РЕЗЮМЕ ПРОЕКТА,

выполняемого в рамках ФЦП

«Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-

технологического комплекса России на 2014 – 2020 годы»

 

Номер Соглашения о предоставлении субсидии: 14.579.21.0067

Тема: «Исследование характеристик регенерации полнодуплексных «смартлинк соединений» на основе двухмерных массивов VCSEL-лазеров и pin-фотодиодов с конструктивными элементами, изготовленными методами 3D-печати»

Приоритетное направление: Информационно-телекоммуникационные системы

Критическая технология: Технологии и программное обеспечение распределенных и высокопроизводительных вычислительных систем

Период выполнения: 24.11.2014 - 31.12.2016

Исполнитель: ООО «НТЦ «Интрофизика»

Индустриальный партнер: ООО «НПП САТЭК плюс»

Ключевые слова: СМАРТЛИНК СОЕДИНЕНИЯ, МНОГОКАНАЛЬНАЯ ОПТОВОЛОКОННАЯ ЛИНИЯ, ПОЛНОДУПЛЕКСНАЯ ЛИНИЯ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ, ОПТИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ, ОПТОВОЛОКОННЫЙ ИНТЕРФЕЙС, ВЕРТИКАЛЬНО-ИЗЛУЧАЮЩИЙ ЛАЗЕР, PIN-ФОТОДИОД, ДВУМЕРНЫЙ МАССИВ, ФОТОНИКА, ВНУТРИПЛАТНАЯ ФОТОННАЯ СЕТЬ, ОПТИЧЕСКИЙ СИГНАЛ, МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ СИГНАЛОВ, ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ

1. Цель проекта

Несмотря на впечатляющие достижения зарубежных производителей в области скорости передачи и количества работающих каналов, главным недостатком соединений типа АОК и HPOI является невозможность создания компактных и, в то же время, быстроразъемных оптоволоконных соединений, например, для создания оптических USB-соединений высокой пропускной способности.

Целью работы является создание комплекса научно-технических решений в области разработки оптоэлектронных компонентов полнодуплексных «смартлинк соединений», изготовленных методами 3D-печати, для создания оптоэлектронных вычислительных комплексов.

2. Основные результаты проекта

В ходе выполнения первого этапа проекта:

1) Проведен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ. Аналитический обзор показал, что создание работоспособного образца полнодуплексного «смартлинк соединения» на основе двумерных массивов VCSEL-лазеров и pin-фотодиодов с конструктивными элементами, изготовленными методами 3D-печати, и последующее исследование его характеристик регенерации достаточно актуально, несмотря на то, что на сегодняшний день существует достаточное многообразие конструктивных решений АОК, зависящих от целого ряда факторов – от основных показателей топологии оптического тракта до динамики развития и характера канальной нагрузки.

2) Проведены патентные исследования, которые показали близость четырех объектов к разрабатываемому экспериментальному образцу полнодуплексного «смартлинк соединения» и доказали патентную чистоту собственных конструктивных решений.

3) Разработаны технические принципы создания оптоэлектронных компонентов для создания перспективных оптоэлектронных вычислительных комплексов с применением полнодуплексных «смартлинк соединений»: магистрально-модульного построения полнодуплексных «смартлинк соединений», функционального построения полнодуплексных «смартлинк соединений» и организации двусторонней связи, использования многоканальных безлинзовых оптических делителей, использования в полнодуплексных «смартлинк соединениях» оптических элементов, изготовленных методами 3D-печати.

4) Разработаны технические требования к лабораторному комплексу для исследования характеристик регенерации экспериментального образца полнодуплексного «смартлинк соединения», определяющие его необходимые конструктив и функциональный состав и назначение.

В ходе выполнения второго этапа проекта:

1) Проведены теоретические исследования в области разработки двухмерных массивов pin-фотодиодов для полнодуплексных «смартлинк соединений» на основе конструктивных элементов, изготовленных методами 3D-печати. Исследования показали необходимость разработки индивидуального массива фотодиодов для приемников приемопередающих модулей

2) Разработан макет двухмерного массива pin-фотодиодов для полнодуплексных «смартлинк соединений» на основе конструктивных элементов, изготовленных методами 3D-печати. Разработана эскизная конструкторская документация на макет двумерного массива pin-фотодиодов. Макет двумерного массива pin-фотодиодов содержит кристалл массива pin-фотодиодов, установленный в специальном корпусе и закрытый защитной крышкой. Макет содержит полупроводниковую подложку, pin-фотодиоды и контактные площадки, соединенные с pin-фотодиодами планарными контактами.

3) Проведены теоретические исследования в области разработки оптических делителей сигналов между двухмерными массивами VCSEL-лазеров и pin-фотодиодов приемо-передающих модулей полнодуплексных «смартлинк соединений» на основе конструктивных элементов, изготовленных методами 3D-печати. Исследования показали, что изготовление оптического многоканального делителя сигналов в виде полимерного, выполненного методами 3D-печати, интегрального оптического элемента возможно в одном из двух основных вариантов: в пакетированном либо монолитном виде.

