Российские ученые впервые создали интегральный электрооптический модулятор для фотонных чипов

В Квантум Парке МГТУ им. Н.Э. Баумана в НОЦ Функциональные Микро/Наносистемы (НОЦ ФМН, совместный центр Бауманки и ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова») впервые создан электрооптический модулятор для фотонной платформы на нитриде кремния (SiN) и прозрачных проводящих оксидах. Разработанное устройство обеспечивает быстрое управление оптическим сигналом с частотой выше 1 ГГц и высокую производительность для широкого ряда высокотехнологичных устройств: от беспилотных комплексов, центров обработки данных до систем связи нового поколения и фотонных квантовых вычислителей. Евгений Лотков, разработчик интегрального ЭО модулятора в НОЦ ФМН, удостоен Премии молодым ученым Правительства Москвы за 2026 год.

Инженерия невозможного: как электрооптическую модуляцию «приземлили» на чип

Нитрид кремния (SiN) – ведущая платформа фотонных устройств видимого и ближнего ИК-диапазона для телеком-индустрии, биофотоники и высокочувствительной сенсорики. Благодаря малым потерям сигнала, именно нитридные фотонные интегральные схемы (ФИС) представляются идеальным решением для работы с одиночными фотонами и могут использоваться для квантовых и оптических гибридных вычислений.

До недавнего времени нитрид был бессилен перед главной задачей – быстрым управлением сигналом на чипе. За преобразование электрического сигнала в оптический отвечают устройства ЭО модуляции, которые изготавливались исключительно на ниобате лития и имели большие – миллиметровые – размеры, что затрудняло их интеграцию на ФИС.

Первым интегральным электрооптическим модулятором на нитриде кремния и прозрачных проводящих оксидах стало устройство, изобретенное совместной командой МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА». Основой разработанного ЭО модулятора является многослойная структура, состоящая из пяти ультратонких слоев материалов.

СЭМ-снимки электрооптического модулятора, интегрированного на волноводы из нитрида кремния

Ключевым элементом выступает активный слой прозрачного проводящего оксида (transparent conductive oxide, TCO), обладающий выраженным электрооптическим эффектом и низкими вносимыми потерями. Именно он обеспечивает управление оптическим сигналом: при подаче электрического потенциала изменяется концентрация свободных носителей заряда, что приводит к изменению оптических свойств материала и позволяет эффективно регулировать прохождение сигнала. Разработанный модулятор имеет полосу пропускания выше 1 ГГц, размер менее 10 мкм и низкий уровень вносимых потерь на уровне 5,7 дБ.

«Разработка шла непросто: приходилось пересматривать и материалы, топологию, и подходы к изготовлению и характеризации устройства. В итоге создан модулятор, который существенным образом расширяет возможности нашей нитридной фотонной платформы. Благодарю всю команду за помощь и совместную работу, а Правительство Москвы – за высокую оценку нашего общего труда!» – отметил Евгений Лотков, научный сотрудник НОЦ ФМН.

Сверхточная нанофабрикация на стыке физики и химии

Разработка электрооптического модулятора в МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА» ведется с 2018 года. Командой исследователей проведена масштабная исследовательская работа по управлению свойствами ультратонких пленок ITO (indium-tin oxide, оксид индия-олова) толщиной всего 10–20 нанометров. В результате разработан оригинальный метод их синтеза и формирования многослойных структур, обеспечивающий стабильные и воспроизводимые характеристики материала. Полученные результаты впервые были представлены в высокоцитируемой публикации “ITO film stack engineering for low-loss silicon optical modulators” в журнале Scientific Reports.

Дальнейшее развитие технологии описано в статье “Silicon Nitride Integrated Electro-Optic Absorption Modulator”, опубликованной влиятельным научным журналом APL, где предложенное решение успешно интегрировано с существующей фотонной платформой на основе нитрида кремния. Одной из ключевых задач стало обеспечение прецизионного контроля оптических и электрических параметров сверхтонкого активного слоя ITO на всех этапах технологического процесса.

«Разработки в области электрооптической модуляции – это часть большой исследовательской работы в рамках стратегического технологического проекта «Экзафлопсные гибридные вычисления Bauman DeepTech)» программы «Приоритет 2030» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Мы совершенствуем существующую в Квантум Парке нитридную платформу, интегрируя на нее такие ключевые элементы как модуляторы и однофотонные детекторы. Монолитная интеграция позволит минимизировать потери в создаваемых устройствах. В перспективе наша платформа для контрактного производства ФИС со сверхнизкими потерями станет доступной для заказчиков всей России», – отметил Александр Бабурин, руководитель направления интегральной фотоники НОЦ ФМН.