eng
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2026.20.5.320.329
В Российской Федерации произошел качественный скачок в структурировании работ в области фотоники. Однако существуют специфические проблемы, связанные с серийным производством фотонных интегральных схем (ФИС). Предложено для систематизации работ по созданию фотонных элементов и определения их рыночной востребованности приступить к формированию номенклатуры фотонной компонентной базы (ФКБ). Приведены обоснованные доводы необходимости воплощения такого инструмента структурирования.
В Российской Федерации произошел качественный скачок в структурировании работ в области фотоники. Однако существуют специфические проблемы, связанные с серийным производством фотонных интегральных схем (ФИС). Предложено для систематизации работ по созданию фотонных элементов и определения их рыночной востребованности приступить к формированию номенклатуры фотонной компонентной базы (ФКБ). Приведены обоснованные доводы необходимости воплощения такого инструмента структурирования.
Круг сформирован, вопросы сформулированы. Что дальше?
А. В. Шипулин
Сколковский институт науки и технологий («Сколтех»), Москва, Россия
В Российской Федерации произошел качественный скачок в структурировании работ в области фотоники. Однако существуют специфические проблемы, связанные с серийным производством фотонных интегральных схем (ФИС). Предложено для систематизации работ по созданию фотонных элементов и определения их рыночной востребованности приступить к формированию номенклатуры фотонной компонентной базы (ФКБ). Приведены обоснованные доводы необходимости воплощения такого инструмента структурирования.
Ключевые слова: фотоника, фотонные интегральные схемы, фотонная компонентная база (ФКБ)
Статья поступила: 05.07.2026
Статья принята: 27.07.2026
За последние несколько лет в областях, так или иначе связанных с фотонными интегральными схемами (ФИС), произошли достаточно интересные изменения. Попробуем разобраться в динамике этих процессов.
Два года назад, в 2024 году, в статье «Фотоника: техника уточнения», DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2024.18.8.592.597, мы начали обсуждение с основных проблем, то есть физических основ строения и функционирования ФИС, вопросов рыночной востребованности, приоритетов развития и т. д. В данной статье я бы хотел продолжить тему развития технологий ФИС, обратить внимание на современные тенденции, а также в особенности на то, что и как произошло в области ФИС в Российской Федерации за последние несколько лет.
Начнем с последнего вопроса. На самом деле, в Российской Федерации произошел качественный скачок в структурировании работ в области фотоники и, поскольку ФИС является областью фотоники, в области работ, касающихся непосредственно ФИС. Я имею в виду, разумеется, принятие Комплексной аналитической программы (КАП) по фотонике, где ясно прописаны приоритетные направления развития. КАП была создана в рамках работы рабочей группы (РГ) Минпромторга под руководством Д. А. Автайкина (в настоящее время Д. А. Автайкин является Гендиректором холдинга «Российские космические системы» – РКС) и утверждена министром Минпромторга России А. А. Алихановым. Таким образом, КАП в настоящее время является основополагающим документом, устанавливающим приоритеты развития фотоники в Российской Федерации, на основе которого и должна строиться дальнейшая работа по структуризации и приоритизации развития фотоники. Вторым важным шагом в этом направлении явилась организация Целевой поисковой лаборатории (ЦПЛ) на базе НПО «Орион». В рамках деятельности этой ЦПЛ (2024–2025 гг.) на основе КАП были выбраны приоритетными и детально проработаны следующие направления:
В данной статье я остановлюсь только на второй тематике – телекоммуникационные системы, поскольку эта область в настоящее время является областью моих интересов. ФИС в основном предлагаются к применению именно в этой области, однако рассмотренный ниже подход к структуризации и систематизации работ охватывает не только и не столько круг проблем, связанный с ФИС. Пропуская все необходимые в таких случаях слова о важности и нужности телекоммуникационных систем, перейдем сразу к предпринятой попытке предложить структуризацию работ данного направления. В данном случае я несколько расширю тематику, название для которой можно сформулировать как «Высокоскоростные оптические системы передачи и обработки информации». Существует несколько требований к структуризации работ вне зависимости от направления (хотя, повторюсь, в данной статье рассматриваются лишь оптические системы передачи и обработки информации).
Первое и очевидное: структура должна отражать существующие реалии. Реалии таковы, что фотоника является на сегодняшний день не отдельным национальным проектом, а поддерживающей технологией. По факту это означает, что применения технологий фотоники существуют как составные части в большом количестве проектов, но отдельная строка финансирования для разработки таких технологий в рамках проектов в большинстве случаев не предусмотрена. Средства выделяются именно на применение таких технологий, но не на их развитие.
Рассмотрим конкретный пример. Предлагается проект на основе фотонных технологий для космических аппаратов – применение ФИС для систем бортовой коммуникации и сенсорики. С технической точки зрения понятно, что применение ФИС решает определенный круг задач лучше, чем какой-либо другой подход. Тем не менее разработка и создание самих ФИС в рамках проекта не предусматривается, предполагается, что необходимые ФИС уже существуют. Вопрос в следующем – а на какие средства разрабатывать и создавать в данном случае сами ФИС? Ясно, что для этого нужно дополнительное финансирование.
