Технологии проектирования и производства фотонных систем быстро развиваются. На сегодняшний день фотонные технологии находятся на этапе перехода от исследований к коммерциализации, при этом наиболее успешными являются разработки оптических приёмопередатчиков для центров обработки данных. Технологии генерации, управления и детектирования фотонов уже позволяют решать проблемы, которые пока не удаётся решить при помощи электроники.

К 2025 году фотоника позволит существенно продвинуть вперёд такие области, как дополненная и виртуальная реальность (AR/VR), медицинская диагностика, биосенсоры, лидары и квантовые вычисления, а, следовательно, ожидается и существенный прогресс в развитии всей экосистемы, связанной с фотонными технологиями. Что же нового мы увидим в области проектирования, моделирования, производства и внедрения? Способны ли наши университеты подготовить специалистов для выполнения подобных разработок?

Ознакомьтесь с материалами вебинара Photonics Flash Forward – Photonics Design in 2025 (на английском языке)

Инструменты для разработки фотоники в 2020 году

Одним из показателей зрелости фотонных технологий является появление комплексов для проектирования технологических процессов (PDK – process design kit). Первые PDK-комплексы появились всего несколько лет назад, но уже сегодня они получили широкое распространение за счёт того, что производители фотонных элементов активно расширяют поддержку своих PDK в различных системах автоматизированного проектирования. Эти комплексы, как правило, кажутся примитивными по сравнению с библиотеками, поставляемыми производителями полупроводниковых элементов. Однако они представляют собой значительный и важный шаг в развитии коммерческой экосистемы фотонных технологий, которая требует прочного партнёрства между производителями фотонных элементов и поставщиками систем автоматизированного проектирования фотоники (PDA – photonic design automation). Вместе они производят новые PDK-комплексы и улучшают существующие.

Благодаря производству и накоплению данных о всё большем количестве фотонных интегральных схем появляется возможность получить достаточно информации для статистического анализа. В этом году в ведущих PDA-системах появились PDK-комплексы для статистического проектирования технологических процессов на основе метода Монте-Карло и анализа предельных отклонений (corner analysis). Это приведёт к созданию более надёжных устройств с новым акцентом на технологичность, что является ещё одним требованием для коммерциализации фотонных технологий.

Авторитетные поставщики систем автоматизации проектирования электроники (EDA – electronic design automation), безусловно, тоже обращают внимание на новый рынок фотонных технологий. Они представляют ориентированные на этот рынок инструменты и формируют стратегические альянсы с ведущими компаниями-производителями PDA-систем для реализации полного цикла проектирования. Благодаря открытой платформе на базе Ansys Lumerical многие поставщики EDA-систем смогли интегрировать этот программный продукт в свои рабочие процессы. Такая открытая экосистема позволит и дальше продвигать использование фотоники в новых практических приложениях.

Крупные компании-поставщики облачных услуг используют волоконную оптику и технологию приёмопередатчиков на основе фотоники в своих центрах обработки данных

Интегрированные рабочие процессы автоматизации проектирования электронных и фотонных систем (EPDA – electronic-photonic design automation), которые появились почти два года назад, становятся всё более сложными с включением новых статистических методов и методов проектирования с учётом технологичности (DFM – design for manufacturing). Статистический анализ требует гораздо большей вычислительной мощности, а, следовательно, на передний план выходят технологии высокопроизводительных вычислений и облачные ресурсы. Забавно, что при этом уже работающие фотонные устройства в крупных центрах обработки данных помогают проектированию новых фотонных систем.

В отличие от электронных чипов, типовая фотонная система состоит из относительно меньшего количества компонентов, но они очень тщательно продуманы. Многие из этих компонентов можно найти в поставляемых производителями PDK-комплексах, но в каждом передовом фотонном устройстве всегда будет какой-то важный новый компонент, который нельзя просто взять из стандартной библиотеки. Для разработки таких компонентов лучше всего подходят компании, специализирующиеся на фотонике, имеющие большой опыт и необходимые инструменты проектирования. Скорее всего, такое положение вещей в будущем приведёт к развитию рынка интеллектуальной собственности в области фотоники (PIP – photonic intellectual property). Специализируясь именно на проектировании фотонных систем, эти компании будут разрабатывать передовые компоненты. А те компании, которые хотят стать конечными производителями фотонных устройств, будут привлекать поставщиков к аутсорсингу разработки ключевых фотонных компонентов, сосредоточив свои собственные ресурсы на других важных областях, таких как разработка фотонных интегральных схем.

Сфера применения фотоники продолжает расширяться

Прорывы в методологии проектирования фотонных систем позволяют создавать более качественные и технологичные устройства, делая их разработку всё более доступной: проектирование фотонных систем перестало быть прерогативой специалистов с учёной степенью по физике. Передовые проекты открывают для фотоники новые приложения, в которых она может успешно конкурировать с другими технологиями. Появление всё большего количества квалифицированных специалистов даёт компаниям больше возможностей для набора эффективной команды разработчиков фотонных систем, что увеличивает конкуренцию и способствует созданию более продвинутых продуктов и ускорению развития фотонных технологий.

