Интегральная реализация элементов аналоговых оптических трактов на платформе кремний-на-изоляторе для фотонных аналого-цифровых систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Земцов Даниил Сергеевич

• Земцов Даниил Сергеевич
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Земцов Даниил Сергеевич

Введение

Глава 1. Современные достижения в обработке сигналов фотонными аналого-цифровыми системами и их

миниатюризации

1.1 Современные возможности и потребности фотонных аналого-цифровых систем

1.2 Аналого-цифровое преобазование с оптической дискретизацией

1.3 Миниатюрные системы - современное состояние

1.4 Элементы и проблемы миниатюризации

1.4.1 Интерфейсы связи волоконной и интегральной оптики

1.4.2 Спектрально-селективные устройства

1.4.3 Кольцевой резонатор

1.4.4 Модулирующие устройства

1.5 Выводы

Глава 2. Расчет основных элементов интегральной фотоники

2.1 Модовые индексы

2.2 Стыковка оптического волокна и интегрального волновода

2.2.1 Классические решетки

2.2.2 Решетки для вертикальной стыковки

2.2.3 Решетки на толстом кремнии

2.2.4 Плазмонные решетки

2.3 Микрокольцевой резонатор

2.4 Термооптическая модуляция

2.5 Упорядоченная волноводная решетка

2.6 Принцип работы и расчет электроабсорбционного плазмонного модулятора

2.7 Выводы

Глава 3. Фабрикация кремниевой интегральной фотоники

3.1 Подготовка к электронно-лучевой литографии

3.2 Электронно-лучевая литография

3.3 Коррекция дозы

3.4 Постлитографический процесс

3.5 Процессы планаризации и электронно-лучевого осаждения

3.6 Связь с интегральным фотонным чипом в оптических системах

3.7 Технологический процесс изготовления плазмонного электроабсорбционного модулятора

3.8 Выводы

Глава 4. Характеризация интегральных фотонных устройств

4.1 Интерфейс стыковки волокна и волновода

4.2 Упорядоченная волноводная решетка и кольцевой резонатор в интеррогаторе

4.2.1 Интегральный оптический микроспектрометр

4.2.2 Интеррогация ВБР интегральным микроспектрометром

4.2.3 Динамика микроспектрометра

4.3 Электроабсорбционный плазмонный модулятор

4.4 Выводы

Глава 5. Методы оптимизации в задачах оптической выборки

5.1 Равномерная оптическая дискретизация

5.2 Апериодическая оптическая дискретизация - сжатая выборка

5.3 Выводы

Заключение

Список литературы

Список рисунков

Список таблиц

Список терминов, сокращений и условных обозначений

Каплинг (от Coupling) - связь, согласование, стыковка.

Вейфер (от Wafer) - пластина большого диаметра, конфигурация которой во всех местах соответствует используемой платформе интегральной оптики.

Зонд - устройство, предназначенное для точечной подачи сигнала генератора (оптического или электрического) на чип.

Сплиттер (от Splitter) - разветвитель.

Каплер (от Coupler) - сумматор, объединитель, связыватель. Иногда под каплером понимают стыковочный элемент, например, торцевой каплер.

Слэб (от Slab) - двумерный волновод, ограниченный по одной из координатных осей.

ФИС - Фотонная интегральная система.

SOI - Silicon on Insulator, конфигурация основы чипа, включающая в себя кремниевую подложку, слой SiO2 и слой кристаллического кремния.

SOS - Silica on Silicon, конфигурация основы чипа, включающая в себя кремниевую подложку и слой кристалличееского SiO2.

LNOI - Lithium Niobate on Insulator, конфигурация основы чипа, включающая в себя слой SiO2 и рабочий слой ниобата лития.

WDM - Wavelength Division Multiplexing, технология уплотнения передаваемой информации в параллельные каналы.

BOX - Buried Oxide, слой оксида под рабочим слоем кремния на платформе кремний на изоляторе.

FDTD - алгоритм решения систем дифференциальных уравнений методом конечных разностей во временной области.

ОСД - область свободной дисперсии.

АОТ - аналоговый оптический тракт.

АЦП - аналого-цифровой преобразователь.

ITO - Indium Tin Oxide, прозрачный проводящий материал, представляющий собой оксид индия и олова.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Интегральная реализация элементов аналоговых оптических трактов на платформе кремний-на-изоляторе для фотонных аналого-цифровых систем»

Введение

В настоящее время взаимосвязанные проблемы миниатюризации фотонных систем и создания эффективных методов обработки сигналов в них имеют важное научное и практическое значение. Особый интерес к решению этих вопросов обусловлен задачами построения аналого-цифровых систем микроволновой фотоники. Благодаря характеристикам доступных компонентов микроволновой фотоники были продемонстрированы аналого-цифровые системы, позволяющие формировать, передавать и обрабатывать сигналы в полосе более 100 ГГц. Ключевое значение приобрели устройства, осуществляющие оптическую выборку на основе широкополосных высокостабильных оптических источников [1]. Системы на основе фемтосекундных лазеров, работающих в режиме синхронизации мод, или генераторов оптической гребенки на настоящий момент демонстрируют выдающиеся характеристики по временной стабильности и, в частности, обеспечивают джиттер на уровне десятков аттосекунд [2], что является практически недостижимым показателем для электронных систем выборки. Системы, использующие методы оптической выборки, продемонстрировали до 8 эффективных бит разрешения в гигагерцовой полосе на высокочастотных несущих диапазонов до Q [3]. Фотонные аналого-цифровые системы, построенные на дискретных оптоволоконных компонентах, обычно являются габаритными приборами, что серьезно ограничивает их практическое использование. В связи с этим на рубеже 2000-х годов в мире сформировалось активно развивающееся научное направление интегральная микроволновая фотоника, основной целью которого является миниатюризация компонентов фотонных систем, достигающаяся благодаря интегральному исполнению [4—6]. Значительное уменьшение размеров возможно при использовании кремниевых фотонных интегральных схем. Главным образом миниатюрными стараются сделать лазеры, демультиплексоры, разветвители, модуляторы и фотодетекторы. Значительный прогресс в кремниевой фотонике открывает возможности для ультракомпактной реализации узлов аналоговых оптических трактов, являющихся, по сути, основным элементом любой системы микроволновой фотоники. Сильный научный и практический интерес вызван некоторыми интегральными устройствами, механизм работы которых кардинально отличается от аналогичных во-

локонных устройств. Речь идет об устройствах, в которых сочетается сильная локализация поля плазмонной моды и особые активные материалы. В области создания миниатюрных кремниевых плазмонных модуляторов уже известно некоторое количество успешных работ [7; 8], однако нерешенными остаются задачи достижения широкой полосы модуляции при технологичности подобных устройств. Помимо задач миниатюризации фотонных аналого-цифровых систем существуют проблемы обработки потока данных на их выходе. Фотонные аналого-цифровые системы имеют выходной поток данных, скорость которого может составлять несколько сотен гигабит в секунду. Широкая полоса аналогового оптического тракта вкупе со сложностью интегрального исполнения его ключевых элементов требует адекватных методов обработки сигналов. Вышеуказанные обстоятельства определяют актуальность настоящей работы.

Целью работы является создание на платформе кремний-на-изоляторе основных элементов интегральных аналоговых оптических трактов: решетки, стыкующей волновод с оптическим волокном, широкополосного модулятора, температурно перестраиваемого кольцевого резонатора и упорядоченной вол-новодной решетки, апробация этих устройств в составе фотонных аналого-цифровых систем, а также создание методов, оптимизирующих равномерную и псевдослучайную оптическую дискретизацию в фотонных аналого-цифровых системах.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Реализация равномерной оптической дискретизации в фотонной аналого-цифровой системе и исследование возможности использования апериодической дискретизации в таких системах.

2. Создание метода расчета и экспериментальная реализация высокоэффективных широкополосных интегральных кремниевых решеток для ввода и вывода излучения через оптическое волокно.

3. Разработка интегрального оптического микроспектрометра на основе температурно перестраиваемого микрокольцевого резонатора в составе фотонной аналого-цифровой системы опроса волоконно-оптических датчиков.