Предлагаемое решение этой проблемы может быть следующим. Если в рамках какого-либо проекта, направленного на создание конкретного устройства, необходимо разработать конкретную технологию фотоники, то на это должны выделяться средства а) дополнительно; б) действия должны быть координированы. Последнее (координация) необходимо потому, что требуемая технология в большинстве случаев возникает во многих проектах и должна разрабатываться один раз для всех во избежание двойного финансирования. Имеется в виду, разумеется, государственное финансирование, частные компании могут по желанию разрабатывать такие технологии, каждая в своем контуре, при условии наличия ресурсов. Достаточного количества ресурсов, необходимых для построения фабрики по производству ФИС, вряд ли готова выделить какая-либо из российских компаний. К тому же это и ни к чему, поскольку фабрика вряд ли сможет быть загружена полностью одним заказчиком. Таким образом, возникает необходимость создания одной фабрики на всех, что и было сделано – была построена фабрика по производству ФИС – Московский центр фотоники (МЦФ) в Алабушево. Когда МЦФ заработает и выйдет на проектную мощность, проблема создания самих ФИС будет решена. В настоящее время процесс изготовления ФИС – начиная от дизайна и заканчивая корпусированием – создан в нескольких организациях, о чем будет сказано ниже.
Итак, строительство фабрики ФИС явилось следствием вывода о том, что во многих проектах последние будут востребованы в достаточном количестве. То есть был проведен в первом приближении аудит проектов, из которого следовало, что данную технологию надо развить не в рамках какого-то одного проекта, а как элемент фотонной компонентной базы (ФКБ). Предлагается поступить аналогично и в других случаях. В рамках предлагаемой структуризации работ по фотонике необходимо провести аудит нацпроектов, в которых востребованы технологии фотоники. После этого необходимо сформировать список технологий фотоники, которые являются необходимыми для нацпроектов.
Предварительно эта работа была сделана в рамках Целевой поисковой лаборатории (ЦПЛ) на НПО «Орион» для систем оптической передачи и обработки информации. Оказалось, что во всех нацпроектах в той или иной степени востребовано весьма ограниченное количество разных типов технологий, которые в первом приближении можно разделить на следующие области:
По сути, любая система в оптическом телекоме содержит как составные части подсистемы из этих областей. В свою очередь, каждая из этих областей декомпозируется на номенклатуру фотонной компонентной базы – ФКБ (по аналогии с ЭКБ). В ФКБ входят элементы, которые принадлежат либо одной, либо нескольким вышеназванным областям. Например, лазеры входят в области 1. Передатчики, 3. Оптические усилители, 4. Приемники (когерентные) и 5. Трансиверы. По сути, ФКБ представляет собой набор, из которого собирается любая система из списка областей. При этом заботой производителя такой системы является именно сборка, а не разработка и создание ФКБ, то есть не создание технологий. Иначе говоря, вопросы разработки технологий для ФКБ и создание самой ФКБ – это задача, которая должна быть выполнена отдельно и до момента разработки систем из списка. В свою очередь, конкретная система из списка является предметом разработки в рамках конкретных проектов в рамках нацпроектов. Таким образом решается задача разделения создания технологий фотоники (ФКБ) и использования этих технологий в проектах. Схема всей декомпозиции приведена ниже, на рисунке.
Важно отметить, что основные фундаментальные компетенции технологий фотоники используются именно при создании ФКБ. Для производства любой системы из списка областей в первую очередь нужны инженерные компетенции и умения работать с САПР, который, кстати, тоже является одним из элементов ФКБ.
Таким образом, задача систематизации работ в области фотоники сводится к следующим шагам:
Формирование номенклатуры ФКБ может быть наиболее эффективно сделано на основе компьютерной программы, которая бы структурировала и систематизировала запросы со стороны областей на создание ФКБ. Для того чтобы такая программа могла работать, необходимо принять универсальный список параметров для характеризации элементов ФКБ. После этого производится аудит имеющихся в распоряжении компонентов, идентифицируются отсутствующие и последние приоритезируются для постановки проектов для их создания.
Суть предложенного подхода заключается в том, что формирование номенклатуры ФКБ идет от запроса в рамках нацпроектов, то есть все таким образом идентифицированные компоненты ФКБ заведомо объективно востребованы. В условиях дефицита ресурсов и времени такой подход представляется разумным.
ФИС в рамках представленного подхода относятся к ФКБ. Особенностью в данном случае является то, что ФИС заказывается и изготавливается под конкретные задачи в рамках конкретного проекта. Стандартными элементами являются отдельные компоненты на ФИС, то есть, например, модуляторы, приемники, ответвители, гибриды и т. д., которые и комбинируются для конкретного применения. На самом деле, такой подход – кастомизированная ФКБ – может применяться не только в случае ФИС, но и для других элементов.
На сегодняшний день существует несколько площадок для обсуждения вопросов структурирования работ в области фотоники. В рамках Минпромторга на постоянной основе функционируют две рабочие группы (РГ). Ежегодная конференция, проходящая в рамках форума «Микроэлектроника» в Сочи, предоставляет площадку для производителей как микроэлектронного оборудования, так и для производителей изделий фотоники.
