термической диффузии титана.
Впервые будут детально исследованы методы модификации волноводных характеристик канальных волноводов, сформированных на подложках ниобата лития методом термической диффузии титана за счет формирования на поверхности «нагружающих» пленок различных материалов наноразмерной толщины.
Будут разработаны оригинальные оптические зондовые методы локальной модификации и микроструктурирования «нагружающих» пленок на поверхности оптических волноводов.
Будет разработана и изготовлена экспериментальная установка зондовой микро-модификации интегрально-оптических схем на подложках ниобата лития.
Будет экспериментально реализована прецизионная подгонка характеристик базовых интегрально-оптических элементов, таких как направленный Х- ответвитель и асимметричный Y- делитель.
Эффективность разрабатываемой технологии будет продемонстрирована при изготовлении экспериментального образца амплитудного модулятора Маха-Цендера с контрастом модуляции выше 50 дБ, востребованного в распределенных системах волоконно-оптических датчиков и оптических системах квантовой криптографии.
Будет разработана технология формирования оптических волноводов в тонких монокристаллических пленках ниобата лития.
Будут разработаны методы селективного травления ниобата лития для формирования оптических волноводов с высоким контрастом показателя преломления.
Будут разработаны новые методы снижения оптических потерь в канальных волноводах, сформированных травлением тонких пленок монокристаллического ниобата лития, включая отжиг в атмосфере различных газов, дополнительное легирование и покрытие волноводных структур буферными пленками.
Будут разраработаны методы согласования и оптимальной стыковки интегрально-оптических структур на основе гибридных тонкопленочных волноводов в ниобате лития со стандартным одномодовым оптическим волокном.
На основе разработанных технологий будет изготовлен экспериментальный образец интегрально-оптического фазового СВЧ модулятора с полуволновым напряжением менее 3 В.
Планируемые результаты обладают новизной и соответствуют современному мировому уровню в области интегральной оптики. В проекте планируется развивать два новых и наиболее перспективных направления в области интегральной оптики – это технология прямой записи и высококонтрастные «гребенчатые» (ridge) гибридные волноводы, для волноводов на ниобате лития. Во всем мире интерес к усовершенствованию технологии волноводов на ниобате лития возобновился в связи с появлением новых бурно развивающихся применений, таких как квантовая фотоника, где уникальные свойства ниобата лития делают его одним из кандидатов для создания квантовых интегральных схем. В России данное технологическое направление развито слабо. Развитие данного направления позволит выйти на передовые позиции в данной области, что стратегически важно, учитывая ограничения на импорт высокочастотной оптоэлектроники.
