Сенсорные системы на основе устройств интегральной фотоники

Тема «Разработка принципов и технических методов реализации устройств интегральной фотоники для сенсорных систем». Объектами исследования являются конструкции фотонных интегральных схем (ФИС), применяемых в составе сенсорных систем, в устройствах оптической когерентной томографии (ОКТ), в составе устройств вычислительной фотоники. Целью проекта является разработка принципов построения и применения ФИС в сенсорных системах для качественного повышения их энергоэффективности, быстродействия и компактности составляющих устройств. Разработана численная модель детектора опасных газов на основе микрокольцевого резонатора, выполненного на платформе нитрид кремния. Структура способна определять наличие в газовой смеси следующих соединений: угарного газа, моноксида азота, сероводорода, бензола, паров ртути, тетрахлорметана. Несмотря на некоторые ограничения по различению газов, разработка имеет перспективы и может быть полезна в промышленности. Предложена и численно верифицирована модель многоканальной сенсорной системы на платформе нитрид кремния для рефрактометрического анализа жидких сред в микрофлюидных системах «лаборатория-на-кристалле» (подана заявка на патент на изобретение). Переход на платформу нитрид кремния позволяет использовать более узкополосные источники лазерного излучения (с шириной полосы до 3 нм) и реализовать формирователь опрашивающего сигнала на основе интерферометра Маха-Цендера, что позволяет обеспечить компромисс между динамическим диапазоном регистрируемых длин волн резонансных датчиков и чувствительностью сенсорной системы в целом. Разработан алгоритм оптимизации излучателей оптических пучков, переносящих орбитальный угловой момент, на основе микрокольцевых резонаторов, позволяющий избежать паразитной амплитудной модуляции при приеме вихревого оптического излучения. Разработана численная модель перестраиваемого излучателя оптических пучков, переносящих орбитальный угловой момент, на основе микрокольцевого резонатора, выполненного на платформе «кремний-на-изоляторе», с периодической структурой на кольцевом волноводе. Изменение порядка орбитального углового момента достигается нанесением на кольцевой волновод материала с изменяющимся фазовым состоянием. В части разработки устройств интеррогации в интегральном исполнении за отчетный период для разработанной ранее численной модели сенсорной системы на платформе кремний-на-изоляторе с использованием оптоэлектронного осциллятора исследованы способы повышения эффективности осциллятора на основе различных типов фазовых модуляторов. Показано, что осциллятор на основе фазовращателя может иметь преимущество в сенсорной системе как более простое в изготовлении устройство. Совместно с КНИТУ-КАИ проведена экспериментальная верификация разработанных ранее численных моделей оптоэлектронного осциллятора; выявлены влияющие на частоту осциллятора факторы. Ведется проработка возможностей технологических партнеров для производства полностью отечественного интегрального оптоэлектронного осциллятора. В части реализации на ФИС элементов системы ОКТ в отчетном периоде продолжена работа по разработке вычислительных моделей ФИС для ОКТ с перестраиваемым источником, работающих в диапазоне 1310 нм и отличающихся повышенной степенью интеграцией элементов на ФИС. Разработана и численно верифицирована топология ФИС на базе платформы нитрид кремния с опорным плечом, управляемым за счет применения термооптического эффекта, для увеличения глубины сканирования исследуемого образца. Также разработана топология ФИС с многоканальной системой сбора обратнорассеянного излучения, реализованная путем пространственного разделением каналов в плече образца схемы, позволяющая кратно увеличить скорость получения диагностических данных. Проведено экспериментальное тестирование двух экземпляров ФИС, изготовленных на платформе «нитрид кремния» в соответствии с разработанной на предыдущем этапе проекта топологией. Получены результаты измерения вносимых потерь для всех компонентов системы и спектральной характеристики пропускания для резонансных структур. Определены нуждающиеся в усовершенствовании аспекты технологического процесса, которые предполагается применить при изготовлении следующих производственных партий ФИС. Для увеличения обобщающей способности разрабатываемых алгоритмов обработки ОКТ снимков с целью реализации систем поддержки клинических решений был создан конвейер предобработки входных данных на основе выводов систематического обзора уже существующих решений. Также был разработан алгоритм для снижения рабочей нагрузки на врача, который упрощает процесс выделения биомаркеров заболеваний. Данный алгоритм продемонстрировал высокую эффективность в распознавании возрастной макулярной дегенерации на ОКТ-снимках, превзойдя результаты наших предыдущих разработок в специфичности и чувствительности. В части применения технологий интегральной фотоники для оптических методов обработки информации разработана численная модель оптоэлектронной цепи, структура которой реализует функционал нейросети, осуществляющей групповую координированную обработку однотипных сигналов. Модель включает в себя несколько нейронов и простейшую оптическую реализацию функции активации на основе двух микрокольцевых резонаторов, нелинейный участок спектральной характеристики резонаторов используется в качестве сигмоиды. Модель показывает высокую корреляцию между программно-определяемым выходным значением нейросети и результатом моделирования оптического вычислителя. Также исследована численная модель, реализующая оптическую функцию активации типа «сигмоида» на основе интерферомета Маха-Цендера. Посредством численного моделирования показано, что функция передачи предложенной схемы соответствует заданному типу. Структура отчета научно-исследовательской работы включает: введение, основную часть, заключение, список использованных источников, приложение. Заявленные результаты в рамках данного этапа выполнения НИР достигнуты.