Ученые СПбГЭТУ «ЛЭТИ» впервые смогли на коммерчески доступных серийно выпускаемых компонентах сконструировать оптоэлектронный СВЧ-генератор без использования каких-либо усилительных элементов.
Сегодня одним из новых направлений разработки систем связи, радиолокации и радионавигации является сверхвысокочастотная (СВЧ) оптоэлектроника или радиофотоника. Радиофотоника – это междисциплинарное научно-техническое направление, сочетающее в себе элементы оптики (интегральной фотоники) и радиоэлектроники (техники СВЧ). Исследования ученых по всему миру показывают, что использование принципов радиофотоники в перспективе позволит создавать более компактные приборы и устройства с существенно лучшими характеристиками по сравнению с классической электроникой. Поэтому сегодня изучение радиофотоники активно переходит в практическую плоскость: ведутся разработки методов, компонентов и систем, действующих на принципах этого научного направления.
Одним из таких устройств является оптоэлектронный генератор сверхвысокочастотного сигнала. СВЧ-генераторы являются неотъемлемой частью систем радиолокации, связи и других. Важной задачей при их разработке является снижение фазового шума генерируемого сигнала. Использование принципов радиофотоники при построении генераторов решает эту задачу.
«Наша научная группа уже длительное время ведет разработки оптоэлектронных СВЧ-генераторов. Их преимуществом является низкий фазовый шум. Он существует в электронных компонентах из-за случайных флуктуаций токов и напряжений, вызванных дискретностью носителей заряда, их беспорядочным тепловым движением и другими эффектами. Снижение шума важно, например, в радиолокации для приема отраженных сигналов от удаленных объектов, если нельзя поднять мощность передатчика. Сейчас мы смогли модернизировать наш генератор, убрав один из источников шума – СВЧ-усилитель. Это удалось реализовать благодаря использованию новой более эффективной методики передачи радиосигнала по оптоволокну, при которой коэффициент передачи радиосигнала становится положительным. Предложенный нами принцип мы назвали «пассивным оптическим усилением» СВЧ сигнала», – рассказал руководитель лаборатории магноники и радиофотоники, профессор кафедры физической электроники и технологии (ФЭТ) СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Алексей Борисович Устинов
Обычный оптоэлектронный генератор строится по кольцевой схеме, состоящей из радиочастотного и оптического трактов. В простейшем случае оптический тракт генератора состоит из лазерного модуля, электрооптического модулятора излучения, оптоволоконного кабеля (или миниатюрного оптического резонатора) и фотодетектора. Основными элементами радиочастотного тракта являются СВЧ-усилитель и СВЧ-фильтр.
Для того, чтобы СВЧ-генератор, который создали ученые ЛЭТИ, работал без усилителей, были предложены такие параметры лазера, электрооптического модулятора и фотодетектора, при которых мощность сигнала на выходе из оптоволоконной линии передачи была выше, чем на входе. Если затем эту линию замкнуть в кольцо, то в нем возникает автогенерация СВЧ-сигнала.
«Разработка оптоэлектронного СВЧ-генератора без усилителей являлась частью исследований по кандидатской диссертации моего аспиранта Ивана Таценко, защита которой состоялась в середине декабря. Поскольку использование пассивного оптического усиления показало преимущество при разработке СВЧ-генератора, такой подход имеет перспективы для создания других устройств радиофотоники», – добавил Устинов.
Проект частично поддержан Минобрнауки России. Исследование опубликовано в научном издании «Журнал технической физики». Данное исследование является одним из проектов ученых Лаборатории магноники и радиофотоники им. Б.А. Калиникоса при кафедре ФЭТ, которая была создана в 2021 году в рамках мегагранта Правительства Российской Федерации. Так, ранее исследователи разработали магнонный оптоэлектронный СВЧ-генератор, в котором впервые наблюдали целый ряд новых волновых эффектов.