4. Создание и характеризация в составе аналогового оптического тракта микроразмерного широкополосного электрооптического плазмонно-го модулятора, размещаемого на кремниевом волноводе.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Компенсация задержек в спектральных каналах десериализации оптических сигналов позволяет обеспечить скорость выборки фотонного АЦП с оптической дискретизацией и электронным квантованием 10 Гвыб/с при диапазоне обрабатываемых радиосигналов до 20 ГГц.

2. Основанный на численной оптимизации метод расчета дифракционных решеток для стыковки оптического волокна и фотонной интегральной схемы обеспечивает достижение эффективности ввода/вывода для платформы кремний-на-изоляторе с толщиной рабочего слоя кремния 220 нм лучше -3 дБ при полосе пропускания более 60 нм по уровню -1 дБ.

3. Разработанный интегральный микроспектрометр обеспечивает измерение узкополосного оптического спектра в диапазоне до 40 нм с частотой до 150 кГц при достигнутой средней скорости термооптической перестройки резонанса микрокольцевого резонатора 2.2 нм/мкс.

4. Созданный интерфейс связи фотонной и плазмонной мод в модуляторе на основе оксида индия олова позволяет с экстинкцией до 1.8 дБ при напряжениях от -3 до 2 В и шириной полосы модуляции более 40 ГГц по уровню -2 дБ модулировать интенсивность излучения ТЕ волноводной моды.

5. Использование метода сжатой выборки, минимизирующего Ц-норму радиочастотного спектра, обеспечивает восстановление сигнала в полосе 5 ГГц, дискретизированного псевдослучайным образом с эффективной скоростью выборки 0.5 Гвыб/с.

Научная новизна:

1. Решетки, созданные с применением разработанного метода на основе инверсного дизайна, предназначенные для стыковки оптического волокна и интегрального волновода, впервые показали эффективность связи -2.64 дБ при полосе 67 нм по уровню -1 дБ для кремния толщиной 220 нм.

2. Рассчитаны параметры плазмонной решетки, работающей в С+Ь диапазоне и впервые для равномерной геометрии позволившей перенаправить с эффективностью -3.4 дБ излучение оптического волокна в поверхностную плазмонную моду золотого волновода.

3. Разработан, изготовлен и исследован интегральный плазмонный модулятор нового типа на основе 1ТО, аналоговый отклик изготовленного модулятора имеет ширину полосы пропускания более 40 ГГц по уровню -2 дБ.

4. Применение впервые предложенного метода цифровой оптимизации по радиочастотному спектру сигнала схемы генерации дискретной муль-тиспектральной последовательности выборки семплирующего аналогового оптического тракта с цифровой обратной связью обеспечивает точность выравнивания следования импульсов выборки не хуже 1 пс.

Практическая значимость диссертации заключается в создании уникальных интегральных оптических устройств, методов их теоретического описания и экспериментальной характеризации, а также демонстрации работы этих устройств в составе аналоговых оптических трактов. Представленные в работе результаты могут быть использованы в задачах оптической обработки и передачи сигналов, в оптических вычислительных системах, а также в широком спектре задач, связанных со спектральным анализом в ближнем ИК диапазоне. Практическая значимость представленных исследований подтверждена патентом на изобретение [9]. С использованием результатов исследований, описанных в диссертации, были выполнены или выполняются на момент написания диссертации следующие проекты:

1. Проект ЦК НТИ «Фотоника» НИОКТР «Создание технологии производства компактных анализаторов сигналов волоконно-оптических датчиков на основе интегральной фотоники и волоконной оптики»

2. НИР «Разработка технологий и компонентов интегральной сверхвысокочастотной радиофотоники на основе кремниевых МОП структур с внедренным слоем 1ТО» в рамках комплексного проекта «Разработка технологий и компонентов интегральной сверхвысокочастотной радиофотоники» Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Уникальный идентификатор проекта КРМЕР158117Х0026.

3. СЧ НИР шифр «Синтез-МИФИ».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях:

1. VII Международная конференция по фотонике и информационной оптике 2018;

2. VII Международная молодежная научная школа-конференция 2018;

3. XVI Всероссийский молодежный Самарский конкурс-конференция научных работ по оптике и лазерной физике 2018;

4. X Международная конференция "Фундаментальные проблемы оптики - 2018";

5. VIII Международная конференция по фотонике и информационной оптике 2019;

6. IX Международная конференция по фотонике и информационной оптике - 2020;

7. Всероссийская конференция по волоконной оптике 2021;

8. 10-ый Международный семинар по волоконным лазерам 2022;

9. Научно-техническая конференция «Дальняя радиолокация на службе отечеству» 2022;

10. XII Международная конференция по фотонике и информационной оптике 2023.

11. Всероссийская конференция по волоконной оптике 2023;

Всего по теме диссертации было представлено и опубликовано в качестве материалов конференции 14 докладов.

Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 9 рецензируемых печатных изданиях [10—18], 5 из которых изданы в журналах, входящих в базы данных Scopus / Web of Science [10; 13—16], в том числе 2 в журналах уровня Q1 [10; 15], 1 в журнале уровня Q2 [14], 1 в журнале уровня Q3 [13] и 1 в журнале уровня Q4 [16]; 4 статьи изданы в журналах, рекомендованных ВАК [11; 12; 17; 18]. Также 1 публикация является патентом Российской Федерации [9].

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Полный объём диссертации составляет 150 страниц с 66 рисунками и 1 таблицей. Список литературы содержит 105 наименований.

Глава 1. Современные достижения в обработке сигналов фотонными аналого-цифровыми системами и их миниатюризации

Аналого-цифровая система представляет собой устройство, на вход которого поступает аналоговый сигнал, который преобразуется в цифровой на выходе системы. Современные информационные технологии работают в цифровом формате, поэтому для обработки большая часть сигналов требует оцифровки. Применение оптических технологий позволяет перевести различные аналоговые сигналы в оптическую область и обработать их перед оцифровкой, пользуясь оптическими методами и устройствами. Фотонная аналого-цифровая система представляет собой устройство, в котором сигнал, представляющий интерес, переносится на оптическую несущую, при необходимости модифицируется в оптической области, а затем фотодетектируется, после чего оцифровывается электронным методом. Основной элемент любой фотонной аналого-цифровой системы - аналоговый оптический тракт (АОТ). Обобщенная схема фотонной аналого-цифровой системы изображена на рисунке 1.1, где аналоговый оптический такт представляет собой часть от лазера до фотодетектора [19].

Рисунок 1.1 — Обобщенная схема фотонной аналого-цифровой системы.

Обычно оптическая система, которая расположена перед модулятором, представляет собой устройство, которое формирует подходящее для модуляции и дальнейшей работы излучение. Это может быть набор спектральных фильтров, мультиканальное устройство или просто волновод, в случае, когда немо-дифицированного лазерного излучения достаточно. Под модулятором подразумевается устройство, которое может перевести интересующий сигнал в оптическую область, промодулировав одну или несколько характеристик света соответствующим образом. Исходный сигнал может быть электрическим, тогда

актуальна электрооптическая модуляция. Если исходный сигнал имеет другую природу, применяются специальные оптические датчики, позволяющие изменить свойства излучения в зависимости от температуры или иных возмущений среды. Наконец, аналоговый сигнал может быть оптическим, тогда под модулятором подразумевается нелинейная оптическая среда, которая изменяет свои свойства для лазерного излучения системы. Постмодуляционная оптическая система обычно выполняют функцию распределения в параллельные каналы или выделения определенных компонент промодулированного сигнала.

1.1 Современные возможности и потребности фотонных

аналого-цифровых систем

Существует два основных назначения фотонных аналого-цифровых систем как анализаторов сигналов - измерение характеристик входного сигнала в спектральной или во временной области. Принципиальное отличие этих типов устройств заключается в сохранении информации о фазе анализируемого сигнала. В случае измерения спектральной характеристики сигнала информация о фазе обычно теряется. При этом обработка сигнала во временной области подразумевает измерение сигнала с сохранением информации о фазе.

