Фотонные интегральные схемы для систем квантового распределения ключей. Часть 2

Начало статьи читайте в первой части

Состояние технологии и рынка ФИС в России, производители ФИС

Для России передовые технологии ФИС и новейшее оборудование для производства ФИС уже более 20 лет попадают под санкционные ограничения и ограничения импорта высокотехнологичной продукции. Цель и задача ограничений на поставки электронных компонентов, материалов и другой высокотехнологичной продукции в Россию заключается в противодействии развитию высокотехнологического производства в России, поэтому внешнее противодействие нарастает и будет нарастать. Таким образом, снятия санкций не предвидится, поэтому нам необходимо самостоятельно развивать свои собственные технологии и сервисы, переосмысливая при этом положительный опыт западных производителей.

Российским лидером в разработке и производстве ФИС для телекоммуникационных применений в настоящее время является подразделение «Фотоника» Зеленоградского нанотехнологического центра (ЗНТЦ). Уже реализован первый крупный сквозной проект по разработке DWDM-сплиттера для магистральных телекоммуникаций на 44 канала — проект ЗНТЦ–Т8–Ростелеком, общей стоимостью 4 млрд рублей. ПАО «Пермская научно-производственная приборостроительная компания» освоила выпуск дискретных компонентов на основе ниобата лития, изготавливаемых интегральными методами, а также, что не менее важно, занимается разработкой и выпуском технологического оборудования для изготовления и корпусирования ФИС. Завод «Микрон» (г. Зеленоград) объявил о своем намерении производить ФИС по технологии КНИ — «кремний-на-изоляторе». Также в Зеленограде строится производственный корпус компании «Московский Центр Фотоники» — крупная фабрика для производства ФИС. Существенное количество работ по разработке ФИС заявлено и проводится в рамках дорожной карты РЖД по квантовым коммуникациям. Также госкорпорация «Росатом» в рамках дорожной карты по квантовым вычислениям поддержала несколько научных проектов по разработке элементов ФИС на полупроводниковых материалах; по всей видимости, с дальним прицелом на «квантовый интернет», т. е. обеспечение взаимодействия и обмена квантовыми состояниями между квантовыми компьютерами.

В настоящее время формируется сразу несколько государственных программ, включающих задачи развития интегральной фотоники, например, «Фотоника 2030», «Академическая программа развития фотоники», разрабатывается «Фотоника-2036». Работы по интегральной фотонике финансируются практически всеми институтами развития, действующими в интересах российской микроэлектроники. Весьма стремительно растет количество научных групп в вузах и академических институтах, которые занимаются научными разработками в области ФИС, и при учебных заведениях появляются экспериментальные мелкосерийные производства.

Как устроено взаимодействие производителей ФИС и потребителей ФИС за рубежом и в России?

В США и Канаде функционируют пользовательские сервисы для производства ФИС. Производитель предлагает библиотеку стандартных компонентов, технология производства которых хорошо отработана. И пользователь сервиса может составить из этих стандартных компонентов свою ФИС необходимого состава и назначения, не будучи квалифицированным оператором специализированных САПР.

Использование библиотек элементов позволяет реализовывать многопользовательские проекты, разделив тем самым стоимость пластины на несколько изделий различного состава и назначения, но собранных при этом из элементов стандартной библиотеки. Таким образом, на одной пластине удается реализовать несколько десятков отдельных проектов «вскладчину», и стоимость отдельного чипа оказывается относительно небольшой. Становится возможным по срокам (порядка одного месяца) и доступным по цене изготовление ФИС от одной штуки, и готовую ФИС присылают по почте. Такой подход позволяет в течение короткого времени в несколько итераций отработать изделие, устранить косяки и заказать уже большую партию по еще более умеренным ценам.

Использование библиотек элементов позволяет повысить сложность фотонных схем. Собранные из стандартных элементов схемы могут включать в себя несколько сотен элементов, и на базе такой общедоступной технологии можно реализовывать весьма технически сложные изделия. Примеры таких ФИС, составленных из нескольких десятков элементов, приведены на рисунках ниже.

Необходимо отметить, что на кремниевой технологии не удается вырастить хорошие качественные источники излучения и активные элементы. Поэтому для ФИС, содержащих активные компоненты, в частности, усилители, целесообразно использовать материалы типа A3B5.

Интегральные схемы на InP для телекоммуникационных применений уже производятся в мире и могут объединять несколько сотен активных и пассивных элементов. Развитие ФИС на фосфиде индия InP сдерживается в основном тем обстоятельством, что для производства качественных структур требуется использовать весьма трудоемкий и долгий процесс молекулярно-лучевой эпитаксии, для которого нужны сложная и дорогостоящая узкоспециализированная установка, высокотехнологичная сопутствующая инфраструктура, дорогие расходные материалы и высококвалифицированные операторы. В итоге, изделия на InP пока не получили широкого распространения. Альтернативой фосфиду индия можно считать фосфид галлия GaP, который выращивается на недорогих сапфировых подложках, но в остальном ему присущи все те же трудности.

