Фотон-эффект: новые устройства наделят беспилотный транспорт зрением
Российские ученые разработали устройство, которое позволяет обрабатывать или пересылать видеосигнал сразу без его преобразования в электронный, как это делают современные схемы. Подобные устройства составляют основу дешевых лидаров — приборов «машинного зрения» — для беспилотных автомобилей или дронов. Сегодня комплект такого оборудования стоит дороже самой машины. Появление доступных технологий позволит не только удешевить беспилотный транспорт, снизить количество аварий, но и поможет быстро обрабатывать сигналы для баз данных и систем связи нового поколения — 5G и 6G.
Поймать свет
В МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова» создали устройство для сверхбыстрой обработки информации на базе российских фотонных интегральных схем.
В большинстве используемых сейчас приборов для хранения и обработки данных в качестве носителей информации фигурируют электроны. Фотонные сигналы применяют повсеместно для сверхбыстрой передачи информации между континентами по оптоволоконным кабелям, а вот в области обработки данных они освоены не так широко. Тем не менее такой подход имеет колоссальный потенциал, который микроэлектронные технологии почти исчерпали.
Для управления фотонами и проведения логических операций с ними необходимы специальные модуляторы света, преобразующие высокочастотные электрические сигналы в оптические. Одни из наиболее перспективных типов таких устройств — электрооптические модуляторы, основанные на эффекте изменения оптических свойств материала при приложении к нему напряжения сверхвысокой частоты. Команда НОЦ «Функциональные микро/наносистемы» (НОЦ «ФМН») разработала один из ключевых элементов таких электрооптических модуляторов.
Пучок оптического волокна в руках работника участка оптоволокна предприятия по производству телекоммуникационного оборудования
— В фотонных схемах свет распространяется по специальным каналам — оптическим волноводам, — рассказал «Известиям» руководитель направления нанофотоники НОЦ «ФМН» Александр Бабурин. — Активный элемент модулятора нужен для управления фазой распространяющегося света внутри этих волноводов.
Для модулятора был сделан сверхтонкий материал — оксид индия-олова с особыми электрооптическими свойствами. В НОЦ «ФМН» провели большую исследовательскую работу по управлению свойствами таких пленок толщиной всего 10–20 нанометров. Ученые создали метод их синтеза и изготовления многослойных структур на основе этого материала.
— Разработанные технологии модуляции света для фотонных микросхем формируют основу элементной базы нового поколения СВЧ-устройств, — отметил директор НОЦ «ФМН» Илья Родионов. — Уже сегодня мы создаем фундамент для твердотельных, а значит, массовых и более доступных лидарных комплексов (они отвечают за «машинное зрение» — «Известия») и нейроморфных систем (устройства, схожие по структуре с биологическими нейросетями — «Известия»), приложений искусственного интеллекта и будущих телекоммуникационных 6G-сетей.
Для управления лучом лидара, который сканирует пространство вокруг транспортного средства, автомобиля или дрона, как раз нужны подобные электрооптические модуляторы.
В фотонных интегральных схемах нет движущихся частей, что делает их намного более привлекательными по сравнению с используемыми сейчас устройствами. Благодаря этому лидары на основе нанофотонных элементов будут значительно дешевле и на порядок надежнее, пояснили разработчики.
Сама по себе технология обработки фотонов не нова. Но у современных устройств есть ряд недостатков: большие размеры, потеря информации при обработке. Для существующих решений размер элемента исчислялся миллиметрами, ученые же из МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова» сообщают о размере таких схем в несколько десятков микрометров. Потери внутри такого элемента будут крайне малы, что обеспечит ему высокую точность передачи информации, а применение электрооптических эффектов обеспечит высокую энергоэффективность.
Чем меньше, тем круче
Модуляция лазерного излучения — это фундаментальная задача для обработки и передачи информации оптическими средствами, рассказал «Известиям» заведующий лабораторией Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ «МИФИ» профессор Ростислав Стариков.
— По сути, это процесс быстрого включения и выключения сигнала для создания нулей и единиц, которыми кодируется информация, — пояснил ученый. — Есть свет — единица, нет его — ноль. Сейчас для этого используют устройства размером с десяток сантиметров. Именно с их помощью мы, например, смотрим видео в интернете, сигнал для которого передается по оптоволокну. Они обладают хорошими оптоэлектрическими свойствами, но имеют ограничения по качеству сигнала. Устройства следующего поколения хотелось бы сделать уже в виде микросхем.
Лидар, установленный в решетке радиатора беспилотного автомобиля
Предложенные устройства могут найти применение в самое ближайшее время в случае освоения серийного производства чипов и их корпусирования, для этого в стране есть все условия, считает руководитель молодежной лаборатории интегральной фотоники ПГНИУ, старший научный сотрудник ЦК НТИ «Фотоника» Роман Пономарев.
— Оптический модулятор — основа множества оптических систем, например систем обработки сигналов оптических датчиков, — заявил эксперт. — В случае если технология позволит выпускать модуляторы тысячами, мы будем иметь дешевые системы опроса волоконных датчиков, что поможет предотвратить техногенные аварии и катастрофы.
Как уточнил Ростислав Стариков, применять такие технологии можно будет также для передачи информации не только по оптоволокну, но и в сетях следующего поколения, в 5G и 6G. Благодаря миниатюрному размеру подобные микросхемы можно будет ставить в носимые устройства или даже в ближайшем будущем вживлять в тело человека.