Запущенная заново в 2026 году конференция «Микроэлектронные системы» в Сколтехе будет сконцентрирована более на прорывных исследованиях и технологиях. Традиционная конференция «Оптика Лазеров», каждые два года собирающая специалистов в Санкт-Петербурге, охватывает более широкий круг вопросов фотоники. На мой взгляд, площадок на сегодняшний день вполне достаточно; круг участников сформирован, вопросы сформулированы. Необходимо продолжение системной работы по формированию научного и технологического ландшафта фотоники в Российской Федерации, в частности ФИС.
В области ФИС в мире также произошли серьезные сдвиги, и связаны они в первую очередь с развитием технологии ИИ. До последнего времени (эпоха до ИИ) основной платформой для активных ФИС в области оптического телекома считалась платформа SOI. Основным драйвером развития ФИС в настоящее время (эпоха ИИ) являются ЦОД, в которых используется огромное количество трансиверов. Одним из основных параметров таких трансиверов, наряду с быстродействием, является энергопотребление. Новая материальная платформа тонкопленочного ниобата лития (TFLN – Thin Film Lithium Niobate) оказалась в разы более энергоэффективной по сравнению с платформой SOI при тех же или даже лучших параметрах быстродействия. Поэтому практически все современные устройства на основе ФИС имеют тенденцию к переходу на платформу TFLN, которая, по-видимому, и будет основной платформой для высокочастотных ФИС. Сочетание TFLN с платформой SiN, имеющей минимальные оптические потери, а также гетерогенной интеграции с компонентами на основе А3В5, является основным современным технологическим трендом в области ФИС.
В области TFLN в Российской Федерации ведутся разработки в ФТИ им. Иоффе и в НИУ ВШЭ. На прошедшей недавно в Сколтехе конференции были анонсированы два первых в Российской Федерации запуска MPW, а именно: Сколтех анонсировал запуск MPW на платформе SOI, а МГТУ им. Баумана сообщил о запуске MPW на материальной платформе SiN. В комплексе с предлагаемыми услугами ЗНТЦ по изготовлению ФИС на материальной платформе SiON, а также с запуском МЦФ в Алабушево, в Российской Федерации будет сформирована сеть центров, покрывающих запросы на основные материальные платформы в производстве ФИС.
Не менее важным, чем сами ФИС для оптического телекома, являются дизайн и производство высокочастотных тестовых плат, на которые монтируются ФИС – РСВ-платы. Дело в том, что сама по себе ФИС не является конечным продуктом. Таким продуктом является ФИС, корпусированная на PCB-плате с набором электроники (в первом приближении это драйвер для модулятора, трансимпедансный усилитель TIA и чип обработки данных – DSP). Принятое для такого продукта название – оптический движок (Optical Engine). Ограничения на ширину полосы АЧХ для полного изделия – ФИС на РСВ – складываются из ограниченной полосы ФИС и РСВ. В этом месте необходимо привести некоторые цифры, чтобы понимать, каких параметров для ФИС и РСВ необходимо достичь. В настоящее время реперными точками бодовых частот повторения являются 25 Гбод, 50 Гбод и 100 Гбод; необходимые битовые частоты получаются с помощью мультиплексирования тем или иным способом. Например, в дальних линиях связи используется формат модуляции DP-QPSK с полной информационной емкостью 100 Гбит/с. Он состоит из двух потоков на перпендикулярных поляризациях (DP – Dual Polarisation), в каждой из которых распространяется сигнал с квадратурной модуляцией, позволяющей распространять в одном временном слоте 2 бита. Таким образом, бодовая частота 25 Гбод обеспечивает полную информационную емкость в 100 Гбит / с. Следовательно, полная АЧХ ФИС + РСВ должна быть достаточной, чтобы обеспечить бодовую частоту в 25 Гбод. Принято считать, что АЧХ для цифрового формата модуляции должна быть на уровне 70% от бодовой частоты, то есть для обеспечения 25 Гбод достаточно иметь полную АЧХ в 17,5 ГГц. На самом деле это не так. Необходимо помнить, что для обеспечения низкого уровня ошибок применяются системы коррекции – FEC (Forward Error Correction). Применение FEC требует увеличения бодовой частоты в зависимости от применяемого кода, в случае DP-QPSK это означает бодовую частоту не 25 Гбод, а 32 Гбод. Таким образом, полная АЧХ ФИС + РСВ должна быть не меньше 22,4 ГГц. Учитывая, что два последовательных фильтра приводят к уменьшению АЧХ приблизительно в 1,4 раза, получаем, что АЧХ для ФИС и РСВ по отдельности должны быть приблизительно 32 ГГц. Аналогично для бодовых частот в 50 Гбод необходима АЧХ в 64 ГГц, а для 100 Гбод – 128 ГГц.