Современные анализаторы оптического спектра представляют собой коммерчески доступные настольные приборы, которые могут обеспечить разрешение оптического спектра до 0.08 пм при скорости сканирования более 20 нм/с [20]. Устройство, о котором идет речь, является одним из наиболее высокоразрешающих оптических анализаторов спектра на сегодняшний день. При этом заявленный динамический диапазон устройства составляет 80 дБ. Прибор работает на основе бриллюэновского рассеяния в С+Ь оптическом диапазоне. Фактически с появлением таких приборов высокоточный анализ оптического спектра является решенной задачей. Впрочем, высокая цена и сравнительно большие габариты делают такие настольные анализаторы спектра применимыми в основном как научное оборудование, используемое для высокоточных исследований и разработки оптических устройств.

Одним из популярных применений оптического анализатора спектра является обработка сигналов оптических датчиков. Классическая схема предполагает некоторое колическтво волоконно-оптических датчиков, расположенных в различных местах. Спектральные свойства оптического датчика на основе волоконного интерферометра или волоконной брэгговской решетки зависят от параметров среды, в которой расположен датчик. Изменение параметров среды приводит к изменению спектра отражения или пропускания сигнала волоконно-оптического датчика. Измеряя спектр сигнала, прошедшего через датчик или отраженного от него можно определить свойства среды. Это измерение осуществляет оптический анализатор спектра. Настольные анализаторы спектра, например ВОБЛ [20], справляются с задачей, но являются громоздкими, дорогостоящими и низкоскоростными приборами.

Аналого-цифровые фотонные системы, осуществляющие временную дискретизацию обрабатываемого сигнала, сохраняют информацию о фазе спектральных компонент сигнала. Такое устройство может применяться как генератор последовательности выборки в составе аналого-цифрового преобразователя [1]. Дискретизация анализируемого сигнала обычно происходит при помощи модуляции им оптической несущей, представляющей собой последовательность коротких оптических импульсов. Частотой дискретизации тогда оказывается частота следования оптических импульсов. Промодулированная импульсная последовательность подвержена квантованию, которое может осуществляться оптическими или электронными методами.

В случае анализа оптического спектра применение фотонных технологий не вызывает вопросов, однако АЦП традиционно представляют собой электронные устройства. Тем не менее в последние годы прогресс в области электронных АЦП столкнулся с несколькими приницпиальными трудностями, а именно с джиттером сигнала в полностью электронной системе обычно не менее 100 фс [21] и сравнительно узкой аналоговой полосой. Когда требуется обработать сигналы на частотах в несколько десятков гигагерц, джиттер, составляющий около сотни фемтосекунд для электронных систем, ограничивает динамический диапазон устройства. Оптические импульсные источники могут обладать джиттером менее 100 ас [2], что в сочетании с широкой и равномерной частотной полосой современных модуляторов позволяет обрабатывать сигналы с частота-

ми в десятки гигагерц и эффективной разрядностью до 8 бит и более в рамках мгновенной полосы системы [1; 3].

Обычно оптический генератор в составе устройства фотонной дискретизации - это лазер, работающий в режиме синхронизации мод (ЛСМ), использованный, например, в составе устройства [4] или генератор оптической гребенки на основе лазера с постоянным излучением амплитудного модулятора маха-ценде-ра и фазового модулятора (комб-генератор), использованный в [3]. Принципиальное требование для таких оптических генераторов - это стабильное по фазе и амплитуде распределение гармоник в оптическом спектре. Импульсный сигнал во временной области в таком случае - это результат интерференции этих гармоник. Работы [3; 4] доказывают, что оба источника могут позволить организовать высококачественную фотонную выборку, тем не менее ЛСМ, как источник, который обладает высоким качеством сигнала и не требует дополнительной РЧ аппаратуры, чаще используется разработчиками фотонных устройств дискретизации, чем комб-генератор.

Фотонные системы дискретизации могут быть очень широкополосными по отношению к анализируемому сигналу, тем не менее частота дискретизации, определяемая параметами излучателя и схемы формирования выборки ограничивает мгновенную полосу обработки. Для того, чтобы увеличить ее исследователи используют демультиплексирование по длине волны импульсного сигнала излучателя [4; 22]. Например, в [4] демультиплексирование сигнала по длине волны в два параллельных канала позволило увеличить частоту дискретизации с 1.05 Гвыб/с (ЛСМ с частотой 1.05 ГГц) до 2.1 Гвыб/с. В работе удалось продемонстрировать 7 эффективных бит при полосе пропускания устройства 41 ГГц. Авторы предполагают, что число каналов устройства может быть значительно больше для увеличения частоты дискретизации. Так в системе [22] другим коллективом авторов описано четырехканальное устройство, которое в сочетании с ЛСМ, обладающим частотой следования импульсов 10 ГГц, продемонстрировало 40 Гвыб/с. Несмотря на неплохой измеренный электронным образом джиттер лазера 20.9 фс ЭЧБ системы оказалось ограничено 6 в полосе 12 ГГц. С точки зрения "графика Уолдена"[21] джиттер используемого лазера мог позволить добиться 8 эффективных бит разрешения и даже больше. Авторы после математической компенсации продемонстрировали 8.5 эффективных бит в соответствии с предельным ЭЧБ для джиттера используемого источника.

Похожая ситуация с ЭЧБ описана в [23]. Двухканальная система продемонстрировала всего 4.6 эффективных бита на несущей 21.13 ГГц при том, что электронно измеренный джиттер ЛСМ составил 2 фс. Впрочем, после компенсации искажений сигнала нейросетевым методом авторы заявили 9.24 бита эффективного разрешения. Мгновенная полоса, однако, была сокращена с 5 ГГц до 50 МГц для того чтобы нейросетевые вычисления могли работать в режиме реального времени.

Публикации, в которых отсутствует мультиспектральное умножение частоты дискретизации часто демонстрируют более качественное аналого-цифровое преобразование. Например, в статье [3] продемонстрирован баланс свободных динамических диапазонов по шумам и по помехам за счет тонкой настройки глубины модуляции (глубина модуляции в работе 23% для модулятора, способного как минимум на 99%). К тонкой настройке прибора следует добавить, что авторы не были ограничены точностью синхронизации многоканального устройства, что помогло им продемонстрировать рекордные 8 эффективных бит на несущей 40 ГГц для мгновенной полосы 1 ГГц.

Все перечисленные устройства обладают выдающимися характеристиками по сравнению с электронными аналогами. Тем не менее габариты фотонных аналого-цифровых систем большие. Одна из основных задач современной микроволновой фотоники - стабильная и качественная реализация аналоговых систем в виде интегрального оптического устройства. Основные потребности современных аналоговых фотонных систем - повторяемые высококачественные пассивные и активные интегальные оптические устройства.

1.2 Аналого-цифровое преобазование с оптической дискретизацией

Оптическая дискретизация продемонстрирована в составе радиотехнической системы обработки сигналов Х-диапазона [13]. Устройство представляет собой фотонную систему дискретизации СВЧ сигналов при помощи высокостабильной последовательности оптических импульсов и электронную систему квантования промодулированной последовательности оптических импульсов. Подробно принцип работы, основывающийся на архитектуре дисперсионного

Рисунок 1.2 — Схема фотонного аналого-цифрового преобразователя: ГПВ -генератор последовательности выборки, ЛСМ - лазер с синхронизацией мод, ЭУ - эрбиевый усилитель, ОК - оптоволоконный кабель, ЗФ - зеркало Фара-дея, БВК - блок выборки и квантования, ММЦ - модулятор Маха-Цендера, КРТ - контроллер рабочей точки, ДМ -демультиплексор, БВСД - блок выравнивания сигнальных длин, ДФП дифференциальный фотоприемник, БФД -балансный фотодетектор, БЭО - блок электронной

обработки [13].

растяжения, настройка и характеризация этого устройства изложены в [13]. Схема созданного устройства изображена на рисунке 1.2.

В описываемой семплирующей фотонной аналого-цифровой системе ключевое значение имеет выравнивание задержек в каналах десериализации, которое происходит в оптическом волокне перед БВСД и непосредственно в самом БВСД. Выравнивание сигнальных задержек напрямую связано с равномерностью дискретизации сигнала по времени. Относительные задержки каналов ДМ компенсированы: с одной стороны, приблизительно - отрезками оптоволокна с точностью 50 пс, с другой, точно - блоком выравнивания сигнальных длин (БВСД) на основе перестраиваемых оптико-механических линий задержки (изготовлен фирмой "ОПТЭЛ", Москва), результирующая точность компенсации составляет около 10 пс.

