| Аннотация |
Технологии интегральной фотоники позволяют разрабатывать и изготавливать комплексные оптические чипы (фотонные интегральные схемы, ФИС) площадью около 1 см2 со множеством взаимосвязанных элементов. Отдельные элементы ФИС могут осуществлять генерацию, перенаправление, изменение характеристик и детектирование оптических сигналов.
Чипы ФИС применяются для создания новых устройств и комплексов для решения задач сенсорики, мониторинга, телекоммуникаций (в том числе защищенных, квантовых), высокоскоростных оптических вычислений, решения задач биофотоники. Преимуществами использования ФИС являются: возможность существенного снижения массы и габаритов конечных устройств за счет интеграции полнофункциональной оптической системы на одном кристалле (или выполнения микросборок на основе нескольких чипов); повышенная вибростойкость и помехозащищенность при отсутствии дискретных компонентов, участков с незакрепленным оптическим волокном и др.; высокие скорости опроса или управления характеристиками оптических сигналов (до 100 ГГц и более, что сложно достижимо при использовании электронных систем и компонентов).
Однако изготовление чипов ФИС и устройств на их основе сопряжено с рядом трудностей: подбор и закупка линейки необходимого оборудования, разработка технологической документации, итерационная отработка режимов изготовления чипов и т.д. Помимо этого процесс разработки новых устройств на основе ФИС требует выполнения глубокого физического и схемного моделирования с учетом особенностей производства конкретной технологической площадки, корректировки модельных результатов после тестового изготовления. Таким образом, это трудоемкий, долгий и дорогой процесс который может быть пройден либо группой компаний, либо технологическими площадками, обладающими всем необходимым оборудованием и компетентными специалистами. В то же время для конструкторских бюро, разработчиков систем, комплексов и устройств, которые могли бы внедрять чипы ФИС в новые разработки, без собственной линейки оборудования и технологии изготовления ФИС, важны доступность этих технологий и понятный механизм размещения заказов на изготовление чипов на сторонних технологических площадках.
Решением данной проблемы является разработка библиотеки проектирования (англ. process design kit, PDK).
Использование PDK позволяет достичь стандартизации процессов проектирования ФИС для выбранной технологической площадки. Стандартизация процесса проектирования упрощает взаимодействие пользователя (исследовательских групп из научных институтов, компаний без собственного производства, разработчиков сложных инженерных систем и т.д.) с технологической площадкой. Во-первых, разрабатываемый с помощью PDK файл-маски включает в себя всю необходимую для производства ФИС технологическую информацию, а проверка дизайна ФИС по правилам проектирования позволяет пользователю самостоятельно отследить большинство критических ошибок и исправить их без необходимости консультаций с технологической площадкой. Во-вторых, для пользователя упрощается процесс проектирования, так как наличие PDK позволяет сразу переходить к этапу моделирования схемы на основе базовых элементов и соответствующих S-параметров. В-третьих, если пользователю понадобится
разработать собственные элементы ФИС, то результаты их физического моделирования будут приближены к реальному поведению этих элементов ввиду того, что все материальные параметры, допуски и ограничения заложены в PDK.
Наличие PDK у технологической площадки особенно важно, если на ней предполагается проведение MPW-запусков (англ. Multi-Project Wafer) изготовления ФИС, когда на одной пластине размещаются топологии ФИС от разных заказчиков. PDK позволяет формализовать взаимодействие заказчиков с технологической площадкой ввиду того, что в PDK описаны и структурированы все возможности и ограничения фабрики. В частности, PDK содержит шаблоны ячеек ФИС с доступным числом оптических входных и выходных элементов, электрических контактов. Кроме того, стандартизация размеров и конфигурации ячеек ФИС позволяет технологической площадке добиться автоматизации технологических процессов. В частности, процессов полировки или другой обработки торцов чипов ФИС, процессов
формирования электрических контактов и т.д.
Одной из перспективных материальных платформ для изготовления ФИС является материальная платформа кремний-на-изоляторе (КНИ). Преимущества материальной платформы КНИ описаны в п. 5.1. настоящей заявки. На основе материальной платформы КНИ могут быть разработаны и серийно изготовлены относительно дешевые устройства на ФИС, применимые для телекоммуникаций, для систем обработки, передачи и защиты информации, для сенсорики, биофотоники и других областей техники.