На данном этапе развития индустрии российских ФИС в качестве компромиссного варианта возможно использование гибридных ФИС на поликоровых или сапфировых подложках или в многослойных керамических корпусах. В этом случае средствами гибридной сборки возможно объединить в рамках одного устройства (корпуса) активные элементы, выращенные, например, на InP, и устройства формирования квантового состояния на технологиях кремниевой фотоники и/или на ниобате лития.

В настоящее время в России российские потребители и аффилированные с ними поставщики не могут использовать американские и европейские сервисы и фабрики из-за санкций. Условно доступен импорт готовых изделий из дружественных стран (Китай, Индонезия, Малайзия и т.д.), с учетом того, что они тоже вынуждены подчиняться и соблюдать санкционные ограничения. Все это несет известные риски, а заказная разработка и штучное изготовление на азиатских заводах у производителей обходится дорого.

В России ФИС для систем КРК серийно пока не производятся. Для штучных изделий и малых тиражей можно использовать на коммерческой основе околоуниверситетские производственные возможности, причем к обоюдной выгоде обеих сторон: во многих научных грантах и проектах приветствуются аргументированная демонстрация коммерческого потенциала научных разработок и участие коммерческих компаний, например, в роли индустриального партнера.

В России в ходе реализации государственных программ развития и дорожных карт крупных госкорпораций несколько крупных производителей обещают освоить серийное производство ФИС для систем КРК практически по всем основным техпроцессам через 3-5 лет. Также российские производители ФИС планируют принимать заказы российских потребителей и разрабатывают необходимые для этого библиотеки и интерфейсы взаимодействия.

Образовательные программы по интегральной фотонике в мире и в России

Подготовка специалистов в области ФИС крайне важна. В России уже несколько крупных вузов: МГУ имени М.В. Ломоносова, МФТИ, МГТУ им. Н.Э. Баумана, МИСИС, ТУСУР, ВШЭ, Сколтех и другие — открыли программы подготовки разработчиков и технологов различных ФИС и изделий на их основе. Возможности практических работ по разработке и изготовлению ФИС в процессе выполнения учебных программ ограничены лабораторными возможностями вузов. Для российских студентов и образовательных учреждений также актуальны ограничения на использование иностранных фабрик.

За рубежом образовательные программы включают в себя в том числе изготовление довольно объемных ФИС на внешних фабриках и исследование характеристик их элементов. Например, чип для образовательной программы AIM/Spark Photonics (EWD PIC) включает более ста элементов различного назначения на одном кристалле (на рисунках ниже). Студенты разрабатывают и исследуют подобные чипы в рамках учебного курса в виде курсовых работ и дипломов. Аналогично, студенты Рочестерского технологического института в рамках курса edX «Фотонные интегральные схемы 1» самостоятельно изготавливают достаточно крупные схемы, также содержащие сотни элементов. Заметная доля практической части курса посвящена исследованию характеристик получившихся изделий, таким образом студенты получают представление о функционировании ФИС и осваивают измерительное оборудование. 

Вызовы при изготовлении ФИС: ввод излучения из оптоволокна в волновод на чипе

Одна из существенных задач при изготовлении ФИС для использования в оптоволоконных телекоммуникационных сетях заключается в вводе излучения из оптоволокна в волновод на кристалле и выводе из кристалла в оптоволокно. Для этого используется fiber array unit (FAU) — групповой волоконный коннектор. Он представляет собой стеклянную гребенку, в канавки которой уложено нужное количество оптических волокон. Гребенка изготавливается с высокой точностью, и уложенные волокна очень точно выравниваются по высоте и по расстоянию между сердцевинами оптических волокон. Волноводы на кристалле, в свою очередь, также с высокой точностью выведены на торец кристалла. Групповой коннектор позволяет за одну операцию присоединить до 128 волокон. При этом размер волновода в оксиде кремния на чипе ФИС составляет порядка 3х3 мкм, а размер сердцевины одномодового оптоволокна — 9 мкм, и сигнал при вводе-выводе в/из волновода испытывает существенные потери.

Для уменьшения этих потерь в объеме кристалла формируются специально спроектированные конвертеры — тейперы, позволяющие максимально собрать и завести в кристалл излучение из волновода и эффективно преобразовать основную гауссову моду в волокне в гауссову моду в волноводе с минимальными потерями. При этом, даже с учетом всех этих усилий, потери на ввод-вывод излучения составляют существенную долю суммарных потерь в ФИС. Пример такого тейпера представлен на рисунке ниже, где показаны только функциональные элементы, сформированные в толще кристалла кремния, а сам окружающий кремний не показан.

Другой способ заведения излучения в волновод на кристалле — это брэгговские каплеры (bragg grating coupler). Волокно подводится под углом к поверхности кристалла и направляется на концентрическую брэгговскую решетку, сформированную на конце планарного волновода (на рисунках ниже). Излучение попадает на решетку и преобразуется в основную моду в волноводе. Недостатком такого способа можно считать отсутствие группового метода подсоединения.