Благодаря аккуратной настройке устройство успешно прошло полевые испытания. Схема впервые предложенной конфигурации радиотехнического устройства на основе оптической дискретизации изображена на рисунке 1.3 в левой части, а изготовленный экспериментальный образец фотонного АЦП изображен на рисунке 1.3 в правой части.

Рисунок 1.3 — Блок-схема (слева) и фото (справа) двухканальной радиотехнической системы на базе ФАЦП: ГПВ - генератор после-довательности выборки, БВК-1, БВК-2 - блоки выборки и квантования,

У - усилитель [13].

Система продемонстрировала скорость выборки 1.25 ГВыб/с в каждом из 8 балансных каналов, что соответствует суммарной скорости выборки 10 ГВыб/с системы целиком. Устройство благодаря многоканальному оптическому блоку дискретизации позволяет осуществлять аналого-цифровое преобразование сигналов в полосе 20 ГГц с мгновенной полосой 5 ГГц. При помощи двухтонового сигнала для АЦП с фотонной дискретизацией была определена эффективная разрядность на уровне 6.3 эффективных бита.

Важно уточнить, что сама по себе система с диспергирующей волоконной средой является не самой эффективной с точки зрения качества мультиспек-тральной выборки, потому что спектральное растяжение оптических импульсов не идеально коррелирует с демультиплесорами, десериализующими сигнал после модуляции. Намного более качественная дискретизация возможна, если использовать вместо катушки демультиплексор, спектр которого совпадает со спектром демультиплексоров на выходе системы. С таким подходом было продемонстрировано, что мультиспектральная фотонная дискретизация потенциально может обеспечить аналого-цифровое преобразование с эффективной разрядностью более 7 эффективных бит [13].

Основным фактором, ограничивующим эффективное число бит устройства, является точность таймингов мультиспектральной дискретизации. В предыдущем разделе было перечислено несколько аналого-цифровых систем, осуществляющих дискретизацию и наиболее высокие значения эффективной разрядности продемонстрированы для систем без мультиплексирования по длине волны, например [3]. При этом чем больше каналов в системе, тем сложнее добиться высокого качества дискретизации. Например, в работе [4] аналого-цифровое преобразование осуществлялось с эффективной разрядностью 7 бит и двумя спектральными каналами, а в работе [22] устройство обладало всего 6 эффективными битами, но позволяло работать в мгновенной полосе 20 ГГц благодаря четырем спектральным каналам дискретизации.

Чтобы мультиспектральная дискретизация не приводила к значительной деградации сигнала необходимо либо сделать ее очень равномерной по времени, либо создать алгоритм, которой был бы способен обрабатывать сигналы, дискретизация которых произошла неравномерно. Интересно, что к идее неравномерной дискретизации пришли авторы работы [5], в которой описано одно из наиболее актуальных и значимых достижений в области фотонных дискрети-зирующих интегральных систем. Вопросам оптимизации мультиспектральной оптической выборки посвящена глава 5 настоящей диссертации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Земцов Даниил Сергеевич, 2024 год

Список литературы

1. Стариков Р. С. Фотоные АЦП // Успехи современной радиоэлектроники. — 2015. — т. 2. — URL: https://www.researchgate.net/publication/ 280640714.

2. Attosecond timing jitter within a temporal soliton molecule / Y. Song [et al.] // Optica. — 2020. — Nov. — Vol. 7, issue 11. — P. 1531. — DOI: 10.1364/optica.397897.

3. Highly Linear Broadband Photonic-Assisted Q-Band ADC / D. J. Esman [et al.] // Journal of Lightwave Technology. — 2015. — June. — Vol. 33, issue 11. — P. 2256-2262. — DOI: 10.1109/JLT.2015.2408551.

4. Photonic ADC: overcoming the bottleneck of electronic jitter / A. Khilo [et al.] // Optics Express. — 2012. — Vol. 20, issue 4. — P. 527-534. — URL: http://www.fujitsu.com/emea/news/pr/fseu-en_20100913-978.html.

5. An Optically Sampled ADC in 3D Integrated Silicon-Photonics/65nm CMOS / N. Mehta [et al.] // 2020 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers. — 2020.

6. Photonic sampling analog-to-digital conversion based on time and wavelength interleaved ultra-short optical pulse train generated by using monolithic integrated LNOI intensity and phase modulator / Z. Li [et al.] // Optics Express. — 2022. — Aug. — Vol. 30, issue 16. — P. 29611. — DOI: 10.1364/oe.465733.

7. Sub-wavelength GHz-fast broadband ITO Mach-Zehnder modulator on silicon photonics / R. Amin [et al.] // Optica. — 2020. — Apr. — Vol. 7, issue 4. — P. 333. — DOI: 10.1364/optica.389437.

8. High-Speed Plasmonic-Silicon Modulator Driven by Epsilon-Near-zero Conductive Oxide / B. Zhou [et al.] // Journal of Lightwave Technology. — 2020. — July. — Vol. 38, issue 13. — P. 3338-3345. — DOI: 10.1109/ JLT.2020.2979192.

9. Пат. 2775997 Российская Федерация, МПК G02F 1/025, G02B 6/12. Пла-нарный электрооптический модулятор света на полевом эффекте возбуждения угловых плазмонов в гибридном волноводе / Д. С. Земцов [и др.]. —

2022. — Бюл. № 20.

10. Broadband silicon grating couplers with high efficiency and a robust design / D. Zemtsov [et al.] // Optics Letters. — 2022. — Vol. 47, issue 13. — DOI: 10.1364/OL.457284.

11. Компоненты интегральной фотоники на платформе «кремний-на-изоля-торе» / Д. С. Земцов [и др.] // Фотон-экспресс. — 2021. — т. 6, вып. 174. — с. 173—174. — DOI: 10.24412/2308-6920-2021-6-173-174. — URL: www.fotonexpres.ru.

12. Сверхвысокочастотный интегральный электрооптический модулятор на основе плазмонных МОП-структур / С. С. Косолобов [и др.] // Фотон-экспресс. — 2021. — т. 6, вып. 174. — с. 179. — DOI: 10.24412/2308-69202021-6-179. — URL: www.fotonexpres.ru.

13. Фотонный аналогово-цифровой преобразователь с электронным квантованием и оптической выборкой на скорости до 10 Гвыб/с / М. С. Дадашев [и др.] // Радиотехника и электроника. — 2023. — т. 68, вып. 2. — с. 188— 194. — DOI: 10.31857/S0033849423020031.

14. High-efficiency and easy-to-fabricate integrated plasmonic grating couplers for the telecommunication wavelength range / D. S. Zemtsov [et al.] // Computer Optics. — 2023. — Mar. — Vol. 47, issue 2. — P. 224-229. — DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1168.

15. Plasmon-Assisted Si-ITO Integrated Electro-Optical Rib-Shape Modulator / D. S. Zemtsov [et al.] // Journal of Lightwave Technology. — 2023. — Vol. 41, issue 19. — P. 6310-6314. — DOI: 10.1109/JLT.2023.3283859. — URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/10145788/.

16. Формирование мультиспектральной последовательности выборки в аналоговом оптическом тракте: возможность автоматизации с помощью цифровой обратной связи / Д. С. Земцов [и др.] // Измерительная техника. —

2023. — т. 6. — с. 3439. — DOI: 10.32446/0368-1025it.2023-6-34-39. — URL: https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2023-6-34-39.

17. Динамика кремниевой термооптики в интегральном микроспектрометре / Д. С. Земцов [и др.] // Фотон-экспресс. — 2023. — т. 6, вып. 190. — с. 110—111. — DOI: 10.24412/2308-6920-2023-6-110-111. — URL: www. fotonexpres.ru.

18. Интегральный кремниевый электрооптический модулятор на основе ENZ-структуры / С. С. Косолобов [и др.] // Фотон-экспресс. — 2023. — т. 6, вып. 190. — с. 126. — DOI: 10.24412/2308-6920-2023-6-126-126. — URL: www.fotonexpres.ru.