В настоящий момент в России не существует фабрик, готовых предоставлять пользователям возможность изготовления ФИС в формате MPW запуска с использованием PDK. Это сдерживает развитие науки и техники в России, затрудняет разработку новых образцов техники на основе перспективных технологий, одной из которых является интегральная фотоника и ФИС.
В 2023-2024 годах в Центре исследовательской инфраструктуры Сколтеха был запущен уникальный комплекс оборудования для прототипирования устройств на базе ФИС – более 30 единиц оборудования. Обеспечен замкнутый цикл создания интегрально-оптических устройств: кристальное производство, участок сборки и участок измерений.
Цель: создание в Сколтехе центра прототипирования изделий на базе ФИС – от телекоммуникационного оборудования и систем квантового распределения ключей до медицинских изделий, лидаров, оптоволоконных сенсорных систем и др. Этим обосновывается мотивация в настоящем проекте разработки PDK для фотонных интегральных схем на КНИ под технологическую площадку Сколтеха.
Для моделирования и проектирования ФИС, разработки PDK используется специализированное программное обеспечение. Для обеспечения технологического суверенитета страны критически важным является выполнение разработки ФИС и PDK с использованием программного обеспечения российской разработки. В настоящем проекте для выполнения моделирования и оптимизации топологии и параметров элементов ФИС будет использоваться программное обеспечение Difra.
Модульное программное обеспечение Difra (далее ПО Difra) предназначено для комплексного моделирования, проектирования и разработки интегрально-оптических элементов и ФИС на их основе. ПО Difra включено в Единый реестр российских программ для ЭВМ и БД (Реестровая запись №29049 от 31.07.2025). Функциональные возможности и подробное описание применения ПО Difra для моделирования элементов ФИС, оптимизации их топологии приведено в п. 2.16 настоящей заявки.
Таким образом, данные проект нацелен на решение следующей научно-технологической проблемы: Разработка библиотеки проектирования для пассивных и низкочастотных элементов фотонных интегральных схем на материальной платформе кремний-на-изоляторе под российскую технологическую площадку Центра исследовательской инфраструктуры Сколтеха с использованием российского программного обеспечения Difra.
Технологии интегральной фотоники, в частности, технология на основе КНИ является одной из критических, и требуется для обеспечения технологического суверенитета страны.
В настоящий момент в России данные технологии только начинают развиваться. Проект соответствует Стратегической инициативе Президента РФ «Переход к передовым технологиям проектирования и создания высокотехнологичной продукции, основанным на применении интеллектуальных производственных решений, роботизированных и высокопроизводительных вычислительных систем, новых материалов и химических соединений, результатов обработки больших объемов данных, технологий машинного обучения и искусственного интеллекта», а также приоритетному направлению НИОКТР «Безопасность получения, хранения, передачи и обработки информации» в связи с тем, что:
- согласно Распоряжению Правительства РФ от 17 января 2020 г. № 20-р О Стратегии развития электронной промышленности РФ на период до 2030 г. и плане мероприятий по ее реализации, приборы оптоэлектроники и фотоники относятся к изделиям электронной компонентной базы;
- библиотека проектирования, разрабатываемая в проекте, является одним из инструментов для проектирования (разработка топологии фотонной интегральной схемы, генерация GDS маски) ФИС. Одно из базовых применений ФИС – телекоммуникации, в т.ч. квантовые, используемые именно для защищенной передачи информации;
- технологии интегральной фотоники - сквозные базовые технологии, позволяющие создавать новые устройства и системы не только для телекоммуникаций, но и для сенсорики, навигационных систем, биологии и медицины.
Новизна настоящего проекта заключается в том, что для российской технологической площадки:
1) Впервые в России будет разработан PDK на материальной платформе кремний-на-изоляторе.
2) Впервые в России будут разработаны правила проектирования для экспериментальной технологии изготовления элементов ФИС кремний-на-изоляторе.
3) Впервые в России будут рассчитаны S-параметры элементов для экспериментальной технологии изготовления элементов ФИС на кремний-на-изоляторе.
4) Впервые в России, моделирование и разработка набора базовых элементов ФИС будет выполняться в ПО российской разработки для PDK.
Реализация данного проекта, с учетом планируемых результатов и описанной выше новизны, позволит развивать в стране технологии интегральной фотоники, вести разработку новых видов техники на основе ФИС.
|
| Типы НИОКТР |
Разработка новых материалов, научно-методических материалов, продуктов, процессов, программ, устройств, типов, элементов, услуг, систем, методов, методик, рекомендаций, предложений, прогнозов
|