В ходе выполнения третьего этапа проекта:

1) Разработаны методы 3D-печати оптических компонентов полнодуплексных «смартлинк соединений» на основе двухмерных массивов VCSEL-лазеров и pin-фотодиодов.

2) Разработана Программа и методики лабораторных испытаний макета двухмерного массива pin-фотодиодов для полнодуплексных «смартлинк соединений» на основе конструктивных элементов, изготовленных методами 3D-печати.

3) Проведены лабораторные испытания макета двухмерного массива pin-фотодиодов для полнодуплексных «смартлинк соединений» на основе конструктивных элементов, изготовленных методами 3D-печати, на соответствие предъявляемым требованиям. Макеты выдержали все испытания, предусмотренные ПМ и соответствуют требованиям, заявленным в ТЗ.

4) Разработан макет оптического многоканального делителя сигналов для разделения оптических сигналов между двухмерными массивами VCSEL-лазеров и pin-фотодиодов приемо-передающих модулей полнодуплексных «смартлинк соединений» на основе конструктивных элементов, изготовленных методами 3D-печати. Разработана эскизная КД на макет делителя. Макет оптического многоканального делителя представляет собой полимерный, выполненный методами 3D-печати, интегральный оптический элемент.

5) Разработана математическая модель полнодуплексного «смартлинк соединения» на основе двумерных массивов VCSEL-лазеров и pin-фотодиодов на основе аппарата раскрашенных сетей Петри, а также с использованием принципов объектно-ориентированного подхода.

6) Разработаны адаптивный алгоритм и протокол приема-передачи данных полнодуплексных «смартлинк соединений» на основе двухмерных массивов VCSEL-лазеров и pin-фотодиодов с конструктивными элементами, изготовленными методами 3D-печати. Они предназначены для описания последовательности выполнения вычислительных операций и набора соглашений интерфейса логического уровня для приема-передачи данных в ПСС.

В ходе выполнения четвертого этапа проекта:

1) Разработано ПО лабораторного комплекса для исследования характеристик регенерации ЭО ПСС.

2) Разработан лабораторный комплекс для исследования характеристик регенерации ЭО ПСС.

3) Разработаны Программа и методики лабораторных испытаний макета оптического многоканального делителя сигналов для разделения оптических сигналов между двухмерными массивами VCSEL-лазеров и pin-фотодиодов приемо-передающих модулей ЭО ПСС.

4) Проведены лабораторные испытания макета оптического многоканального делителя сигналов для разделения оптических сигналов между двухмерными массивами VCSEL-лазеров и pin-фотодиодов приемо-передающих модулей ЭО ПСС на соответствие предъявляемым требованиям.

5) Разработан ЭО ПСС. Разработана эскизная КД и программная документация на программную часть ЭО ПСС.

6) Разработаны Программа и методики экспериментальных исследований ЭО ПСС на соответствие требованиям ТЗ.

7) Разработаны Программа и методики экспериментальных исследований характеристик регенерации ЭО ПСС с применением лабораторного комплекса для исследования характеристик регенерации.

В ходе выполнения пятого этапа проекта:

1) Проведены экспериментальные исследования ЭО ПСС на соответствие требованиям ТЗ.

2) Проведены экспериментальные исследования характеристик регенерации ЭО ПСС с применением лабораторного комплекса для исследования характеристик регенерации.

3) Разработаны предложения по созданию перспективных оптоэлектронных вычислительных комплексов с применением полнодуплексных «смартлинк соединений» на основе двухмерных массивов VCSEL-лазеров и pin-фотодиодов с конструктивными элементами, изготовленными методами 3D-печати.

4) Обобщены и оценены полученные результаты, в том числе:

а) обобщены результаты исследований;

б) проведено сопоставление анализа научно-информационных источников и результатов теоретических и экспериментальных исследований;

в) оценена эффективность полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем;

г) проанализировано выполнение требований ТЗ на ПНИ;

д) оценена полнота решения задач и достижения поставленных целей ПНИ.

5) Осуществлена технико-экономическая оценка рыночного потенциала полученных результатов.

6) Разработаны рекомендации по использованию результатов проведенных ПНИ в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках.

7) Разработаны технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера - организации реального сектора экономики.

8) Разработан проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка полнодуплексных «смартлинк соединений» на основе двухмерных массивов VCSEL-лазеров и pin-фотодиодов с конструктивными элементами, изготовленными методами 3D-печати, для перспективных оптоэлектронных вычислительных комплексов».

Основными характеристиками ЭО ПСС являются: тип оптоэлектронного передатчика – двумерный массив VCSEL-лазеров; тип оптоэлектронного приемника – двумерный массив pin-фотодиодов; тип оптоволоконной шины – жгут регулярный волоконно-оптический.

