В ЛЭТИ разработали оптоэлектронный СВЧ-генератор без усилителей

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».

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».

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.

Разработки ведутся в русле научно-исследовательской политики программы развития СПбГЭТУ «ЛЭТИ» «Приоритет 2030».