Теперь оценим, каким образом мы можем удовлетворить потребности наиболее интересного и быстрорастущего рынка ЦОД, в особенности ЦОД для ИИ. Не вдаваясь в подробности, вспомним, что для ЦОД необходимые емкости информационных потоков составляют 400 Гбит / с, 800 Гбит / с, 1,6 Тбит / с и 3,2 Тбит / с. В первом приближении скорости информационных потоков 400 Гбит / с достигаются с бодовой частотой 25 Гбод, до 800 Гбит / с достигаются с бодовой частотой 50 Гбод, а 1,6 Тбит / с и 3,2 Тбит / с достигаются только при бодовых частотах в 100 Гбод (предполагая 8 каналов; все цифры без учета FEC). Отметим, что для ЦОД для ИИ информационные потоки в 1,6 Тбит / с и 3,2 Тбит / с являются наиболее востребованными. В Российской Федерации для бодовых частот в 25 Гбод уже существуют протестированные решения, где все, кроме изготовления ФИС, локализовано внутри страны. Для решений на 50 Гбод существуют дизайны и отдельные пробные образцы, но для достижения того же уровня, который уже достигнут для 25 Гбод, необходимо около 1,5–2 лет и затраты около 100 млн руб. Работы по достижению 100 Гбод практически еще не начинались. Таким образом, решения на 400 Гбит / с в первом приближении готовы, до 800 Гбит / с – при достаточном финансировании экспериментальные образцы будут готовы через 1,5–2 года, оценить время и затраты на создание решений на 100 Гбод можно лишь очень приблизительно, в 3–5 лет и затрат в несколько сотен миллионов рублей.
Коммерчески востребованы в Российской Федерации в настоящее время оптические движки на 400 Гбит / с и 800 Гбит / с. То есть в настоящее время разработка 50 Гбод решения оптических движков является коммерчески оправданной. Вообще же стоит отметить, что существует запрос реального сектора экономики (как коммерческого, так и государственного) на решения 25 Гбод и 50 Гбод, однако изготовление самих таких оптических движков в рамках проектов, как правило, не предусматривается. Поэтому такого рода перспективные работы, разумеется, должны быть поставлены и профинансированы отдельно.
Стоит отметить, что в настоящее время все высокочастотные ФИС и соответствующая микроэлектроника производится в Китае и, по-видимому, в ближайшие пару лет эта ситуация не изменится. Еще одна проблема связана с отсутствием доступного высокочастотного тестового оборудования: до 50 Гбод такое оборудование найти еще можно, а вот для 100 Гбод такого оборудования на сегодняшний день в доступе просто нет. В этой ситуации единственным разумным выходом является локализация в Российской Федерации всего, что возможно локализовать на сегодняшний день. В случае решений до 25 Гбод это уже сделано: дизайн (ФИС и РСВ), корпусировка, тестирование локализованы в Российской Федерации, на аутсорсе в Китае находится лишь изготовление ФИС и закупка микроэлектроники (Сколтех & ФИСТЕХ). Представляется необходимым сделать то же самое для решений 50 Гбод и 100 Гбод. Стоит также отметить, что переход от 25 Гбод к 50 Гбод и тем более 100 Гбод требует качественно другого подхода в дизайне и корпусировании.
Дизайн для ФИС и РСВ должен выполняться совместно, а не по отдельности, как для 25 Гбод. Корпусирование должно выполняться по технологии flip-chip bonding для обеспечения необходимой полосы АЧХ. Недавно была запущена инициатива по совместному дизайну высокочастотных ФИС, РСВ и микроэлектроники, что позволит по крайней мере, достоверно контролировать дизайн ФИС и микроэлектроники, а также уже на этапе дизайна обеспечить совместимость решений для ФИС, микроэлектроники и РСВ (Мальт Систем & Сколтех & ФИСТЕХ). Такой подход, даже при условии производства ФИС и микроэлектроники в Китае, в первом приближении гарантирует отсутствие неожиданностей, связанных с требованиями суверенитета при производстве компонент критической инфраструктуры.
Следует также остановиться на специфических проблемах, связанных с массовым производством ФИС. Во-первых, необходимо обеспечить наиболее рациональный способ тестирования на уровне пластин по окончании всего техпроцесса. Поскольку процент годных далек от 100%, необходимо отбраковывать нефункциональные ФИС на наиболее раннем этапе. Во-вторых, новой парадигмой создания ФИС является гетерогенная сборка, а не работа в рамках одной материальной платформы. То есть технологический маршрут изготовления ФИС подразумевает перемещение пластин между разными фабриками в зависимости от дизайна. Ясно, что в этом случае необходима координация между фабриками, которую может обеспечить опять же интернет-платформа. Создание такой платформы, наряду с работой над решениями 50 Гбод и 100 Гбод, представляется крайне актуальным.
Подводя итоги сказанного, можно заключить, что к настоящему времени:
Представляются актуальными следующие проекты:
АВТОР
Шипулин Аркадий Владимирович, д. ф.‑ м. н., профессор, руководитель лаборатории, Лаборатория интегральной фотоники, Проектный центр прикладной фотоники, Сколковский институт науки и технологий («Сколтех»), e-mail: A.Shipulin@skoltech.ru, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0002-2622-6580
А. В. Шипулин
Сколковский институт науки и технологий («Сколтех»), Москва, Россия
В Российской Федерации произошел качественный скачок в структурировании работ в области фотоники. Однако существуют специфические проблемы, связанные с серийным производством фотонных интегральных схем (ФИС). Предложено для систематизации работ по созданию фотонных элементов и определения их рыночной востребованности приступить к формированию номенклатуры фотонной компонентной базы (ФКБ). Приведены обоснованные доводы необходимости воплощения такого инструмента структурирования.
