Фотоника: от лазера к «радарному зрению»

В наступающей эре фотоники Россия имеет все шансы занять лидирующие позиции в мире

По мнению экспертов, у России есть все необходимое, чтобы стать мировым лидером в области фотоники. Для этого, в частности, требуется увеличение поддержки государства, привлечение в отрасль крупных инвесторов. Тогда проводимые в лабораториях эксперименты станут превращаться в разработки, разработки – в технологии, а технологии – в реальное производство.

На смену оптике и электронике

Фотоника – это наука о генерации, управлении и обнаружении фотонов (элементарных частиц, квантов электромагнитного излучения, которые способны существовать в вакууме, только двигаясь со скоростью света), а также область физики и технология, связанная с использованием фотонов.

Другими словами, фотоника занимается контролем и преобразованием оптических сигналов: от передачи информации через оптические волокна до создания новых сенсоров, которые модулируют световые сигналы. Некоторые источники отмечают, что термины «оптика» и «электроника» постепенно заменяются обобщенным названием – «фотоника».

Фотоны, в отличие от электронов, не имеют массы и заряда. Поэтому фотонные системы не подвержены влиянию внешних электромагнитных полей и обладают гораздо большей дальностью передачи и шириной полосы пропускания сигнала.

Первым важным техническим устройством, использующим фотоны, был лазер, изобретенный в 1960 году. В 1980-х, после того как в мире начали широко использовать волоконно-оптические передачи, получил распространение и термин «фотоника». До самого конца XX века фотоника в значительной степени была сконцентрирована на телекоммуникациях. В частности, она стала основой для развития Интернета.

Сегодня на смену «телекоммуникационной» фотонике приходит радиофотоника. Это новое направление возникло на стыке радиоэлектроники, волновой оптики, СВЧ-оптоэлектроники и ряда других отраслей науки и промышленного производства. Радиофотоника занимается передачей информации с помощью электромагнитных волн СВЧ-диапазона и фотонных приборов и систем, что позволяет создавать радиочастотные устройства с параметрами, недостижимыми для традиционной электроники.

Достижения и перспективы отечественной фотоники

Российская школа фотоники считается одной из лучших в мире. Достаточно вспомнить Нобелевскую премию по физике 1964 года, которая была вручена Александру Прохорову и Николаю Басову за исследования, приведшие к созданию лазера. Или разработки Жореса Алферова по оптоэлектронике, удостоенные такой же награды в 2000 году.

Уступив западным странам лидерство в области микроэлектроники, Россия планирует обойти конкурентов в другой сфере – в радиофотонике и оборонных технологиях на ее основе. Отечественные ученые считают, что сегодня уже вполне возможно полностью отказаться от электронов в пользу фотонов.

Благодаря тому, что фотоны не имеют массы и летят быстрее, размеры устройств, работающих на принципах фотоники, в сотни раз меньше обычных современных серверов. А скорость передачи данных, напротив, в десятки раз выше.

К примеру, сегодня наземная радиолокационная станция (РЛС) представляет собой здание в несколько этажей. А РЛС, использующую принципы радиофотоники, можно будет установить на грузовом автомобиле, к примеру КАМАЗе. Если же объединить несколько таких мобильных комплексов в сеть, их мощь и эффективность станут беспрецедентными. При этом такая сеть будет обладать уникальной устойчивостью к электромагнитным импульсам, возникающим при солнечных магнитных бурях или при близких ударах молний.

В итоге уровень разрешения, скорость и эффективность действия широкополосных радаров станут настолько высокими, что их вполне можно будет называть «радарным зрением».

Применять подобные системы планируется не только в оборонной промышленности, но и в гражданской сфере. К примеру, на транспорте: они смогут мгновенно обнаруживать препятствия на пути высокоскоростных поездов. И даже в жилищно-коммунальном хозяйстве: фотоны способны заменить горячую воду в городских системах теплоснабжения (энергия, распространяемая через фотонно-кристаллическое волокно, преобразуется в тепло с почти 100% КПД).

В настоящее время фотоникой в России занимаются примерно 850 организаций. Большая их часть сосредоточена в Москве и области, Петербурге, Новосибирске и Поволжье. Одним из крупнейших производителей в этой области является КРЭТ.

Сегодня КРЭТ и Фонд перспективных исследований (ФПИ) совместно создают элементную базу радиофотоники для радиоастрономии, радиолокации и других сфер. Соответствующее соглашение компании подписали в начале 2015 года. Проект «Разработка активной фазированной решетки на основе радиофотоники» включает в себя проведение исследований на базе предприятий концерна и разработку универсальной технологии, которая будет положена в основу радаров и систем РЭБ нового поколения.

Из бюджета были выделены сотни миллионов рублей на создание специальной лаборатории, которая обеспечит проведение поисковых научно-исследовательских работ, а также тестирование экспериментальных образцов элементной базы радиофотоники и широкого спектра устройств на ее основе. Планируется, что исследования займут 4,5 года.

Кроме того, специалисты КРЭТ занимаются сейчас расширением областей применения устройств и систем на основе радиофотоники для радиоастрономии, радиолокации, радиосвязи по оптическому волокну, мобильной связи.

«Радиофотоника – это перспективное научное направление, которое в будущем определит вектор развития технологий двойного назначения во всем мире, – считает генеральный директор КРЭТ Николай Колесов. – Для России это будет огромный научный и технический прорыв, который обозначит переход к шестому технологическому укладу».

К 2020 году с помощью новейших технологий КРЭТ планирует создавать эффективные и продвинутые приемо-передающие устройства, радиолокационные станции и другие радиочастотные системы, которые придут на смену существующим. К примеру, использование систем радиооптических фазированных антенных решеток (РОФАР) в перспективе позволит построить сеть уникальных синхронизированных космических и наземных радиотелескопов, а также покрыть фюзеляж самолетов и вертолетов «умной» обшивкой нового типа.

ПАК-ФА

Радарами на основе РОФАР планируется оснастить, например, российский истребитель пятого поколения ПАК ФА, ряд других летательных аппаратов – пилотируемых и беспилотных, а также военно-морские платформы, в частности радиолокационные станции кораблей и подводных лодок.

Системы РОФАР позволят сократить массогабаритные характеристики радиоэлектронного оборудования в 5–7 раз. При этом функции всех современных антенн будет выполнять один перспективный локатор.

Благодаря РОФАР разрешающая способность средств связи и радаров увеличится в десятки раз. Если у современного локатора частота излучения 10 ГГц, 3 см с шириной спектра 1-2 ГГц, то у РОФАР эта частота может составлять от 1 Гц до 100 ГГц одновременно.

Другими словами, радиооптические фазированные антенные решетки способны делать своеобразный «рентгеновский снимок» самолетов, находящихся на удалении более 500 километров, и давать их детализированное, объемное изображение. Более того, поскольку сигнал способен проникать сквозь любые препятствия, включая метровые свинцовые стены, эта технология позволяет заглянуть внутрь объекта, узнать, какую технику он несет, сколько людей в нем находится, и даже разглядеть их лица.