Основными характеристиками массива VCSEL-лазеров ЭО ПСС являются: количество лазеров в массиве – 8 шт.; радиус кругового массива VCSEL-лазеров – 0,8 мм; длина волны излучения VCSEL-лазера – 850 нм (мин. 835 нм; макс. 865 нм); пороговый ток – 0,71…1,31 мА; выходная мощность – 1,5…2,8 мВт.

Основными характеристиками макета двумерного массива pin-фотодиодов являются: размер массива pin-фотодиодов мин. 2,83×2,83 мм, макс. 3,0×3,0 мм; отклик pin-фотодиодов – 0,41…0,536 А/Вт; спектр отклика pin-фотодиодов – 750…860 нм; напряжение обратного смещения pin-фотодиодов – 5 В.

Основными характеристиками макета оптического многоканального делителя сигналов являются: тип делителя – полимерный, выполненный методами 3D-печати; светопропускание в спектральном диапазоне 0,2–1,2 мкм – 48,4…49,4 %; спектральный диапазон пропускания – 0,5…0,9 мкм; вносимые потери мощности входящего сигнала – 0,7…8,2 %; материал оптических многоканальных делителей – полимер; рабочая температура – от минус 20 до плюс 80 оС; размеры сечения оптического канала 3,0×3,7 мм (4,1×4,3 мм).

Основными характеристиками оптоволоконной шины ЭО ПСС являются: материал оптоволокна – специальное стекло (ядро ТК16, оболочка ВО73); диаметр ядра оптоволокна – 30 ± 2 мкм; апертура оптошины – 0,5; разрешающая способность – 12 линий на мм; светопропускание в спектральном диапазоне 0,2 – 1,2 мкм – более 48%; спектральный диапазон пропускания оптоволокна – 0,365…2,325 мкм; оптический диаметр оптоволоконной шины – 2,7 … 3,0 мм; длина оптоволоконной шины – 800…1000 мм.

Требования ТЗ по задачам пятого этапа могут считаться выполненными полностью. Требования ТЗ по задачам проекта в целом могут считаться выполненными полностью.

3. Охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности (РИД), полученные в рамках прикладного научного исследования и экспериментальной разработки

Изобретение, заявка № 2015118753 от 19.05.2015 г.  «Многоканальный делитель сигналов для смартлинков», РФ.

Изобретение, заявка № 2016103433 от 02.02.2016 г. «Многоканальный дискретный делитель оптических сигналов для «смартлинк соединений», РФ.

4. Назначение и область применения результатов проекта

Основной областью применения экспериментального образца полнодуплексного «смартлинк соединения» является оптоэлектроника, электронная компонентная база.

Разработанное полнодуплексное «смартлинк соединение» целесообразно использовать при проведении последующей ОКР «Разработка полнодуплексных «смартлинк соединений» на основе двухмерных массивов VCSEL-лазеров и pin-фотодиодов с конструктивными элементами, изготовленными методами 3D-печати, для перспективных оптоэлектронных вычислительных комплексов» применительно к разработке опытно-промышленного образца ПСС для использования в оптических USB-соединениях.

Разработанное полнодуплексное «смартлинк соединение» целесообразно использовать для создания перспективных оптоэлектронных вычислительных комплексов, например для БПЛА, бортовых систем спутников и космических зондов, бортовых суперкомпьютеров, роботов, нейроинтерфейсов; персональных и бортовых компьютеров, суперкомпьютеров, самоформирующихся компьютеров, GPS-навигаторов, средств связи и управления; систем оперативной видеообработки; компьютерных сетей и сетей связи; современных устройств фотоники: в фотонных сетях, интегрированных в кристалле; в фотонных платах и встроенных оптических интерфейсах; в оптоволоконных кабелях и «смартлинк соединениях».

5. Эффекты от внедрения результатов проекта

При использовании высокоскоростных (40 Гбит/с и более) интегральных приемо-передающих массивов, полнодуплексные «смартлинк соединения» будут способны обеспечить возможность создания многоканальных оптоволоконных интерфейсов с пропускной способностью не ниже 360 Гбит/с для перспективных оптоэлектронных вычислительных комплексов.

6. Формы и объемы коммерциализации результатов проекта

Перспективы развития рынка полнодуплексных «смартлинк соединений» можно оценить как очень благоприятные. Суммарный объем рынка устройств, использующих ПСС, к 2022 году может достичь величины порядка 26,8…75,97 млрд. долларов США. Стоимость непосредственно самих ПСС в этих устройствах составит порядка 6 – 10 % от стоимости самих изделий. То есть, косвенная оценка мирового рынка изделий с использованием ПСС дает основания полагать, что к 2022 году объем продаж ПСС вырастет до уровня порядка 1,6…7,5 млрд. долларов США в год.

7. Наличие соисполнителей

Для проведения работ соисполнители не привлекались.