Фотонные интегральные схемы для систем квантового распределения ключей. Часть 1
Что такое фотонные интегральные схемы?
Фотонными интегральными схемами (ФИС) называются микросхемы, обрабатывающие оптические сигналы и содержащие более одного оптического элемента. Классическим примером ФИС являются полупроводниковые лазеры с брэгговским резонатором. В настоящее время фотонные схемы могут насчитывать сотни элементов и могут производить достаточно сложные операции как с телекоммуникационными потоками данных, так и с одиночными фотонами. Плотность интеграции элементов постоянно растет, и функциональность ФИС также возрастает.
Зачем развивать технологии ФИС?
Интегральная фотоника развивается в мире и в России весьма стремительно. Фактически, оптические интегральные технологии проходят сейчас тот же путь, который проходила когда-то кремниевая микроэлектроника. Привлекательность использования ФИС и мотивация к развитию технологий определяется по сути теми же стимулами, что и у микроэлектронных интегральных схем: повышение плотности интеграции, тиражность, технологичность и воспроизводимость (повторяемость), расширение функциональности, миниатюризация и удешевление единицы продукции. В ближайшей перспективе развитие технологий ФИС позволит заменять довольно объемные, дорогие и технически сложные оптоэлектронные системы, собранные на дискретных оптических и оптомеханических компонентах, компактными и дешевыми интегральными фотонными чипами. Естественное следствие этого развития — освоение новых областей применения и новых рынков.
Рассмотрим применение ФИС в системах квантового распределения ключей (КРК). Довольно объемная и сложная в настройке оптическая схема системы КРК может скоро стать компактной ненастраиваемой ФИС, а стоимость защиты информации с помощью технологии КРК станет близка к стоимости защиты информации с помощью классических (неквантовых) средств криптографической защиты информации, что позволит расширить область применения технологии КРК на все более массовые изделия.
Миниатюризация и удешевление в перспективе позволят внедрять ФИС в более компактные и массовые конечные устройства, такие как транспортные средства, беспилотные авиационные системы, камеры наблюдения, носимые пользовательские устройства, включая мобильные телефоны, планшеты, банковские карты, карты систем контроля и управления доступом и другое. Технология КРК в случае предельной миниатюризации и повсеместного использования может стать стандартом для некомпрометируемых криптографических коммуникаций.
Основные направления развития ФИС
Наиболее популярной в настоящий момент сферой применения ФИС является телекоммуникационное оборудование: трансиверы и ресиверы, усилители, а также DWDM-оборудование. Телекоммуникационные ФИС предназначены для достаточно мощных сигналов и потому предъявляют высокие требования к материалам, но зато относительно лояльны к потерям, так как могут содержать усилительные компоненты, восстанавливающие сигнал до удобного уровня, или же просто передавать выходные сигналы во внешние усилители. Стремление снизить потери, конечно, остается, но оно обусловлено лимитами на энергопотребление и тепловыделение (теплоотвод).
Другое направление развития ФИС, также относимое к телекоммуникациям, которому мы уделим ниже основное внимание — это ФИС для систем КРК, которые обрабатывают сигналы малой мощности и к ним предъявляются совершенно иные требования. В коммерчески доступных в России на сегодняшний день системах КРК российского производства используется обмен однофотонными состояниями, поэтому такие ФИС очень требовательны к потерям. Кроме того, в системах квантовой криптографии запрещено использование активных преобразующих элементов, разрушающих квантовое состояние фотонов (проходных усилителей, плазмонных преобразователей и т. д.)
ФИС также используются в биомедицине, сенсорике (оптические датчики, лидары) и метрологии. Ведущие производители процессоров уже объявили о начале разработки оптических шин данных для связи классических кремниевых чипов внутри чиплетов или чипсетов, чтобы заменить сотни электрических проводников и контактов несколькими оптическими волноводами с высокой плотностью передачи данных и низким тепловыделением. Подобные оптические шины данных давно используются в дата-центрах для коммуникации между секциями и модулями, а также в транспортных средствах для обеспечения бортовой связи и передачи данных. Регулярно устанавливаемые рекорды скорости передачи данных по одному стандартному оптическому волокну уже измеряются в десятках петабайт в секунду. Существует отдельный класс ФИС для сверхвысоких частот и плазмоники.
Технологии ФИС, материалы для ФИС
В настоящее время у нас в стране разрабатываются ФИС на основе технологий «кремниевой фотоники», использующих материалы на основе кремния: SiO2, Si3N4, SiON, SOI и другие. Подробно прочесть об успехах кремниевой фотоники можно в обзоре [1].
Активно исследуются полупроводниковые материалы для ФИС: InP, GaN, GaAs и прочие материалы типа A3B5 (AIIIBV — соединения элементов III группы с элементами V группы), отличающиеся высокими коэффициентами преломления, столь желанными для ФИС, да еще и при небольших потерях. Их преимуществом является потенциальная возможность вырастить качественные источники фотонов на том же чипе, а в рамках технологий на основе кремния этого пока не получается.
Также в ФИС используют пленки синтетического алмаза, которые имеют высокий коэффициент преломления, высокую химическую стабильность, широкий спектр пропускания, высокую теплопроводность и низкий коэффициент линейного расширения. Кроме них используют полимерные пленки и сформированные в них волноводы, а основным преимуществом полимерных материалов является их технологичность.