Ключевые слова: фотоника, фотонные интегральные схемы, фотонная компонентная база (ФКБ)
Статья поступила: 05.07.2026
Статья принята: 27.07.2026
За последние несколько лет в областях, так или иначе связанных с фотонными интегральными схемами (ФИС), произошли достаточно интересные изменения. Попробуем разобраться в динамике этих процессов.
Два года назад, в 2024 году, в статье «Фотоника: техника уточнения», DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2024.18.8.592.597, мы начали обсуждение с основных проблем, то есть физических основ строения и функционирования ФИС, вопросов рыночной востребованности, приоритетов развития и т. д. В данной статье я бы хотел продолжить тему развития технологий ФИС, обратить внимание на современные тенденции, а также в особенности на то, что и как произошло в области ФИС в Российской Федерации за последние несколько лет.
Начнем с последнего вопроса. На самом деле, в Российской Федерации произошел качественный скачок в структурировании работ в области фотоники и, поскольку ФИС является областью фотоники, в области работ, касающихся непосредственно ФИС. Я имею в виду, разумеется, принятие Комплексной аналитической программы (КАП) по фотонике, где ясно прописаны приоритетные направления развития. КАП была создана в рамках работы рабочей группы (РГ) Минпромторга под руководством Д. А. Автайкина (в настоящее время Д. А. Автайкин является Гендиректором холдинга «Российские космические системы» – РКС) и утверждена министром Минпромторга России А. А. Алихановым. Таким образом, КАП в настоящее время является основополагающим документом, устанавливающим приоритеты развития фотоники в Российской Федерации, на основе которого и должна строиться дальнейшая работа по структуризации и приоритизации развития фотоники. Вторым важным шагом в этом направлении явилась организация Целевой поисковой лаборатории (ЦПЛ) на базе НПО «Орион». В рамках деятельности этой ЦПЛ (2024–2025 гг.) на основе КАП были выбраны приоритетными и детально проработаны следующие направления:
- системы технического зрения;
- телекоммуникационные системы;
- системы навигации;
- системы отображения информации.
В данной статье я остановлюсь только на второй тематике – телекоммуникационные системы, поскольку эта область в настоящее время является областью моих интересов. ФИС в основном предлагаются к применению именно в этой области, однако рассмотренный ниже подход к структуризации и систематизации работ охватывает не только и не столько круг проблем, связанный с ФИС. Пропуская все необходимые в таких случаях слова о важности и нужности телекоммуникационных систем, перейдем сразу к предпринятой попытке предложить структуризацию работ данного направления. В данном случае я несколько расширю тематику, название для которой можно сформулировать как «Высокоскоростные оптические системы передачи и обработки информации». Существует несколько требований к структуризации работ вне зависимости от направления (хотя, повторюсь, в данной статье рассматриваются лишь оптические системы передачи и обработки информации).
Первое и очевидное: структура должна отражать существующие реалии. Реалии таковы, что фотоника является на сегодняшний день не отдельным национальным проектом, а поддерживающей технологией. По факту это означает, что применения технологий фотоники существуют как составные части в большом количестве проектов, но отдельная строка финансирования для разработки таких технологий в рамках проектов в большинстве случаев не предусмотрена. Средства выделяются именно на применение таких технологий, но не на их развитие.
Рассмотрим конкретный пример. Предлагается проект на основе фотонных технологий для космических аппаратов – применение ФИС для систем бортовой коммуникации и сенсорики. С технической точки зрения понятно, что применение ФИС решает определенный круг задач лучше, чем какой-либо другой подход. Тем не менее разработка и создание самих ФИС в рамках проекта не предусматривается, предполагается, что необходимые ФИС уже существуют. Вопрос в следующем – а на какие средства разрабатывать и создавать в данном случае сами ФИС? Ясно, что для этого нужно дополнительное финансирование.
Предлагаемое решение этой проблемы может быть следующим. Если в рамках какого-либо проекта, направленного на создание конкретного устройства, необходимо разработать конкретную технологию фотоники, то на это должны выделяться средства а) дополнительно; б) действия должны быть координированы. Последнее (координация) необходимо потому, что требуемая технология в большинстве случаев возникает во многих проектах и должна разрабатываться один раз для всех во избежание двойного финансирования. Имеется в виду, разумеется, государственное финансирование, частные компании могут по желанию разрабатывать такие технологии, каждая в своем контуре, при условии наличия ресурсов. Достаточного количества ресурсов, необходимых для построения фабрики по производству ФИС, вряд ли готова выделить какая-либо из российских компаний. К тому же это и ни к чему, поскольку фабрика вряд ли сможет быть загружена полностью одним заказчиком. Таким образом, возникает необходимость создания одной фабрики на всех, что и было сделано – была построена фабрика по производству ФИС – Московский центр фотоники (МЦФ) в Алабушево. Когда МЦФ заработает и выйдет на проектную мощность, проблема создания самих ФИС будет решена. В настоящее время процесс изготовления ФИС – начиная от дизайна и заканчивая корпусированием – создан в нескольких организациях, о чем будет сказано ниже.