Мы уже наблюдаем существенный прогресс от внедрения новых методов проектирования, таких как обратное проектирование фотонных систем (PID – photonic inverse design), реализованное в программных комплексах от Стэнфордского университета и компании Lumerical Inc., а также в некоторых проектах открытого программного обеспечения. Проектирование компонентов теперь выполняется намного проще, со значительно улучшенными показателями качества и в течение более короткого цикла проектирования (несколько дней, а не месяцев).
Прогресс в проектировании, которое теперь часто выполняется за считанные дни, очевиден уже по публикациям о разработанных устройствах. Характеристики компонентов улучшаются в разы. Упрощенная автоматизированная методология обратного проектирования фотонных систем начинает вытеснять ручной итерационный процесс и применяться к широкому спектру фотонных компонентов. Это позволило расширить круг квалифицированных разработчиков фотонных систем и ускорить выход этих систем на рынок. Обратное проектирование вводит новые уровни автоматизации, которые позволяют повысить уровень абстракции при разработке. Эти тенденции аналогичны процессам, которые уже пережила отрасль проектирования интегральных микросхем, и можно ожидать такой же резкий всплеск производительности разработчиков и в фотонных технологиях.

В 2020 году сфера применения фотоники значительно расширилась

Ниже приведён краткий обзор различных областей применения фотонных технологий.

Приёмопередатчики: В этом году значительно увеличилось использование фотоники в центрах обработки данных, особенно за счёт перехода от скоростей передачи данных в локальных сетях стандарта 100G к 200G и даже к 400G Ethernet.

Лидары: В этом году мы стали свидетелями появления многочисленных проектов фотонных лидаров. Лидарные технологии являются очень важными для автономных транспортных средств. Однако устанавливать на обычные легковые машины громоздкие вращающиеся цилиндры, которые мы видим на современных прототипах автономных транспортных средств, не представляется возможным. Не стоит также рассчитывать, что покупатели автономных автомобилей захотят оплачивать высокую цену этих вращающихся лидаров. Не случайно мы наблюдаем появление ряда стартапов, которые задались целью на порядок уменьшить стоимость и габариты лидара (до размеров колоды карт).

Будущее лидарных технологий в первую очередь зависит от искусности инженеров. По мнению генерального директора компании Tesla Илона Маска, в лидарах для автономных транспортных средств нет необходимости, поскольку комбинация из камер и радаров является достаточной. Таким образом, решающим становится вопрос, что удастся сделать быстрее: уменьшить стоимость и габариты лидара, или же улучшить возможности систем на основе камер и радаров. Победитель этой гонки определит направление развития фотонных технологий в автономных транспортных средствах.

Технологии 5G: В 2020 году мы наблюдаем серьёзное развитие технологии 5G. Это привело к росту объёмов производства фотонных интегральных схем, поскольку новые технологии, поддерживающие фотонные системы, такие как NG-PON2 и PAM-4, используются для передачи данных как в сетях fronthaul, так и backhaul. Также резкий скачок в развитии фотоники ожидается по мере развёртывания второй части технологии 5G – технологии миллиметровых волн ближнего радиуса действия для обеспечения связи внутри зданий.

Датчики: Применение фотоники в различных датчиках продолжает уверенно расширяться. Разработка медицинских датчиков является особо интересной сферой, которая предоставляет большие потенциальные возможности для применения фотоники. Однако прогресс в области медицины будет больше зависеть от правовых норм и соображений конфиденциальности, чем от технологий. А с пандемией COVID-19 на этом рынке возникли дополнительные задачи, поскольку пациенты всё чаще прибегают к услугам телемедицины.

Дополненная и виртуальная реальность (AR/VR): С определённой долей уверенности можно сказать, что самый простой способ увидеть, какие технологии появятся в будущем, – это посмотреть сериал «Звёздный путь» (Star Trek). Все фантастические технологии, показанные в этом сериале, когда-нибудь станут реальностью, а это означает, что нас ждёт множество открытий в области фотоники. В этом году мы наблюдаем большой прогресс в развитии технологий дополненной и виртуальной реальности, так что, быть может, и голопалубы (holodeck) скоро станут реальностью.

Квантовые вычисления: Квантовые вычисления – это ещё одна область применения фотоники, которая способствует её развитию. Тут сложно делать какие-то прогнозы, я не могу сказать ничего определённого… В 2020 году мы видели, как активно ведутся исследования в области квантовых вычислений, но, полагаю, самые важные достижения ещё впереди.

Будущее в разработке фотонных устройств

В ближайшие 5 лет мы увидим уверенное развитие такой технологии будущего, как фотоника, а сфера её применения будет быстро расширяться. Конечно, темпы роста будут зависеть от искусности инженеров, которые выходят за рамки проектирования традиционной электроники и способствуют эволюции экосистемы фотонных технологий.

О будущем проектирования фотонных систем вы можете узнать, ознакомившись с материалами вебинара Photonics Flash Forward – Photonics Design in 2025 (на английском языке).

Источник: ansys.soften.com.ua