Особенности конструкции нового источника СВЧ-сигналов позволили специалистам подведомственного Минобрнауки России Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета (СПбГЭТУ) ЛЭТИ впервые наблюдать волновые эффекты, которые в будущем найдут применение в более совершенных системах радиолокации.
Фото: Анатолий Жданов, Коммерсантъ
Фото: Анатолий Жданов, Коммерсантъ
Радиофотоника, которую еще называют сверхвысокочастотной оптоэлектроникой, является сравнительно новым научно-техническим направлением, которое исследует способы генерации, передачи и обработки высокочастотных сигналов с помощью электромагнитных волн оптического диапазона. Основная идея радиофотоники состоит в переносе сигнала с несущей радиочастоты на оптическую несущую частоту, обработке полученного оптического сигнала средствами фотоники, последующем детектировании оптического сигнала и окончательном переносе (возвращении) обработанного сигнала в радиодиапазон.
В последнее десятилетие изучение радиофотоники активно переходит в практическую плоскость, поскольку ее принципы позволяют создавать более компактные электронные приборы, вычислительные устройства с существенно лучшими характеристиками по сравнению с классической электроникой.
«Исследования в области радиофотоники мы начали в 2012 году. Первым разработанным нами устройством был оптоэлектронный СВЧ-генератор. Преимуществом таких генераторов является сверхнизкий фазовый шум (шум — это внутренние помехи устройства, неизбежно возникающие в процессе его работы). Напомню, что снижение шума необходимо, например, в радиолокации для приема сигналов от более удаленных объектов. И сейчас в результате усовершенствования конструкции нам удалось получить перестраиваемый генератор с рекордно низким шумом»,— рассказывает руководитель лаборатории магноники и радиофотоники, профессор кафедры физической электроники и технологии (ФЭТ) СПбГЭТУ ЛЭТИ Алексей Устинов.
Обычный оптоэлектронный генератор сигнала — это гибридная кольцевая схема, состоящая из оптоэлектронных и микроэлектронных компонентов. На «кольцо» подается сверхвысокочастотный сигнал, который циркулирует в кольце. Для выбора частоты генерации сигнала в конструкции обычно используется СВЧ-фильтр. После создания сигнала нужной частоты он покидает кольцо и распространяется в нужном направлении.
Ключевое отличие нового генератора сигнала (магнонный оптоэлектронный генератор) в том, что в нем используется пленка из материала (материал называется железо-иттриевый гранат) с магнитными свойствами. Помимо того что такая пленка служит более эффективным СВЧ-фильтром, ее использование в конструкции устройства стало причиной для появления большого многообразия нелинейных волновых эффектов, которых ранее не наблюдали в подобных генераторах.
«Добавление магнитного пленочного волновода в схему оптоэлектронного генератора позволило нам получить новую физическую систему с двойной (магнонной и оптической) нелинейностями. Исследуя генерацию СВЧ-сигнала в таком устройстве в условиях одновременного развития этих нелинейностей, мы впервые наблюдали целый ряд новых волновых форм, среди которых были солитоны Мёбиуса»,— рассказывает Алексей Устинов.
Вообще солитоны — это нелинейные волновые явления, которые можно встретить в природе, например солитоны на воде. Цунами — это тоже солитон: в открытом океане морская волна, которая возникает из-за землетрясений, имея небольшую первоначальную высоту в десятки сантиметров и скорость — сотни километров в час, может распространяться на значительные расстояния. В области перехода открытого океана в прибрежное мелководье возникает нелинейная среда, скорость и длина волн резко уменьшаются, зато их высота увеличивается и может достигать нескольких десятков метров, создавая серьезную угрозу для поселений на берегу.
Другой пример — оптический солитон, который нашел практическое применение в системах для передачи информации. Он представляет собой лазерный импульс, который способен при условии создания нелинейной среды распространяться без изменений своей формы на большие расстояния. В связи с этим на солитоны возлагаются большие надежды в целях их широкого использования в системах оптической связи и информационных систем с высокой пропускной способностью.
«Пока рано говорить о каком-либо практическом применении обнаруженных нами солитонов Мёбиуса, автогенерацию которых мы наблюдали. Сейчас мы продолжаем изучение этих физических явлений. Если же говорить о самом устройстве, то в перспективе созданный малошумящий оптоэлектронный СВЧ-генератор может использоваться для создания более точных систем радиолокации и радионавигации, действующих на принципах радиофотоники»,— уверен Алексей Устинов.
Исследование проведено при поддержке Минобрнауки России. Также данные исследования продолжаются в лаборатории магноники и радиофотоники им. Б. А. Калиникоса при кафедре ФЭТ, которая была создана в 2021 году по программе мегагрантов в рамках нацпроекта «Наука и университеты».
Использованы материалы статьи.
Подготовлено при помощи Минобрнауки.