Итак, строительство фабрики ФИС явилось следствием вывода о том, что во многих проектах последние будут востребованы в достаточном количестве. То есть был проведен в первом приближении аудит проектов, из которого следовало, что данную технологию надо развить не в рамках какого-то одного проекта, а как элемент фотонной компонентной базы (ФКБ). Предлагается поступить аналогично и в других случаях. В рамках предлагаемой структуризации работ по фотонике необходимо провести аудит нацпроектов, в которых востребованы технологии фотоники. После этого необходимо сформировать список технологий фотоники, которые являются необходимыми для нацпроектов.
Предварительно эта работа была сделана в рамках Целевой поисковой лаборатории (ЦПЛ) на НПО «Орион» для систем оптической передачи и обработки информации. Оказалось, что во всех нацпроектах в той или иной степени востребовано весьма ограниченное количество разных типов технологий, которые в первом приближении можно разделить на следующие области:
- Передатчики;
- Оптические кабели;
- Оптические усилители;
- Приемники;
- Трансиверы;
- САПР.
По сути, любая система в оптическом телекоме содержит как составные части подсистемы из этих областей. В свою очередь, каждая из этих областей декомпозируется на номенклатуру фотонной компонентной базы – ФКБ (по аналогии с ЭКБ). В ФКБ входят элементы, которые принадлежат либо одной, либо нескольким вышеназванным областям. Например, лазеры входят в области 1. Передатчики, 3. Оптические усилители, 4. Приемники (когерентные) и 5. Трансиверы. По сути, ФКБ представляет собой набор, из которого собирается любая система из списка областей. При этом заботой производителя такой системы является именно сборка, а не разработка и создание ФКБ, то есть не создание технологий. Иначе говоря, вопросы разработки технологий для ФКБ и создание самой ФКБ – это задача, которая должна быть выполнена отдельно и до момента разработки систем из списка. В свою очередь, конкретная система из списка является предметом разработки в рамках конкретных проектов в рамках нацпроектов. Таким образом решается задача разделения создания технологий фотоники (ФКБ) и использования этих технологий в проектах. Схема всей декомпозиции приведена ниже, на рисунке.
Важно отметить, что основные фундаментальные компетенции технологий фотоники используются именно при создании ФКБ. Для производства любой системы из списка областей в первую очередь нужны инженерные компетенции и умения работать с САПР, который, кстати, тоже является одним из элементов ФКБ.
Таким образом, задача систематизации работ в области фотоники сводится к следующим шагам:
- Создание номенклатуры ФКБ, которая должна постоянно пополняться за счет требований со стороны областей;
- Аудит имеющихся ФКБ, идентификация и приоритизация первоочередных элементов, которые необходимо создавать;
- Формирование и запуск проектов по созданию номенклатуры ФКБ.
Формирование номенклатуры ФКБ может быть наиболее эффективно сделано на основе компьютерной программы, которая бы структурировала и систематизировала запросы со стороны областей на создание ФКБ. Для того чтобы такая программа могла работать, необходимо принять универсальный список параметров для характеризации элементов ФКБ. После этого производится аудит имеющихся в распоряжении компонентов, идентифицируются отсутствующие и последние приоритезируются для постановки проектов для их создания.
Суть предложенного подхода заключается в том, что формирование номенклатуры ФКБ идет от запроса в рамках нацпроектов, то есть все таким образом идентифицированные компоненты ФКБ заведомо объективно востребованы. В условиях дефицита ресурсов и времени такой подход представляется разумным.
ФИС в рамках представленного подхода относятся к ФКБ. Особенностью в данном случае является то, что ФИС заказывается и изготавливается под конкретные задачи в рамках конкретного проекта. Стандартными элементами являются отдельные компоненты на ФИС, то есть, например, модуляторы, приемники, ответвители, гибриды и т. д., которые и комбинируются для конкретного применения. На самом деле, такой подход – кастомизированная ФКБ – может применяться не только в случае ФИС, но и для других элементов.
На сегодняшний день существует несколько площадок для обсуждения вопросов структурирования работ в области фотоники. В рамках Минпромторга на постоянной основе функционируют две рабочие группы (РГ). Ежегодная конференция, проходящая в рамках форума «Микроэлектроника» в Сочи, предоставляет площадку для производителей как микроэлектронного оборудования, так и для производителей изделий фотоники.
Запущенная заново в 2026 году конференция «Микроэлектронные системы» в Сколтехе будет сконцентрирована более на прорывных исследованиях и технологиях. Традиционная конференция «Оптика Лазеров», каждые два года собирающая специалистов в Санкт-Петербурге, охватывает более широкий круг вопросов фотоники. На мой взгляд, площадок на сегодняшний день вполне достаточно; круг участников сформирован, вопросы сформулированы. Необходимо продолжение системной работы по формированию научного и технологического ландшафта фотоники в Российской Федерации, в частности ФИС.
