Ученые ЛЭТИ разработали источник СВЧ-сигналов нового типа, перспективный для радиофотоники

Благодаря особенностям конструкции генератора ученые впервые наблюдали в подобном устройстве волновые эффекты, которые в будущем могут найти применение в более совершенных системах радиолокации.

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».

Обычный оптоэлектронный генератор (ОЭГ) – это гибридная кольцевая схема, состоящая из оптоэлектронных и микроэлектронных компонентов. Сверхвысокочастотный сигнал циркулирует в кольце, причем в оптоволоконной линии задержки СВЧ сигнал распространяется в виде модуляции интенсивности оптического излучения. Для выбора частоты генерации в конструкции обычно используется СВЧ фильтр резонаторного типа.

В новом ОЭГ, который недавно получил название «магнонный оптоэлектронный генератор» (МОЭГ), вместо резонатора используется спин-волновая линия задержки на основе магнитного пленочного волновода, которая является узкополосной и тоже может служить СВЧ фильтром. Преимущество линии задержки заключается в том, что с ростом рабочей частоты у нее не падает добротность, как у резонатора. Еще одним преимуществом линии задержки является то, что в магнитных пленках и магнонных кристаллах спиновые волны и их кванты «магноны» демонстрируют большое многообразие нелинейных эффектов.

«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 Борисович 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 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».

Результаты исследования опубликованы в научном журнале Journal of Applied Physics, они проводились при поддержке Минобрнауки РФ. Кроме того, данные исследования продолжаются в Лаборатории магноники и радиофотоники им. Б.А. Калиникоса при кафедре ФЭТ, которая была создана в 2021 году в рамках мегагранта Правительства Российской Федерации.