Новая компьютерная программа поможет в создании нового поколения связи

В рамках государственной программы «Приоритет-2030» и стратегического проекта НИЯУ МИФИ «Радиофотоника и квантовая сенсорика» получены новые результаты в области интегральной радиофотоники. В их числе — компьютерная программа для расчета квантовых состояний.

 
Для HDTV – телевидения высокой четкости – требуются сверхвысокие частоты

Радиофотоника — новое научно-технологическое направление на стыке радиотехники и оптики. Технологии радиофотоники нужны для создания отечественных сетей нового поколения 5G+ и 6G, развития высокоразрешающего телевидения. Интересные разработки в этой области ведутся Центром радиофотоники и СВЧ-технологий НИЯУ МИФИ совместно с кафедрой «Физика конденсированных сред». Чего удалось добиться исследователям и почему это важно?

Во всем мире растут информационные потоки: мы смотрим HDTV (High Definition Television – телевидение высокой четкости), используем широкополосный интернет, передаем массу видоинформации, когда общаемся в мессенджерах. Не удивительно, что стандарты связи требуют перехода во все возрастающие области частот. Информация может быть передана только в виде колебаний. Если информации много, то и частота колебаний должна многократно возрастать.

Согласно теореме известного русского ученого Владимира Котельникова, частота должна соответствовать плотности информации. Поэтому уже в ближайшем будущем частоты радиосигналов шагнут от диапазона в единицы гигагерц (ГГц) к десяткам и сотням гигагерц. Значит, потребуется изменение компонентной базы для создания устройств, обеспечивающих связь и обработку радиосигналов таких сверхвысоких частот. Если для 5G+ требуется 37 ГГц, то для 6G потребуется уже более 70 ГГц. Перспектива просматривается.

Чтобы работать с таким диапазоном частот уже недостаточно просто поставить базовую станцию, которая испускает радиоволны во все стороны, так как волны субмиллиметрового диапазона сильнее поглощаются и будут распространяться в атмосфере на небольшие расстояния, мощность потеряется. Нужно фокусировать лучи. Концепция гражданской радиосвязи будущего – остронаправленные пучки лучей с частотами в несколько десятков гигагерц. Таким образом можно будет сэкономить энергию и сделать связь более эффективной. Но задача требует новых подходов, например, использования принципов радиофотоники. Ее преимущество в том, можно хорошо контролировать фазовый сдвиг сигнала, его частотные свойства, вводить задержки сигнала по времени. Это нужно именно потому, что вместо простой антенны, испускающей радиоволны во все стороны, необходимо делать антенную решетку, наподобие той, что применяется в радиолокации, чтобы формировать несколько остронаправленных лучей.

«Радиофотоника требует новой компонентной базы, которая умела бы манипулировать со светом – его интенсивностью, фазой, длиной волны. Мы разрабатываем новые материалы и технологии для обеспечения радиофотонных компонентов. В рамках глобальной задачи развития технологий и компонентов радиофотоники мы выбрали наиболее критичное место – электрооптический модулятор, а также наиболее интересное и сложное направлений развития материалов – гетероструктуры на основе фосфида индия. Их преимущество в том, что, используя один тип технологий, можно совместить как активные, так и пассивные элементы фотоники разного типа – лазер, модулятор, фотодетектор, весь комплекс элементов, которые позволят создать фотонно-интегральные схемы для обработки сигналов, задач связи, радиолокации», – рассказал ведущий научный сотрудник Центра радиофотоники и СВЧ-технологий ИНТЭЛ, профессор Иван Васильевский

По словам Васильевского, сложность создания таких материалов том, что они содержат несколько десятков слоев наноразмерного масштаба, отличающихся по химическому составу. Для того чтобы правильно рассчитать конструкцию структур, химический состав, толщины, содержание лидирующих примесей, нужно иметь очень глубокое представление о физике процессов.

«Мы находимся на стыке фундаментальной физики полупроводников, квантовой физики наноструктур и задачами инжиниринга, когда нужно сделать работающий прибор. Многие разработчики не владеют детально квантовым моделированием, используют готовые программы. Мы исследовали возможности одной из таких зарубежных программ – там недостаточно ясен применяемый алгоритм, не все параметры раскрываются. Протестировав этот продукт, мы обнаружили, что его расчеты не всегда корректны. Тогда наш молодой ученый, кандидат наук Константин Гришаков создал программу, использовав усложненный подход, так называемый KP-метод, который учитывает квантовые взаимодействия близлежащих дырочных состояний. Мы уверены в этой программе, потому что знаем, на каких физических принципах она строится, какие приближения использует», – говорит Васильевский.

В оригинальной программе для расчета квантовых состояний, созданной молодым ученым НИЯУ МИФИ, используется очень сложная математика, сложные вычислительные уравнения. Зато ошибок расчета не возникает. И теперь можем рассчитывать все необходимые свойства полупроводниковых структур, сколь угодно сложных. Иван Васильевский уверен, что программа станет мощным и надежным инструментом, который исследователи, инженеры, разработчики смогут использовать как готовый комплекс, не вдаваясь в глубину квантово-физического моделирования и получая достоверный результат.

Программа, созданная в НИЯУ МИФИ, проводит расчеты в несколько раз быстрее коммерческой зарубежной программы, которую тестировали исследователи университета. По результатам расчета программы специалисты из МИФИ уже изготовили тестовые образцы, которые скоро начнут применять для разработки электрооптических компонент.

«На этих материалах мы сможем сделать компактный и эффективный электрооптический модулятор, сможем внедрить разработку у нашего промышленного партнера – в НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха. Они смогут выпускать серийно компонентную базу для применения в системах как гражданского, так и специального назначения, шагнув в область частот 40 ГГц и выше. Цель разработки – расширение частотного диапазона и улучшение показателей компонентной базы будущего в области радиофотоники», – объясняет Васильевский.  

Благодаря разработке комплекса материалов и технологий для создания компонентных баз радиофотоники, уверен ученый, современные отечественные системы связи смогут получить новый импульс к развитию.