В области ФИС в мире также произошли серьезные сдвиги, и связаны они в первую очередь с развитием технологии ИИ. До последнего времени (эпоха до ИИ) основной платформой для активных ФИС в области оптического телекома считалась платформа SOI. Основным драйвером развития ФИС в настоящее время (эпоха ИИ) являются ЦОД, в которых используется огромное количество трансиверов. Одним из основных параметров таких трансиверов, наряду с быстродействием, является энергопотребление. Новая материальная платформа тонкопленочного ниобата лития (TFLN – Thin Film Lithium Niobate) оказалась в разы более энергоэффективной по сравнению с платформой SOI при тех же или даже лучших параметрах быстродействия. Поэтому практически все современные устройства на основе ФИС имеют тенденцию к переходу на платформу TFLN, которая, по-видимому, и будет основной платформой для высокочастотных ФИС. Сочетание TFLN с платформой SiN, имеющей минимальные оптические потери, а также гетерогенной интеграции с компонентами на основе А3В5, является основным современным технологическим трендом в области ФИС.
В области TFLN в Российской Федерации ведутся разработки в ФТИ им. Иоффе и в НИУ ВШЭ. На прошедшей недавно в Сколтехе конференции были анонсированы два первых в Российской Федерации запуска MPW, а именно: Сколтех анонсировал запуск MPW на платформе SOI, а МГТУ им. Баумана сообщил о запуске MPW на материальной платформе SiN. В комплексе с предлагаемыми услугами ЗНТЦ по изготовлению ФИС на материальной платформе SiON, а также с запуском МЦФ в Алабушево, в Российской Федерации будет сформирована сеть центров, покрывающих запросы на основные материальные платформы в производстве ФИС.
Не менее важным, чем сами ФИС для оптического телекома, являются дизайн и производство высокочастотных тестовых плат, на которые монтируются ФИС – РСВ-платы. Дело в том, что сама по себе ФИС не является конечным продуктом. Таким продуктом является ФИС, корпусированная на PCB-плате с набором электроники (в первом приближении это драйвер для модулятора, трансимпедансный усилитель TIA и чип обработки данных – DSP). Принятое для такого продукта название – оптический движок (Optical Engine). Ограничения на ширину полосы АЧХ для полного изделия – ФИС на РСВ – складываются из ограниченной полосы ФИС и РСВ. В этом месте необходимо привести некоторые цифры, чтобы понимать, каких параметров для ФИС и РСВ необходимо достичь. В настоящее время реперными точками бодовых частот повторения являются 25 Гбод, 50 Гбод и 100 Гбод; необходимые битовые частоты получаются с помощью мультиплексирования тем или иным способом. Например, в дальних линиях связи используется формат модуляции DP-QPSK с полной информационной емкостью 100 Гбит/с. Он состоит из двух потоков на перпендикулярных поляризациях (DP – Dual Polarisation), в каждой из которых распространяется сигнал с квадратурной модуляцией, позволяющей распространять в одном временном слоте 2 бита. Таким образом, бодовая частота 25 Гбод обеспечивает полную информационную емкость в 100 Гбит / с. Следовательно, полная АЧХ ФИС + РСВ должна быть достаточной, чтобы обеспечить бодовую частоту в 25 Гбод. Принято считать, что АЧХ для цифрового формата модуляции должна быть на уровне 70% от бодовой частоты, то есть для обеспечения 25 Гбод достаточно иметь полную АЧХ в 17,5 ГГц. На самом деле это не так. Необходимо помнить, что для обеспечения низкого уровня ошибок применяются системы коррекции – FEC (Forward Error Correction). Применение FEC требует увеличения бодовой частоты в зависимости от применяемого кода, в случае DP-QPSK это означает бодовую частоту не 25 Гбод, а 32 Гбод. Таким образом, полная АЧХ ФИС + РСВ должна быть не меньше 22,4 ГГц. Учитывая, что два последовательных фильтра приводят к уменьшению АЧХ приблизительно в 1,4 раза, получаем, что АЧХ для ФИС и РСВ по отдельности должны быть приблизительно 32 ГГц. Аналогично для бодовых частот в 50 Гбод необходима АЧХ в 64 ГГц, а для 100 Гбод – 128 ГГц.
Теперь оценим, каким образом мы можем удовлетворить потребности наиболее интересного и быстрорастущего рынка ЦОД, в особенности ЦОД для ИИ. Не вдаваясь в подробности, вспомним, что для ЦОД необходимые емкости информационных потоков составляют 400 Гбит / с, 800 Гбит / с, 1,6 Тбит / с и 3,2 Тбит / с. В первом приближении скорости информационных потоков 400 Гбит / с достигаются с бодовой частотой 25 Гбод, до 800 Гбит / с достигаются с бодовой частотой 50 Гбод, а 1,6 Тбит / с и 3,2 Тбит / с достигаются только при бодовых частотах в 100 Гбод (предполагая 8 каналов; все цифры без учета FEC). Отметим, что для ЦОД для ИИ информационные потоки в 1,6 Тбит / с и 3,2 Тбит / с являются наиболее востребованными. В Российской Федерации для бодовых частот в 25 Гбод уже существуют протестированные решения, где все, кроме изготовления ФИС, локализовано внутри страны. Для решений на 50 Гбод существуют дизайны и отдельные пробные образцы, но для достижения того же уровня, который уже достигнут для 25 Гбод, необходимо около 1,5–2 лет и затраты около 100 млн руб. Работы по достижению 100 Гбод практически еще не начинались. Таким образом, решения на 400 Гбит / с в первом приближении готовы, до 800 Гбит / с – при достаточном финансировании экспериментальные образцы будут готовы через 1,5–2 года, оценить время и затраты на создание решений на 100 Гбод можно лишь очень приблизительно, в 3–5 лет и затрат в несколько сотен миллионов рублей.