Разрабатываются и производятся ФИС на основе ниобата лития (LiNbO3) и аналогичных материалов с нелинейными оптическими свойствами. Благодаря большим значениям электрооптических коэффициентов, ниобат лития используется для создания оптических амплитудных/фазовых модуляторов, ячеек Поккельса, модуляторов добротности для лазеров. На пленках ниобата лития (и им подобных) возможно формирование волноводов и прочих элементов путем локальной поляризации материала, что позволяет реализовывать достаточно сложные оптические схемы. Также на основе ниобата лития производят преобразователи излучения на эффектах спонтанного параметрического рассеяния и четырехволнового смещения, в том числе источники пар запутанных фотонов.
Разработано значительное количество материалов, технологий и техпроцессов для ФИС. В статьях [2, 3] приводится таблица сравнения оптических свойств распространенных материалов для ФИС и ключевых технологических решений на их основе.

Сегодня пока нельзя утверждать, что какой-то из материалов для ФИС имеет однозначное преимущество перед другими. Наилучшим решением на текущий момент будет реализация оптических компонентов на различных технологиях, а чипы, выполненные по различным технологиям, могут быть объединены в единое изделие методами гибридной сборки.
В то же время постоянно разрабатываются новые материалы и техпроцессы, а характеристики отдельных элементов в рамках разработанных техпроцессов постоянно совершенствуются. Развитие технологий ФИС продолжается, и в ближайшем будущем мы можем ожидать много новых результатов.
Состояние технологии и рынка ФИС в мире
У производителей оптических схем существует естественное желание задействовать в их изготовлении основные преимущества микроэлектронных технологий — технологичность, тиражность, повторяемость при массовом выпуске и снижение стоимости единицы изделия. Вместе с этим есть общая тенденция к интеграции все большего количества оптических элементов в рамках одного изделия. Характеристики элементов ФИС также пока довольно далеки от их технологического предела. Наблюдается устойчивый рост как количества элементов на ФИС, так и улучшение их технических параметров.
Для объединения фотонных чипов активно используются гибридные технологии, позволяющие объединять элементы из различных материалов методами гибридной сборки. Оптические чипы можно монтировать на общей керамической или стеклянной подложке, стыковать друг с другом с помощью оптического волокна или торцами, или монтировать один чип на другой, подобно технологиям флип-чип и интерпозера в микроэлектронике. Также в состав микросборки можно добавлять классические микросхемы питания, управления и изготавливать полнофункциональное изделие с высокой степенью интеграции. В подобных случаях говорят о гибридных интегральных схемах или микросборках.
Ключевая задача для успешного применения ФИС в системах КРК — это уменьшение оптических потерь на чипе, а также при вводе и выводе излучения. На данном этапе развития технологий ФИС потери в интегральных волноводах определяются качеством стенок волновода, которое, в свою очередь, в первом приближении определяется технологической нормой техпроцесса. Чтобы уменьшить потери, разрабатываются специальные методы и применяются дополнительные технологические операции для сглаживания стенок волноводов. Поскольку минимальные технологические размеры элементов ФИС (размер волновода, размер зазора между волноводами) сравнимы с длинами волн обрабатываемого излучения, дополнительным мотиватором для развития технологий служит желание и возможность адаптировать для производства ФИС уже имеющееся и считающееся устаревшим микроэлектронное оборудование с крупными технологическими нормами (110 нм, 130 нм, 180 нм и выше). Для ФИС эти технологические нормы вполне актуальны, и парк уже имеющегося оборудования весьма широк. Прежде всего это касается кремниевой фотоники: техпроцессов на основе материалов SiO2, SiOGe, SiON, Si3N4, SOI и т. п.
С другой стороны, растущая индустрия ФИС способствует развитию самых современных микроэлектронных технологий, таких, например, как эпитаксиальный рост оптических слоев на материалах типа А3В5, графеновые технологии, разработка интегрируемых источников излучения и детекторов излучения.
Объем рынка ФИС в 2023 году оценивался в 13,43 млрд долларов США [4]. Прогнозируется более чем трехкратный рост мирового рынка ФИС к 2028 году, как ожидается, объем рынка ФИС достигнет 41,87 млрд долларов США. Среднегодовой темп роста (CAGR) составит 25,53% в течение прогнозируемого периода вплоть до 2028 года [4]. Уже можно говорить о подобии закона Мура для степени интеграции ФИС и для стоимости ФИС.

Продолжение читайте во второй части статьи.
Список литературы
[1] С.С. Косолобов, И.А. Пшеничнюк, К.Р. Тазиев, А.К. Земцова, Д.С. Земцов, А.С. Смирнов, Д.М. Жигунов, В.П. Драчев, Кремниевая интегральная фотоника, Успехи Физических Наук, https://doi.org/10.3367/UFNr.2024.09.039762
[2] В. Егоров, ООО «СМАРТС-Кванттелеком», Миниатюризация систем квантового распределения ключей с помощью фотонных интегральных схем, часть 1: Материалы. https://habr.com/ru/companies/quanttelecom/articles/794296/
[3] W. Luo, et al. "Recent progress in quantum photonic chips for quantum communication and internet", Light: Science & Applications v.12, 175 (2023). https://doi.org/10.1038/s41377-023-01173-8
[4] Анализ размера и доли рынка фотонных интегральных схем — тенденции роста и прогнозы (2024–2029 гг.) Mordor Intelligence™ Industry Reports.
Подпишитесь на рассылку, чтобы не пропустить все самое интересное
Подписаться