Радиофотоника

В настоящее время фотонику рассматривают как широкую область знаний включающую разные явления связанные со световым излучением.

В результате соединения оптоэлектроники и сверхвысокочастотной (СВЧ) радиоэлектроники возникла сверхвысокочастотная оптоэлектроника (СОЭ). Для обозначения СОЭ в настоящее время часто применяют термин «радиофотоника».

Чем вызвано возникновение радиофотоники?

Радиофотоника - это относительно новое научно- техническое направление. Объектами рассмотрения этого направления стали:

• полупроводниковые лазеры;
• фотодиоды;
• фототранзисторы;
• СВЧ диоды;
• транзисторы с дополнительным оптическим выводом;
• узлы и модули на основе сочетания элементов, названных выше между собой и с цифровой и аналоговой базой электроники.

Радиофотоника, исследуя взаимодействие световых сигналов и СВЧ излучения, дает возможность конструировать устройства, имеющие параметры, недостижимые, если применять традиционные средства электроники. Сверхширокополосные аналоговые линии связи, линии задержки, и применяющие элементы радиофотоники фильтры, генераторы и другие устройства СВЧ – диапазона уже нашли применение во многих системах, например, в радиолокации.

За последнее десятилетие в 50 раз вырос объем передаваемой во всемирной сети информации. При этом 10% от суммарной мировой электрической энергии затрачивается на Интернет, и потребление на эти цели растет с каждым годом.

Планируется к 2020 году скорость передачи информации довести до 100 Тб/с на волокно.

Электроника уже не в состоянии справится с названными выше задачами, ученые считают, что это сможет сделать фотоника.

Развитие фотоники как науки с акцентом на технологии стало современной всемирной задачей.

Фотон имеет иную физическую природу, чем электрон. Фотон не имеет массы покоя, и он электрически нейтрален. Поэтому фотонные системы, если сравнивать их с электронными:

• не будут испытывать внешние электромагнитные воздействия;
• имеют большую дальность и скорость передачи;
• имеют большую ширину пропускания.

Данные преимущества уже применяются в телекоммуникационной сфере при использовании фотоники.

Радиофотоника образована на основе:

• радиоэлектроники;
• интегральной оптики;
• волновой оптики;
• СВЧ оптоэлектроники;
• ряда других научных отраслей и промышленного производства.

Цели радиофотоники

Основной целью радиофотоники можно назвать исследование и разработку сверхскоростных активных оптоэлектронных приборов и устройств, имеющих полосу пропускания в диапазоне радиоволн, а также их использование в разных оптических и радиотехнических схемах передачи данных, формирования и обработки сигналов радиочастотного диапазона, используя оптические и оптоэлектронные средства.

Основаниями для совершенствования характеристик радиосредств СВЧ диапазона являются свойства среды (оптоволокно), в которой они распространяются:

• небольшие потери при передаче;
• относительно широкая рабочая полоса частот;
• нечувствительность к электромагнитным полям;
• хорошие массогабаритные характеристики.

Данные преимущества позволяют повысить тактико-технические показатели и характеристики средств радио передачи.

Применение результатов исследований радиофотоники

1. Радиофотонные системы планируется использовать в современных системах радиолокации.
2. Радиофотонные системы возможно применить в распределении сотовых, беспроводных и спутниковых сетях, антеннах на аэродромах, в системах обработки и визуализации сигналов.
3. Применение радиофотонных систем в беспроводных сетях планируется сделать ключевой технологией обеспечения бесперебойной работы сложных беспроводных сетей нового поколения.
4. Радиофотоника дает новые возможности к расширению функций СВЧ систем на больших частотах. Она позволит соединить эти системы с информационно – коммуникационными системами.

Направления деятельности радиофотоники

Радиофотонным устройством часто называют обособленный функциональный узел, структура которого имеет элементы радио и оптического диапазонов.

Ключевым направлением деятельности фотоники является создание интегральных схем.

Для осуществления цели радиофотоники необходимо создать фотонные блоки в виде микрочипов (фотонных интегральных схем (ФИС)).

Интеграция:

• делает ФИС надежнее;
• дает возможность снизить их цену;
• позволяет сделать ФИС энергоэффективными;
• улучшает их целостность;
• решает проблему согласования сигналов отдельных составляющих.

Помимо фотоники интегральные схемы применяются в:

• оптической связи и обработке сигналов;
• датчиках.

В перспективе ФИС планируют использовать в:

• оптических соединениях для центров обработки данных и передачи данных;
• квантовых компьютерах.

На сегодняшний день большее число ФИС работают в аналоговом режиме. В результате этого происходит накопление ошибок при увеличении числа устройств. В свою очередь это ухудшает сигнал и необходима регенерация сигналов.

Цифровая обработка сигнала может обеспечить значительное улучшение параметров приборов и их функций.

Фактором, который ограничивает применение цифровой обработки сигнала, становится быстродействие и компактность электронных АЦП.

Так, основной задачей радиофотоники на сегодняшний день стал переход от аналоговых к цифровым сигналам.

Следовательно, необходимо создать элементную базу – микрочипов, ФИС блоков АЦП (блока дискретности и блока квантования сигнала). Требуется создать условия для обеспечения максимальной частоты модуляции в компонентах.

Оптоэлектронный генератор

Примером, который отражает преимущество радиофотонного подхода при формировании сигналов СВЧ диапазона, служит оптоэлектронный генератор (ОЭГ) СВЧ сигналов.

В состав ОЭГ входят:

• Оптический узел.
• Радиотехнический узел.

Оптический узел имеет:

• полупроводниковый лазерный модуль;
• модулятор интенсивности излучения;
• волоконно-оптический тракт;
• фотодиодный модуль.

Радиотехнический узел составлен из:

• предварительного электрического усилителя;
• полосно-пропускающего фильтра;
• усилителя мощности;
• пассивного делителя мощности.

Особенностью работы этого устройства в высокой добротности протяженного волоконного резонатора. Это способствует очень низким фазовым шумам.

Использование оптоэлектронного генератора дает возможность одновременно обеспечить широкую полосу перестройки и низкий уровень шума.