Коммерчески востребованы в Российской Федерации в настоящее время оптические движки на 400 Гбит / с и 800 Гбит / с. То есть в настоящее время разработка 50 Гбод решения оптических движков является коммерчески оправданной. Вообще же стоит отметить, что существует запрос реального сектора экономики (как коммерческого, так и государственного) на решения 25 Гбод и 50 Гбод, однако изготовление самих таких оптических движков в рамках проектов, как правило, не предусматривается. Поэтому такого рода перспективные работы, разумеется, должны быть поставлены и профинансированы отдельно.
Стоит отметить, что в настоящее время все высокочастотные ФИС и соответствующая микроэлектроника производится в Китае и, по-видимому, в ближайшие пару лет эта ситуация не изменится. Еще одна проблема связана с отсутствием доступного высокочастотного тестового оборудования: до 50 Гбод такое оборудование найти еще можно, а вот для 100 Гбод такого оборудования на сегодняшний день в доступе просто нет. В этой ситуации единственным разумным выходом является локализация в Российской Федерации всего, что возможно локализовать на сегодняшний день. В случае решений до 25 Гбод это уже сделано: дизайн (ФИС и РСВ), корпусировка, тестирование локализованы в Российской Федерации, на аутсорсе в Китае находится лишь изготовление ФИС и закупка микроэлектроники (Сколтех & ФИСТЕХ). Представляется необходимым сделать то же самое для решений 50 Гбод и 100 Гбод. Стоит также отметить, что переход от 25 Гбод к 50 Гбод и тем более 100 Гбод требует качественно другого подхода в дизайне и корпусировании.
Дизайн для ФИС и РСВ должен выполняться совместно, а не по отдельности, как для 25 Гбод. Корпусирование должно выполняться по технологии flip-chip bonding для обеспечения необходимой полосы АЧХ. Недавно была запущена инициатива по совместному дизайну высокочастотных ФИС, РСВ и микроэлектроники, что позволит по крайней мере, достоверно контролировать дизайн ФИС и микроэлектроники, а также уже на этапе дизайна обеспечить совместимость решений для ФИС, микроэлектроники и РСВ (Мальт Систем & Сколтех & ФИСТЕХ). Такой подход, даже при условии производства ФИС и микроэлектроники в Китае, в первом приближении гарантирует отсутствие неожиданностей, связанных с требованиями суверенитета при производстве компонент критической инфраструктуры.
Следует также остановиться на специфических проблемах, связанных с массовым производством ФИС. Во-первых, необходимо обеспечить наиболее рациональный способ тестирования на уровне пластин по окончании всего техпроцесса. Поскольку процент годных далек от 100%, необходимо отбраковывать нефункциональные ФИС на наиболее раннем этапе. Во-вторых, новой парадигмой создания ФИС является гетерогенная сборка, а не работа в рамках одной материальной платформы. То есть технологический маршрут изготовления ФИС подразумевает перемещение пластин между разными фабриками в зависимости от дизайна. Ясно, что в этом случае необходима координация между фабриками, которую может обеспечить опять же интернет-платформа. Создание такой платформы, наряду с работой над решениями 50 Гбод и 100 Гбод, представляется крайне актуальным.
Подводя итоги сказанного, можно заключить, что к настоящему времени:
- Созданы и функционируют разнообразные площадки для обсуждения вопросов, связанных с координацией работ в области фотоники и, в частности, ФИС;
- Запущены опытные производства на всех основных материальных платформах, кроме платформы InP;
- Решения для 25 Гбод разработаны и протестированы.
Представляются актуальными следующие проекты:
- Запуск проекта оптических движков на 50 Гбод и 100 Гбод;
- Запуск проекта по созданию прототипа оптического движка на материальной платформе TFLN;
- Запуск проекта по совместному дизайну ФИС, РСВ и микроэлектроники для оптических движков на 25 Гбод, 50 Гбод и 100 Гбод;
- Запуск проекта интернет-платформ по координации: (а) структуризации и координации наполнения номенклатуры ФКБ и (б) работ в области производства и применения ФИС.
АВТОР
Шипулин Аркадий Владимирович, д. ф.‑ м. н., профессор, руководитель лаборатории, Лаборатория интегральной фотоники, Проектный центр прикладной фотоники, Сколковский институт науки и технологий («Сколтех»), e-mail: A.Shipulin@skoltech.ru, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0002-2622-6580
Отзывы читателей
