«Интегральная фотоника поможет создать сверхбыстрые и экономичные вычислительные системы»
В среду, 10 июня, на заседании Научного совета Отделения нанотехнологий и информационных технологий Российской академии наук «Фундаментальные проблемы элементной базы информационно-вычислительных и управляющих систем и материалов для её создания» учёные рассказали об отечественных разработках в сфере интегральной фотоники. Совет прошёл под председательством президента РАН академика Геннадия Красникова.
«Интегральная фотоника поможет создать сверхбыстрые и экономичные вычислительные системы, точные датчики и скоростные линии связи. Мы периодически возвращаемся к этой теме, чтобы понять, каких результатов добились и какие есть перспективы для дальнейшего развития», — заявил, открывая совещание, глава РАН.
По словам заместителя генерального директора АО «Концерн воздушно-космической обороны «Алмаз-Антей» члена-корреспондента РАН Павла Созинова, который выступил со вступительным докладом, анализ современного состояния литературы, лабораторных прототипов и первых мелкосерийных устройств радиофотонных и навигационных систем показывает, что применение фотонных интегральных схем в перспективе позволит улучшить характеристики этих устройств.
Наибольший интерес для построения вышеперечисленных систем представляют исследования, направленные на развитие технологий производства фотонных интегральных схем (ФИС) с удельными потерями в волноводах не более 1 дБ/м, производство интегрально-оптических микрорезонаторов с добротностями на уровне 108 и более, развитие технологий гетероинтеграции между различными технологическими платформами производства ФИС, а также технологиями производства СВЧ микро и наноэлектроники. Последнее играет ключевую роль для возможности внедрения того или иного интегрального оптического устройства в конкретное изделие. По словам Павла Созинова, важно осознавать, что без развития технологий гетероинтеграции ФИС и микроэлектронных устройств (устройство в корпусе «SiP», а также устройство на кристалле «SoC»), ФИС не смогут выйти на массовый рынок за пределы оптических лабораторий.
Сообщение, посвящённое развитию радиофотоники, представил генеральный директор АО «НИИ «Полюс» имени М.Ф. Стельмаха» Вадим Старцев. Разработки в этой сфере, сообщил он, находят применение в средствах связи, медицине, метрологии, сенсорике и других областях. Как сообщил специалист, сейчас в России пересматривают программу развития отрасли. В новой редакции акцент сделан на конечных продуктах. «Когда есть целевое изделие, легче разрабатывать компонентную базу», — подчеркнул он.
Вопреки устоявшемуся мнению, Россия производит телекоммуникационные компоненты тысячами штук в год, а объём рынка оценивают в несколько миллиардов рублей. Его контролируют российские компании, поделился руководитель Центра перспективной электроники Фонда перспективных исследований Алексей Заблоцкий. По его мнению, у отечественных производителей наилучшие конкурентные позиции — в создании высокотехнологичных продуктов «завтрашнего дня».
В ходе заседания участники представили примеры реализации технологий интегральной фотоники в практической сфере. Директор НПК «Технологический центр» член-корреспондент РАН Вячеслав Светухин привёл примеры номенклатуры инновационной продукции, которую производит предприятие. Это узкополосные лазеры, фотоприёмники, оптические переключатели и другие высокотехнологичные изделия. Особое внимание он уделил созданию оптической памяти на базе материалов с фазовым переходом.
О применении интегральной фотоники для задач искусственного интеллекта рассказал руководитель сектора квантовых вычислений Центра квантовых технологий Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова Станислав Страупе. Он сообщил о создании прототипа устройства, которое перемножает матрицы с помощью света. Точность вычислений составляет около 4 бит, что достаточно для современных нейросетей.
Применение оптических технологий в космосе стало одной из главных тем доклада руководителя лаборатории интегральной фотоники Сколтеха Аркадия Шипулина. По его словам, учёные создали систему бортовой связи внутри спутника, где традиционные провода заменили на оптоволокна. Кроме того, на них нанесли специальные решётки, благодаря которым оптические кабели можно использовать как сенсоры — для измерения температуры, деформаций и других параметров.
Также в Сколтехе испытали фотонные интегральные схемы на устойчивость к космической радиации, добавил специалист. Опыты проводили на имитаторе с лазерными импульсами, параметры которых соответствуют воздействию тяжёлых заряженных частиц. Оказалось, попадание такой частицы «отключает» фотонный микрочип, но через 200 наносекунд он восстанавливает работу. Это открывает новые возможности в технологиях межспутниковой связи. Сейчас для этих целей инженеры создают лазерные терминалы. Сначала они будут передавать данные со скоростью 10 Гб/с, а в затем —100 Гб/с.
О создании комплекса управления фазированной антенной решёткой с помощью света рассказал заведующий Лаборатории радиофотоники Научно-исследовательского физико-технического института Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского Александр Бобров.
Идея в том, объяснил он, чтобы радиосигнал с каждого элемента антенны превратить в световой. Потом на специальной кремниевой фотонной микросхеме сложить их вместе, задавая фазовые сдвиги и формируя нужное направление луча. Команда уже изготовила работающий стенд и научилась делать волноводы, делители сигнала и элементы управления. К концу года учёные планируют собрать восьмиканальную систему и поставить её на радар.
Генеральный директор ООО «Коннектор Оптикс», ведущий научный сотрудник Университета ИТМО Леонид Карачинский рассказал о развитии систем на базе вертикально-излучающих лазеров. Эти устройства позволяют располагать фотонные микросхемы плотно друг к другу и встраивать в 3D-конструкции. Такие лазеры используют в смартфонах, медоборудовании, атомных сенсорах. Среди достижений разработчиков — создание серийных изделий с длиной волны 1250 нм. Они востребованы в дата-центрах и лидарах.
В продолжение темы старший научный сотрудник Университета науки и технологий «МИСИС» Вадим Ковалюк продемонстрировал разработки на основе нитридкремниевых фотонных чипов. Среди них — системы контроля заряда ванадиевых батарей, средства для детекции маркеров рака в крови, датчики водорода и квантовый генератор случайных чисел. Также учёный сообщил о применении платформы в разработке устройств оптической памяти и логических элементов для будущих фотонных нейроморфных вычислителей.
В свою очередь, руководитель лаборатории квантовой электроники Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН Александр Шамрай рассказал о системах на основе ниобата лития. По его словам, этот материал, благодаря высокой скорости управления световыми сигналами и низкому уровню шумов, занимает особое место среди платформ для преобразования электрического сигнала в оптический.
Завершился Совет докладом руководителя технологического направления интегральной фотоники Зеленоградского нанотехнологического центра Константина Певчих. Учёный сообщил о развитии концепции кремниевых интерпозеров — промежуточных слоёв в микроэлектронных устройствах. В частности, они позволят объединить в единые системы компоненты традиционных и фотонных интегральных схем.
В заседании Научного совета приняли участие 160 человек из 104 организаций и их подразделений. В обсуждении повестки дня участвовало 24 человека.