19. Cox III C. H. Analog Optical Links: Theory and Practice. — Cambridge University Press, 2004. — DOI: 10.1017/CB09780511536632.

20. Very high resolution optical spectrometry by stimulated Brillouin scattering / J. M. Domingo [et al.] // IEEE Photonics Technology Letters. — 2005. — Apr. — Vol. 17, issue 4. — P. 855-857. — DOI: 10.1109/LPT. 2005.843946.

21. H. W. R. Analog-to-digital conversion in the early twenty-first century. — 2008. — P. 126-138.

22. Compensation of multi-channel mismatches in high-speed high-resolution photonic analog-to-digital converter / G. Yang [et al.] // Optics Express. — 2016. — Oct. — Vol. 24, issue 21. — P. 24061. — DOI: 10.1364/oe.24. 024061.

23. An Interleaved Broadband Photonic ADC Immune to Channel Mismatches Capable for High-Speed Radar Imaging / Y. Xu [et al.] // IEEE Photonics Journal. — 2019. — Aug. — Vol. 11, issue 4. — DOI: 10.1109/JPHOT. 2019.2926399.

24. Takahashi H. Planar lightwave circuit devices for optical communication: present and future //. Vol. 5246. — SPIE, 08/2003. — P. 520. — DOI: 10.1117/12.512904.

25. Arafin S., Coldren L. A. Advanced InP Photonic Integrated Circuits for Communication and Sensing // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. — 2018. — Jan. — Vol. 24, issue 1. — DOI: 10.1109/ JSTQE.2017.2754583.

26. Silicon Nitride in Silicon Photonics / D. J. Blumenthal [et al.]. — 12/2018. — DOI: 10.1109/JPROC.2018.2861576.

27. Silicon Photonic Platform for Passive Waveguide Devices: Materials, Fabrication, and Applications / Y. Su [et al.] // Advanced Materials Technologies. — 2020. — Aug.— Vol. 5, issue 8. — DOI: 10.1002/admt.201901153.

28. A high-resolution silicon-on-insulator arrayed waveguide grating microspec-trometer with sub-micrometer aperture waveguides / P. Cheben [et al.] // Opt. Express. — 2007. — Mar. — Vol. 15, no. 5. — P. 2299-2306. — DOI: 10.1364/0E.15.002299. — URL: https://opg.optica.org/oe/abstract.cfm? URI=oe-15-5-2299.

29. High-performance and scalable on-chip digital Fourier transform spectroscopy / D. M. Kita [et al.] // Nature Communications. — 2018. — Dec. — Vol. 9, issue 1. — DOI: 10.1038/s41467-018-06773-2.

30. Cavity-enhanced on-chip absorption spectroscopy using microring resonators / A. Nitkowski [et al.] // Optics Express. — 2008. — Vol. 16, issue 16. — P. 11930-11936.

31. SOI waveguide bragg grating photonic sensor for human body temperature measurement based on photonic integrated interrogator / H. Li [et al.] // Nanomaterials. — 2022. — Jan. — Vol. 12, issue 1. — DOI: 10.3390/ nano12010029.

32. SOI-based arrayed waveguide grating with extended dynamic range for fiber Bragg grating interrogator / S. Weng [h gp.] // Optical Fiber Technology. — 2022. — hhb. — t. 68. — DOI: 10.1016/j.yofte.2021.102815.

33. Photonic sampled and quantized analog-to- digital converters on thin-film lithium niobate platform / D. Tu [et al.] // Optics Express. — 2023. — Jan. — Vol. 31, issue 2. — P. 1931. — DOI: 10.1364/oe.474884.

34. III/V-on-Si MQW lasers by using a novel photonic integration method of regrowth on a bonding template / Y. Hu [et al.] // Light: Science and Applications. — 2019. — Dec. — Vol. 8, issue 1. — DOI: 10.1038/s41377-019-0202-6.

35. Flip-chip assembly of VCSELs to silicon grating couplers via laser fabricated SU8 prisms / K. Kaur [et al.] // Optics Express. — 2015. — Nov. — Vol. 23, issue 22. — P. 28264. — DOI: 10.1364/oe.23.028264.

36. Optical Frequency Comb and Nyquist Pulse Generation with Integrated Silicon Modulators / S. Liu [et al.] // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. — 2020. — Mar. — Vol. 26, issue 2. — DOI: 10.1109/JSTQE.2019.2927474.

37. Recent progress in integrated electro-optic frequency comb generation / H. Sun [et al.] // Journal of Semiconductors. — 2021. — Apr. — Vol. 42, issue 4. — DOI: 10.1088/1674-4926/42/4/041301.

38. Davenport M. L., Liu S., Bowers J. E. Integrated heterogeneous silicon/I I I—V mode-locked lasers // Photonics Research. — 2018. — May. — Vol. 6, issue 5. — P. 468. — DOI: 10.1364/prj.6.000468.

39. Wavelength-mode pulse interleaver on the silicon photonics platform / X. Wang [et al.] // Chinese Optics Letters. — 2020. — Vol. 18, issue 3. — P. 031301. — DOI: 10.3788/col202018.031301.

40. Silicon photonic time-wavelength pulse interleaver for photonic analog-to-digital converters / H. Gevorgyan [et al.] // Optics Express. — 2016. — June. — Vol. 24, issue 12. — P. 13489. — DOI: 10.1364/oe.24.013489.

41. 500 GHz plasmonic Mach-Zehnder modulator enabling sub-THz microwave photonics / M. Burla [et al.] // APL Photonics. — 2019. — May. — Vol. 4, issue 5. — DOI: 10.1063/1.5086868.

42. Silicon optical modulators / G. T. Reed [et al.] // Nature Photonics. — 2010. — Aug. — Vol. 4, issue 8. — P. 518-526. — DOI: 10.1038/nphoton. 2010.179.

43. Erbium-doped spiral amplifiers with 20 dB of net gain on silicon / S. A. Vazquez-Cordova [et al.] // Optics Express. — 2014. — Oct. — Vol. 22, issue 21. — P. 25993. — DOI: 10.1364/oe.22.025993.

44. Micro-Transfer-Printed III-V-on-Silicon C-Band Semiconductor Optical Amplifiers / B. Haq [et al.] // Laser and Photonics Reviews. — 2020. — July. — Vol. 14, issue 7. — DOI: 10.1002/lpor.201900364.

45. Nambiar S., Sethi P., Selvaraja S. K. Grating-assisted fiber to chip coupling for SOI photonic circuits // Applied Sciences (Switzerland). — 2018. — July. — Vol. 8, issue 7. — DOI: 10.3390/app8071142.

46. Grating couplers on silicon photonics: Design principles, emerging trends and practical issues / L. Cheng [et al.] // Micromachines. — 2020. — July. — Vol. 11, issue 7. — DOI: 10.3390/mi11070666.

47. Coupling strategies for silicon photonics integrated chips [Invited] / R. Marchetti [et al.] // Photonics Research. — 2019. — Feb. — Vol. 7, issue 2. — P. 201. — DOI: 10.1364/prj.7.000201.

48. Low-Loss (i 1 dB) and polarization-insensitive edge fiber couplers fabricated on 200-mm silicon-on-insulator wafers / B. B. Bakir [et al.] // IEEE Photonics Technology Letters. — 2010. — Vol. 22, issue 11. — P. 739-741. — DOI: 10.1109/LPT.2010.2044992.

49. Bridging the gap between optical fibers and silicon photonic integrated circuits / W. S. Zaoui [et al.] // Optics Express. — 2014. — Jan. — Vol. 22, issue 2. — P. 1277. — DOI: 10.1364/oe.22.001277.

50. Schmid B., Petrov A., Eich M. Optimized grating coupler with fully etched slots // Optics Express. — 2009. — Vol. 23, issue 12. — P. 1106611076. — URL: www.cst.com..

51. Inverse Design and Demonstration of Broadband Grating Couplers / N. V. Sapra [et al.] // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. — 2019. — May. — Vol. 25, issue 3. — DOI: 10.1109/JSTQE.2019. 2891402.

