Развитие элементной базы микроволновой фотоники

Темп развития современных систем обработки информации (дата-центров, "облачных" приложений, смарт-устройств) в настоящий момент ограничен быстродействием микроэлектронных схем (не только из-за предела миниатюризации, но и вследствие перегрева устройств). Революционным прорывом в повышении скорости обработки информации должен стать переход от микроэлектронных к интегральным оптоэлектронным устройствам. Преимуществом последних является не только широкая полоса пропускания (ТГц и выше), быстрота переключения, но и малое энергопотребление. Этими причинами обусловлено интенсивное развитие "кремниевой фотоники" – оптоэлектронных схем на основе интегральных волноводных структур из Si, SiO2 и Si3N4. Достоинством таких схем является совместимость со стандартными CMOS структурами и возможность реализации на единой интегральной платформе с полупроводниковыми лазерами. Базисными элементами оптоэлектронных схем являются резонаторы, выполненные на основе волноводов с поперечным размером в сотни нм. Такие резонаторы могут быть использованы как для фильтрации оптических сигналов, так и для генерации, модуляции лазерного излучения с последующим процессингом, реализуемым непосредственно в интегральной структуре средствами нелинейной оптики. Импульсные лазеры с пассивной синхронизацией мод (генераторы оптического гребенчатого спектра (ОГС)) и лазеры с узкой линией генерации являются основными оптическими генераторами, используемыми в интегральных микрочипах, выполняющих функции как генерации, так и анализа радиочастотных сигналов. Изучение физических механизмов, лежащих в основе этих процессов, реализация генератора оптического гребенчатого спектра и одночастотного (двухчастотного) генератора узкополосного лазерного излучения на кольцевых резонансных структурах нитрида кремния, изготавливаемых в НПК “Технологический центр”, г. Зеленоград, являются приоритетными задачами данного проекта. Хотя интегральные платформы имеют большой потенциал для разработки сверхбыстрых источников с прямым электрическим управлением, для большинства приложений, где важны оптическая ширина полосы генерации, форма импульса и масштабируемость мощности, волоконные лазеры остаются серьезной альтернативой. Стабилизация генерации лазера в режиме гармонической синхронизации мод является особо актуальной задачей, поскольку значительный джиттер (флуктуации периода следования) импульсов, характерный для лазеров этого типа, ограничивает их практическое использование. В проекте будут изучены новые механизмы самостабилизации лазеров, в частности, на основе недавно обнаруженого нами эффекта подавления супермодового шума при резонансном взаимодействии импульсного и непрерывного излучения в лазерном резонаторе. Это позволит получить генерацию импульсов с частотой повторения до 10 ГГц с предельно низким уровнем супермодового шума (менее -45 дБ) и полосой радиочастотного спектра < 100 Гц. Кроме того, с целью достижения генерации гребенчатого спектра с частотами более 100 ГГц в проекте будет изучены конфигурации лазеров с использованием высокодобротного микрорезонатора как селективного внутрирезонаторного элемента, обеспечивающего режим гармонической синхронизации мод волоконного резонатора через механизм диссипативного четырехволнового смешения, а также конфигурации на основе микрорезонаторов, обладающих одновременно оптическими и акустическими высокодобротными резонансами. Помимо этого будут изучены альтернативные механизмы гармонической синхронизации мод (волоконные элементы с покрытием нанотрубками). Таким образом, основными направлениями проекта станут: 1) Нелинейная оптика волоконных и волноводных структур; 2) интегральные и гибридные волоконно-волноводные структуры; 3) конфигурации лазеров на их основе, формирующие элементную базу современной микроволновой фотоники.