	;

Примеры оптических компонентов систем КРК в интегральном исполнении

И в России, и за рубежом уже существует достаточно много научных публикаций про применение ФИС в системах КРК, а также с реализациями систем КРК на ФИС практически целиком.

Система КРК на основе ФИС в самом общем виде должна включать на стороне передатчика (рисунок ниже):

• лазерный источник;
• ФИС для формирования набора квантовых состояний («Алиса»);
• генератор случайных чисел (ГСЧ);
• электронику для управления ФИС;

и на стороне приемника:

• ФИС для детектирования квантовых состояний («Боб»);
• ГСЧ;
• электронику для управления ФИС;
• однофотонные детекторы.

Генератор случайных чисел является отдельным блоком. Источники и детекторы также являются отдельными блоками и отвечают, соответственно, за формирование квантовых состояний на стороне Алисы и их измерение на стороне Боба. На начальном этапе пока не стоит задачи интегрировать источники и детекторы на ФИС, хотя в более далекой перспективе, это, конечно, желательно. Также в перспективе схема управления может быть выполнена в виде гибридной интегральной схемы или специализированной микросхемы c оптическими и электрическими элементами управления. 

В России ведутся разработки интегральных источников излучения для систем КРК на ФИС, но пока они находятся в стадии научно-исследовательских работ, поэтому их горизонт внедрения не ранее 2027 года. Кроме того, в рамках дорожной карты РЖД предусмотрена интеграция источника излучения на ФИС. Также уже разработаны полупроводниковые однофотонные детекторы и планируется постановка их на производство в виде дискретного элемента (например, работы ведутся в Институте полупроводников им. Ржанова). При этом, во всех перечисленных случаях ФИС должна управляться с помощью внешней электронной схемы. Для полной реализации интегральных передатчика и приемника системы КРК в виде ФИС вместе с детекторами, источниками, ГСЧ и схемой управления предстоит проделать много работы.

За рубежом уже производятся и коммерчески доступны приемники и передатчики для систем КРК на основе ФИС, собранные методами гибридной сборки. Пример таких устройств показан на рисунке ниже.

В качестве примера реализации системы КРК на ФИС приведем работу [14]. В ней на базе ФИС реализуется квантовый протокол с фазовым кодированием и контрольными состояниями и, в принципе, могут быть реализованы и другие протоколы с фазовым кодированием. При этом авторы работы используют интегрированный на чипе источник излучения, а однофотонные детекторы — внешние. Данный подход представляется весьма перспективным. Следует обратить внимание на то, что под Алисой и Бобом авторы обозначают не все изделие целиком, а только ФИС для кодирования и декодирования квантовых состояний.

Макет ФИС для системы КРК, выполненный в ЗНТЦ

Зеленоградский Нанотехнологический Центр совместно с компанией «ИнфоТеКС» разрабатывает и испытывает элементную базу для систем КРК. В частности, в 2024 году был разработан макет ФИС с интегральной реализацией интерферометра Маха-Цендера, являющегося ключевым элементом систем КРК с фазовым кодированием, показанный на рисунках ниже [15].

Реализована линия задержки 4,1 нс на длине волны 1550 мкм, при этом измерения на исследовательских испытаниях проводились с точностью 40 пс. Были получены обнадеживающие предварительные результаты. Для использования в коммерческих изделиях необходимо, чтобы интерферометр сохранял поляризацию и имел небольшие оптические потери. По итогам испытаний запланирован ряд усовершенствований для достижения целевых характеристик. Ожидается, что при промышленном производстве будут достигнуты высокая точность и воспроизводимость параметров интегральных интерферометров.

Заключение

Мировая тенденция развития систем КРК заключается в интеграции на ФИС основных элементов КРК: фотонных источников, детекторов, интерферометров, генераторов случайных чисел и элементов управления и формирования квантовых состояний. В России реализуется государственная стратегия развития квантовых технологий, что позволяет даже в сложных обстоятельствах реализовывать крупные проекты, такие как создание сети КРК на российском оборудовании в масштабах страны. В то же время, в вопросах интегральной оптики и производства ФИС для систем КРК есть существенное отставание от лидеров. Эта задача решается на государственном уровне: реализуются несколько государственных программ, включающих задачи развития интегральной фотоники. В ближайшее время в России планируется освоить несколько технологий производства ФИС, открыть предприятия по их производству и внедрить российские ФИС в отечественные изделия.

Чего хотят потребители:

• Сервис ФИС для внешнего потребителя (в т. ч. на основе библиотек компонентов);
• Интеграция разных элементов технологий и материалов на ФИС;
• Изделия для систем КРК на ФИС в готовом виде.

Что надо делать:

• Осваивать новые материалы и новые технологии для ФИС;
• Производить отечественное оборудование для производства ФИС;
• Разрабатывать специализированное ПО и создавать библиотеки компонентов;
• Реализовывать многопользовательские проекты;
• Развивать образовательные программы и студенческие проекты «в железе».