52. Perfectly vertical and fully etched SOI grating couplers for TM polarization / G. Dabos [et al.] // Optics Communications. — 2015. — Sept. — Vol. 350. — P. 124-127. — DOI: 10.1016/j.optcom.2015.03.081.

53. Focused-ion-beam fabrication of slanted grating couplers in silicon-on-insulator waveguides / J. Schrauwen [et al.] // IEEE Photonics Technology Letters. — 2007. — June. — Vol. 19, issue 11. — P. 816-818. — DOI: 10.1109/LPT.2007.897293.

54. Chen X., Li C, Tsang H. K. Fabrication-Tolerant Waveguide Chirped Grating Coupler for Coupling to a Perfectly Vertical Optical Fiber // IEEE Photonics Technology Letters. — 2008. — Nov. — Vol. 20, issue 23. — P. 1914-1916. — DOI: 10.1109/LPT.2008.2004715.

55. Comparative study of uniform and nonuniform grating couplers for optimized fiber coupling to silicon waveguides / M. H. Lee [et al.] // Journal of the Optical Society of Korea. — 2016. — Apr. — Vol. 20, issue 2. — P. 291-299. — DOI: 10.3807/J0SK.2016.20.2.291.

56. Refractive index engineering with subwavelength gratings for efficient mi-crophotonic couplers and planar waveguide multiplexers / P. Cheben [et al.]. — 2010.

57. Grating couplers for coupling between optical fibers and nanophotonic waveguides / D. Taillaert [et al.] // Japanese Journal of Applied Physics, Part 1: Regular Papers and Short Notes and Review Papers. — 2006. — Aug. — Vol. 45, 8 A. — P. 6071-6077. — DOI: 10.1143/JJAP.45.6071.

58. Focusing sub-wavelength grating couplers with low back reflections for rapid prototyping of silicon photonic circuits / Y. Wang [et al.] // Optics Express. — 2014. — Aug. — Vol. 22, issue 17. — P. 20652. — DOI: 10.1364/oe.22.020652.

59. Sethi P., Haldar A., Selvaraja S. K. Ultra-Compact Low-loss Broadband Waveguide Taper in Silicon-on-Insulator. — 2005.

60. Coupling performance enhancement using SOI grating coupler design / T. Sharma [et al.] // Optics Communications. — 2018. — Nov. — Vol. 427. — P. 452-456. — DOI: 10.1016/j.optcom.2018.06.012.

61. Bimodal grating coupler design on SOI technology for mode division multiplexing at 1550 nm / D. Garcia-Rodriguez [et al.] // Optics Express. — 2018. — July. — Vol. 26, issue 15. — P. 19445. — DOI: 10.1364/oe.26. 019445.

62. Highly efficient nonuniform grating coupler for silicon-on-insulator nanophotonic circuits / Y. Tang [et al.]. — 2010.

63. Chen X., Li C, Tsang H. K. Two dimensional silicon waveguide chirped grating couplers for vertical optical fibers // Optics Communications. — 2010. — May. — Vol. 283, issue 10. — P. 2146-2149. — DOI: 10.1016/j. optcom.2010.01.059.

64. A high-efficiency nonuniform grating coupler realized with 248-nm optical lithography / L. He [et al.] // IEEE Photonics Technology Letters. — 2013. — Vol. 25, issue 14. — P. 1358-1361. — DOI: 10.1109/LPT.2013. 2265911.

65. Grating couplers in silicon-on-insulator: The role of photonic guided resonances on lineshape and bandwidth / M. Passoni [et al.] // Applied Physics Letters. — 2017. — Jan. — Vol. 110, issue 4. — DOI: 10.1063/1.4974992.

66. Silicon microring resonators / W. Bogaerts [et al.] // Laser and Photonics Reviews. — 2012. — Jan. — Vol. 6, issue 1. — P. 47-73. — DOI: 10.1002/lpor.201100017.

67. Fast FBG interrogator on chip based on Silicon on Insulator ring resonator add/drop filters / L. Tozzetti [h gp.] // Journal of Lightwave Technology. — 2022. — DOI: 10.1109/JLT.2022.3174770.

68. Kim H.-T., Yu M. High-speed optical sensor interrogator with a silicon-ring-resonator-based thermally tunable filter // Optics Letters. — 2017. — Apr. — Vol. 42, issue 7. — P. 1305. — DOI: 10.1364/ol.42.001305.

69. Smit M. K. New focusing and dispersive planar component based on an optical phased array // Electronics Letters. — 1988. — Vol. 24, issue 7. — P. 385-386.

70. Ultra-Compact Silicon Photonic 512 x 512 25 GHz Arrayed Waveguide Grating Router / S. Cheung [et al.] // IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics. — 2014. — July. — Vol. 20, issue 4. — DOI: 10.1109/JSTQE.2013.2295879.

71. Novel Wavelength Multiplexer Using (N + 1) x (N + 1) Arrayed Waveguide Grating and Polarization-Combiner-Rotator on SOI Platform / J. Zou [et al.] // Journal of Lightwave Technology. — 2021. — Apr. — Vol. 39, issue 8. — P. 2431-2437. — DOI: 10.1109/JLT.2021.3053837.

72. Monolithic 1 x 8 DWDM silicon optical transmitter using an arrayed-waveguide grating and electro-absorption modulators for switch fabrics in intra-data-center interconnects / U. Jeong [и др.] // Micromachines. — 2020. — нояб. — т. 11, вып. 11. — DOI: 10.3390/mi11110991.

73. Performance improvement for silicon-based arrayed waveguide grating router / J. Zou [и др.] // Optics Express. — 2017. — май. — т. 25, вып. 9. — с. 9963. — DOI: 10.1364/oe.25.009963.

74. Methods for Low Crosstalk and Wavelength Tunability in Arrayed-Waveguide Grating for On-Silicon Optical Network / S. Tondini [и др.] // Journal of Lightwave Technology. — 2017. — дек. — т. 35, вып. 23. — с. 5134—5141. — DOI: 10.1109/JLT.2017.2768161.

75. Compact SOI-based AWG with flattened spectral response using a MMI / S. Pathak [и др.] // IEEE International Conference on Group IV Photonics GFP. — 2011. — с. 45—47. — DOI: 10.1109/GRDUP4.2011.6053710.

76. Low-crosstalk Si arrayed waveguide grating with parabolic tapers / T. Ye [и др.] // Optics Express. — 2014. — дек. — т. 22, вып. 26. — с. 31899. — DOI: 10.1364/oe.22.031899.

77. Soref R. A., Bennett B. R. Electrooptical Effects in Silicon. — 1987.

78. 50-Gb/s silicon optical modulator with traveling-wave electrodes / X. Tu [et al.] // Optics Express. — 2013. — May. — Vol. 21, issue 10. — P. 12776. — DOI: 10.1364/oe.21.012776.

79. High-speed low-voltage single-drive push-pull silicon Mach-Zehnder modulators / P. Dong [et al.] // Optics Express. — 2012. — Vol. 20, issue 6. — P. 58-68. —URL: http://www.ofcnfoec.org/conference_program/2009/ images/09- DAndrea.pdf..

80. High-efficiency Si optical modulator using Cu travelling-wave electrode / Y. Yang [et al.] // Optics Express. — 2014. — Dec. — Vol. 22, issue 24. — P. 29978. — DOI: 10.1364/oe.22.029978.

81. Compact 1D-silicon photonic crystal electro-optic modulator operating with ultra-low switching voltage and energy / A. Shakoor [et al.] // Optics Express. — 2014. — Nov. — Vol. 22, issue 23. — P. 28623. — DOI: 10.1364/oe.22.028623.

82. A 112 Gb/s PAM4 Silicon Photonics Transmitter with Microring Modulator and CMOS Driver / H. Li [et al.] // Journal of Lightwave Technology. —

2020. — Jan. — Vol. 38, issue 1. — P. 131-138. — DOI: 10.1109/JLT. 2019.2938731.

83. Shi K., Lu Z. Field-effect optical modulation based on epsilon-near-zero conductive oxide // Optics Communications. — 2016. — July. — Vol. 370. — P. 22-28. — DOI: 10.1016/j.optcom.2016.02.062.

84. Edge-plasmon assisted electro-optical modulator / I. A. Pshenichnyuk [et al.] // Physical Review B. — 2019. — Nov. — Vol. 100, issue 19. — DOI: 10.1103/PhysRevB.100.195434.

85. 0.52 v mm ITO-based Mach-Zehnder modulator in silicon photonics / R. Amin [et al.] // APL Photonics. — 2018. — Dec. — Vol. 3, issue 12. — DOI: 10.1063/1.5052635.

86. Eslami A., Sadeghi M., Adelpour Z. Plasmonic modulator utilizing graphene-HfO2-ITO stack embedded in the silicon waveguide // Optik. —

2021. — Feb. — Vol. 227. — DOI: 10.1016/j.ijleo.2020.165608.

87. Kim J. S., Kim J. T. Silicon electro-optic modulator based on an ITO-integrated tunable directional coupler // Journal of Physics D: Applied Physics. —2016. — Jan. — Vol. 49, issue 7. — DOI: 10.1088/00223727/49/7/075101.

88. Abdelatty M. Y, Badr M. M., Swillam M. A. Compact silicon electro-optical modulator using hybrid ITO Tri-coupled waveguides // Journal of Lightwave Technology. — 2018. — Sept. — Vol. 36, issue 18. — P. 41984204. — DOI: 10.1109/JLT.2018.2863571.

89. Lin C., Helmy A. S. Dynamically reconfigurable nanoscale modulators utilizing coupled hybrid plasmonics // Scientific Reports. — 2015. — July. — Vol. 5. — DOI: 10.1038/srep12313.

90. Optical modulator based on a silicon-ITO grating embedded rib structure with a tunable group delay / S. Rajput [et al.] // Opt. Lett. — 2021. — July. — Vol. 46, no. 14. — P. 3468-3471. — DOI: 10.1364/OL.433458. — URL: http://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?URI=ol-46-14-3468.

91. Silicon Microring Modulator Driven by Transparent Conductive Oxide Capacitor; Silicon Microring Modulator Driven by Transparent Conductive Oxide Capacitor / E. Li [et al.] // 2020 Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO). — 2020.

92. Transparent conductive oxide-gated silicon microring with extreme resonance wavelength tunability / E. Li [et al.] // Photonics Research. — 2019. — Apr. — Vol. 7, issue 4. — P. 473. — DOI: 10.1364/prj.7.000473.

93. High-bandwidth Si/In2O3hybrid plasmonic waveguide modulator / Y. Huang [et al.] // APL Photonics. — 2022. — May. — Vol. 7, issue 5. — DOI: 10.1063/5.0087540.

94. Hammer M., Ivanova O. V. Effective index approximations of photonic crystal slabs: A 2-to-1-D assessment // Optical and Quantum Electronics. — 2009. — Mar. — Vol. 41, issue 4. — P. 267-283. — DOI: 10.1007/s11082-009-9349-3.

95. Салех Б., Тейх М. Оптика и Фотоника. Принципы и применения. — Издательский дом "Интеллект", 2012. — (2). — ISBN 978-5-91559-135-5.

96. Zhu Z, Brown T. G. Full-vectorial finite-difference analysis of microstruc-tured optical fibers // Opt. Express. — 2002. — Aug. — Vol. 10, no. 17. — P. 853-864. — DOI: 10.1364/OE. 10.000853. — URL: http: //opg.optica.org/oe/abstract.cfm?URI=oe-10-17-853.

97. Cheng R., Chrostowski L. Spectral Design of Silicon Integrated Bragg Gratings: A Tutorial // Journal of Lightwave Technology. — 2021. — Feb. — Vol. 39, issue 3. — P. 712-729. — DOI: 10.1109/JLT.2020.3035372.

98. High-efficiency grating-couplers: Demonstration of a new design strategy / R. Marchetti [et al.] // Scientific Reports. — 2017. — Dec. — Vol. 7, issue 1. — DOI: 10.1038/s41598-017-16505-z.

99. Frey B. J., Leviton D. B., Madison T. J. Temperature-dependent refractive index of silicon and germanium.

100. Leijtens X. J., Kuhlow B., Smit M. K. Arrayed waveguide gratings // Springer Series in Optical Sciences. — 2006. — Vol. 123. — P. 125187. — DOI: 10.1007/3-540-31770-8_5.

101. Feigenbaum E, Diest K., Atwater H. A. Unity-order index change in transparent conducting oxides at visible frequencies // Nano Letters. — 2010. — июнь. — т. 10, вып. 6. — с. 2111—2116. — DOI: 10.1021/nl1006307.

102. Ultra-compact silicon nanophotonic modulator with broadband response / V. J. Sorger [et al.] // Nanophotonics. — 2012. — July. — Vol. 1, issue 1. — P. 17-22. — DOI: 10.1515/nanoph-2012-0009.

103. Chen X., Tsang H. K. Nanoholes grating couplers for coupling between silicon-on-insulator waveguides and optical fibers // IEEE Photonics Journal. — 2009. — Sept. — Vol. 1, issue 3. — P. 184-190. — DOI: 10.1109/ JPHOT.2009.2031685.

104. Обработка сигналов X-диапазона радиофотонным АЦП с псевдослучайной выборкой / З. Д. С. [и др.] //. — Университет ИТМО, 2018. — с. 223— 225.

105. Photonic compressive sampling of wideband sparse radio frequency signals with 1-bit quantization / B. Yang [et al.] // Optics Express. — 2023. — May. — Vol. 31, issue 11. — P. 18159. — DOI: 10.1364/OE.486976. — URL: https://opg.optica.org/abstract.cfm?URI=oe-31-11-18159.

Список рисунков

1.1 Обобщенная схема фотонной аналого-цифровой системы...... 10

1.2 Схема фотонного аналого-цифрового преобразователя: ГПВ -генератор последовательности выборки, ЛСМ - лазер с синхронизацией мод, ЭУ - эрбиевый усилитель, ОК -оптоволоконный кабель, ЗФ - зеркало Фара-дея, БВК - блок выборки и квантования, ММЦ - модулятор Маха-Цендера, КРТ

- контроллер рабочей точки, ДМ -демультиплексор, БВСД -блок выравнивания сигнальных длин, ДФП дифференциальный фотоприемник, БФД -балансный фотодетектор, БЭО - блок

электронной обработки [13]....................... 15

1.3 Блок-схема (слева) и фото (справа) двухканальной

радиотехнической системы на базе ФАЦП: ГПВ - генератор после-довательности выборки, БВК-1, БВК-2 - блоки выборки и квантования, У - усилитель [13].................... 16

1.4 Принципиальная блок-схема фотонной аналого-цифровой системы с дискретной мультиспектральной оптической выборкой, схематично изображенные примеры такой системы в дискретном и интегральном исполнении. Расшифровка: ЛСМ -лазер, работающий в режиме синхронизации мод; ДМ -демультиплексор; АТ - аттенюатор; ЛЗ - линия задержки; ММЦ - модулятор Маха-Цендера; ЭУ - эрбиевый усилитель; ФД -фотодетектор; ППЛ - полупроводниковый лазер; ФМ - фазовый

модулятор; ЭАМ - электоабсорбционный модулятор; ППУ -

полупроводниковый усилитель..................... 23

1.5 Схематичное изображение различных модуляторов с

использованием механизмов накопления носителей заряда (а), инжекции носителей заряда (Ь) и обеднения слоя (с) [42]...... 36

2.1 Зависимости эффективныого индекса ТЕ0 моды двумерного волновода, посчитанные численно (синяя кривая) и аналитически (красная кривая).................... 43

2.2 Схематичное изображение классической решетки и стыкующегося к ней волоконного зонда [10]............. 45

2.3 Рассчитанное нормированное распределение интенсивности электромагнитного поля, характерное для решетки ввода.....48

2.4 Рассчитанные спектры пропускания решетки вывода (синяя линия), решетки ввода (оранжевая линия) и усредненное пропускание решеток (зеленая линия) [10].............. 49

2.5 Рассчитанные нормированные интенсивности излучательных мод дифракции решетки (красная линия), линзованного зонда (черная линия), сколотого зонда (зеленая линия).......... 50

2.6 Рассчитанное нормированное распределение интенсивности электромагнитного поля, характерное для решетки вертикального ввода........................... 52

2.7 Рассчитанный спектр пропускания решетки вертикального ввода

в один из коммутирующих волноводов................ 53

2.8 Пример разметки интегральной фотонной схемы с вертикальным вводом и выводом................... 54

2.9 Рассчитанное распределение интенсивности электромагнитного поля, характерное для решетки стыкующей р-поляризованный излучатель и кремниевый волновод толщиной 500 нм........ 55

2.10 Схематичное изображение плазмонной решетки и стыкующегося

к ней волоконного зонда [14]...................... 56

2.11 Интенсивность плазмонных мод в области зубца и в области траншеи в зависимости от координаты по ортогональной чипу

оси [14].................................. 57

2.12 Интенсивность электромагнитного излучения, характерная для плазмонной решетки ввода....................... 58

2.13 Схематичное изображение кольцевого резонатора.......... 59

2.14 Схематичное изображение кольцевого резонатора и титанового нагревателя, для которых рассчитавалось температурное распределение.............................. 63

2.15 Динамика температуры кольцевого волновода во время численного эксперимента с прямоугольным импульсом напряжения............................... 63

2.16 Распределение температуры в точках расчета модели температурно перестраиваемого кольцевого резонатора....... 64

2.17 Схематичное изображение упорядоченной волноводной решетки. . 65

2.18 Изображение разметки УВР, которая была сгенерирована скриптом в КЬауо^........................... 68

2.19 Рассчитанное распределение интенсивности в разветвителе. ... 69

2.20 Доля мощности в промежуточных волноводых в зависимости от номера волновода............................ 69

2.21 Распределение интенсивности в объединителе для длины волны

1555 нм.................................. 70

2.22 Схематичное изображение плазмонного электроабсорбционного модулятора с внедренным слоем оксида индия олова [15]...... 71

2.23 Рассчитанная концентрация зарядов в аккумулирующем слое (АС) в зависимости от напряжения (сплошная синяя линия) и соответствующего изменения показателя преломления (зеленая сплошная линия - действительная часть, пунктирная линия -мнимая часть) [15]............................ 73

2.24 Интенсивность в кремниевом слое области модуляции в

плоскости ХУ.............................. 74

2.25 Интенсивность в области модуляции в плоскости XZ........ 75

3.1 Схематичное изображение процесса изготовление пассивного кремниевого фотонного устройства [11]................ 77

3.2 Паттерн УВР с распределением различных значений дозы по слоям, выделенным разным цветом.................. 80

3.3 Фотография интегрального фотонного Вернье-спектрометра с приклеенными оптическими волокнами и приваренными электрическими контактами...................... 84

3.4 Полученное на сканирующем электронном микроскопе изображение интегрированного на решетку вертикального ввода вертикально излучающего лазера................... 85

4.1 Принципиальная схема измерений спектра пропускания

интегрального фотонного устройства................. 92

4.2 Измеренная зависимость эффективности дифракционных

решеток ввода/вывода от их ширины [10]............... 93

4.3 Измеренная зависимость эффективности дифракционных

решеток ввода/вывода от их периода [10]............... 94

4.4 Измеренная зависимость эффективности дифракционных решеток ввода/вывода от их заполнения. Синим цветом отмечен период 636 нм, а оранжевым - 650 нм [10]............... 95

4.5 Спектр пропускания решетки неполного травления глубиной 70

нм с периодом 636 нм и заполнением 0.58 [10]............ 95

4.6 Спектры пропускания решетки в зависимости от угла наклона зондов................................... 97

4.7 Принципиальная схема фотонного аналого-цифрового

устройства интеррогации........................ 98

4.8 Принципиальная схема интегральной оптической системы спектрального сканирования и мультиплексирования........100

4.9 Изображение интегральной оптической системы спектрального сканирования и мультиплексирования, полученное на оптическом микроскопе......................... 100

4.10 Спектры пропускания каналов интегрального микроспектрометра: измеренные (зеленый) и рассчитанные (красный).................................102

4.11 Спектры пропускания каналов интегрального микроспектрометра в конфигурации резонансного пропускания. . 103

4.12 Спектр отражения волоконной брэгговской решетки, участвовавшей в экспериментах по интеррогации..........104

4.13 Графики зависимости мощности (красный) и тока (синий) от времени. Велечины на рисунке представлены в отсчетах АЦП системы генерации и обработки оптического сигнала........104

4.14 График зависимости мощности оптического сигнала от тока при различных температурах........................105

4.15 График зависимости тока, соответствующего максимуму мощности оптического сигнала, от температуры брэгговской решетки..................................106

4.16 Схема экспериментальной установки, педназначенной для определения скорости работы интегрального оптического микроспектрометра......................

4.17 Управляющее напряжение и сигнал фотодетектора при перестройке кольцевого фильтра в составе интегрального микроспектрометра при различных длинах волн входного лазерного излучения [17]...................

108

4.18 Диэлектрическая проницаемость тонких пленок 1ТО, полученная в результате измерений на эллипсометре и аппроксимации моделью Друде-Лоренца[15]......

110

4.19 Изображение электроабсорбционного модулятора: (а) Схематичное изображение модулятора; (Ь) Раскрашенное изображение области модуляции, полученное на СЭМ; (с) Полученное на СЭМ изображение модулятора, тейперов, решеток ввода/вывода и пары наборов ОБО контактов целиком. На данном изображении область модуляции представляет собой точку, расположенную по центру снимка [15].............111

4.20 Принципиальная схема измерения отклика интегрального электроабсорбционного модулятора на модулирующий сигнал постоянного напряженияю.......................112

4.21 Нормированные на потери в системе и решетках связи спектры пропускания модулятора при различных приложенных напряжениях [15]............................112

4.22 Нормированные на потери в системе и решетках связи спектры пропускания модулятора при различных приложенных напряжениях...............................113

4.23 Принципиальная схема измерения отклика интегрального электроабсорбционного модулятора на аналоговый СВЧ модулирующий сигнал.........................114

4.24 Нормированный отклик модулятора на аналоговый модулирующий СВЧ сигнал [15]....................115

5.1 Двухпоходная система формирования последовательности оптической дискретизации: ДМ - демультиплексор; А -аттенюатор; ПЛЗФ - перестраиваемая линия задержки.......119

5.2 Экспериментальная схема двухпоходной системы формирования последовательности оптической дискретизации: ЛСМ - лазер, работающий в режиме синхронизации мод; ДМ -демультиплексор; АТ - аттенюатор; ПЛЗФ - перестраиваемая

линия задержки с зеркалом фарадея; ФД - фотодетектор [16]. . . 120

5.3 Результаты моделирования отношения мощностей третьей гармоники к максимальной из первых двух с уровнем рассогласования мощности 1%. Красной линией выделена окрестность соответствующая полученным в ходе экспериментов

значениям................................121

5.4 Фрагменты исходного равномерно дискретизированного сигнала /[п] (серый), восстановленного сигнала у[п] (красный) и псевдослучайно дискретизированного сигнала д[т] (зеленый). . . 125

5.5 Спектры мощности исходного сигнала /[п] (серый) и восстановленного сигнала у[п] (красный)...............125

5.6 Фрагменты исходного равномерно дискретизированного сигнала /[п] с согласованными с Е частотами (серый), восстановленного сигнала у[п] (красный) и псевдослучайно дискретизированного сигнала д[т] (зеленый).........................126

5.7 Спектры мощности исходного равномерно дискретизированного сигнала / [п] с согласованными с Е частотами (серый) и восстановленного разреженного сигнала у[п] (красный)......126

5.8 Зависимость БКИ, от отстройки А/ исходного гармонического сигнала с частотой 2.5 ГГц + А/ при расстоянии между соседними частотами Фурье базиса 10 МГц. Черный цвет соответствует прямоугольной оконной функции, а красный цвет

- функции Ханна............................127

Список таблиц

1 Опубликованные экспериментальные результаты решеток для свзи волокна и интегрального волновода на SOI с толщиной 220 нм без отражателей и дополнительных осажденных материалов. Расшифровка типов решеток: Р - равномерная, СВ -субволновая, А - аподизированная................... 96