« Оптоэлектронные генераторы, наноструктурные, сверхмалошумящие сантиметрового и миллиметрового диапазонов и оптоэлектронные устройства на их основе».


Актуальность обусловлена необходимостью повышения чистоты спектра и стабильности частоты генерации существующих источников сверхвысокочастотных (СВЧ) электромагнитных колебаний и построения новых, прецизионных по частоте и фазе колебаний, миниатюрных и микроминиатюрных твердотельных СВЧ генераторов,. В большинстве систем космической связи, радиолокационных (РЛС) и радионавигационных систем (РНС), других высококачественных бортовых, мобильных и портативных радиотехнических средствах требуется учитывать влияние фазовых шумов в задающих генераторах передатчиков, гетеродинах приёмников и фазированных опорных излучателях активных фазированных антенных решёток (АФАР). Фазовые шумы принципиально не устранимы и существенно ухудшают тактические и технические характеристики подобных систем, поэтому задача уменьшения случайных флуктуаций фазы электромагнитных колебаний актуальна. Актуальными являются также вопросы, связанные с разработкой адекватной сверхвысокоточной контрольно-измерительной аппаратуры СВЧ диапазона: генераторов сигналов с высокой стабильностью частоты и малым уровнем спектральной плотности мощности фазового шума, анализаторов спектра, измерителей флуктуаций фазы, наноскопов и т.п.
Во многих случаях создание более совершенного оборудования и аппаратуры для перечисленных выше применений возможно лишь при замене соответствующих устройств формирования колебаний и сигналов, входящих в состав существующих в настоящее время СВЧ систем, их более технологичными и прецизионными модификациями, построенными на базе сверхмалошумящих ЛАГ СВЧ диапазона, стабилизированных по частоте.
Наряду с этим, не менее актуальными является создание новых элементов приемо-передающей аппаратуры СВЧ диапазона, обеспечивающих её совместимость с мощными и быстропротекающими паразитными электромагнитными воздействиями и гальваническую развязку, близкой к абсолютной, от электрических источников питания и других электронных устройств подобной аппаратуры. Использование оптоэлектронных функциональных наноструктурных узлов микроминиатюрных оптоэлектронных генераторов ЛАГ позволяет успешно решить и эту проблему.
Использование имеющихся в современной России теоретических результатов и опытно-конструкторских наработок по сверхмалошумящим автоколебательным системам СВЧ, в том числе по ЛАГ, а также хорошо освоенных и новых нанотехнологий, им соответствующего и пока ещё хорошо сохранившегося технологического оборудования, позволяет в уже обозримом будущем (через 5 -10 лет) разработать и наладить изготовление в рамках опытного производства первых рабочих образцов прототипов устройств систем нового поколения на основе ЛАГ с наноструктурными элементами (в гибридном и интегрально-оптическом исполнениях). Решение этой задачи позволяет одновременно производить широкий спектр конкурентноспособных оптоэлектронных устройств для новых по своим функциональным возможностям и технико-экономическим характеристикам перспективных фотонных систем СВЧ диапазона (например, волоконно-оптические линии связи и передачи информации, полностью оптические телекоммуникационные сети и т.п.), которые уже пришли и приходят на смену многим традиционным радиотехническим системам.

Анализ состояния дел в исследуемой предметной области.
В настоящее время исследователи и разработчики совершенствуют элементную базу, применяемую в функциональных блоках и трактах радиосистем и радиоэлектронных устройств, ищут новые идеи и методы формирования прецизионных по частоте и фазе радиочастотных колебаний, позволяющие наиболее эффективно обеспечить требуемые параметры колебаний и сигналов, тактико-технические характеристики радиосистем. Появляются миниатюрные квантоворазмерные полупроводниковые лазеры, способные модулироваться прямо по току питания на частотах до 50 ГГц и выше. Создаются твердотельные микроминиатюрные высокоэффективные модуляторы амплитуды, фазы и частоты оптических колебаний с полосой частот модуляции от 10 ГГц до 100 ГГц и выше; сверхвысокодобротные полосовые СВЧ фильтры на основе твердотельных оптических микрорезонаторов различной геометрии, изготавливаемых из высокотехнологичных диэлектрических материалов; ультранизкодисперсионные сверхвысокодобротные оптоволоконные линии задержки; сверхбыстродействующие фотонные демодуляторы; фотонные кристаллы и другие метаматериалы с необычными свойствами. Создание этих и целого ряда других новых миниатюрных, микроминиатюрных и наноструктурных элементов стало возможным благодаря использованию целого ряда существующих и новых технологий СВЧ микроэлектроники, интегральной оптики и нанотехнологий. Имеющиеся на сегодня результаты теоретических и экспериментальных исследований зарубежных и отечественных учёных и разработчиков показывают и обещают, что использование наноструктурных миниатюрных элементов в СВЧ оптоэлектронного генератора ЛАГ, соответственно, в качестве СВЧ фильтров, устройств СВЧ модуляции, сверхширокополосного детектирования сигналов с СВЧ огибающей, сверхбыстродействующих коммутаторов, элементов регенерирования кольцевых трактов положительной обратной связи и согласования импедансов позволяет формировать колебания электрического тока и напряжения в диапазоне частот от 10 ГГц до 100 ГГц, и даёт возможность, в сочетании с известными методами интерферометрии и фазирования колебаний, затягивания и синхронизации частот, фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), снизить на два-три порядка и более уровень фазового шума и относительную кратковременную нестабильность частоты радиочастотных колебаний в малошумящих генераторах (МШГ) при дополнительном существенном выигрыше в стоимости изготовления, массе, габаритных размерах и уровне потребляемой мощности электрического питания от бортовой сети.
Наиболее малошумящими неохлаждаемыми источниками колебаний диапазона сантиметровых волн на сегодняшний день являются кварцованные устройства на основе МШГ, стабилизированных диэлектрическими резонаторами с модами “шепчущей галереи”, резонаторами из СВЧ керамики и высокодобротными низкодисперсиоными линиями задержки, обеспечивающими дополнительную стабилизацию частоты.
Сложность конструирования отдельных базовых элементов МШГ и создаваемых на их основе источников СВЧ колебаний, многогранность процессов, которые определяют режимы работы этих элементов совместно с цепями согласования и нагрузки, а также устройствами стабилизации частоты, вызывают потребность в прикладном анализе флуктуаций в СВЧ ЛАГ и разработке МШГ, превосходящих по уровню фазового шума известные неохлаждаемые малошумящие СВЧ автогенераторы. За рубежом исследования и опытно-конструкторские работы по эти направлениям, особенно в отношении МШГ на основе СВЧ ЛАГ с наноструктурными элементами, выполняются в настоящее время весьма интенсивно и успешно.

Принадлежность работ к нанотехнологиям.
1. Узлы и элементы новых оптоэлектронных устройств, создаваемых на базе ЛАГ
относятся к элементам, изготавливаемым по нанотехнологиям. Размеры базовых элементов СВЧ ЛАГ, трактов согласования СВЧ и оптических импедансов, селективных СВЧ фильтров с оптическими микрорезонаторами имеют размеры от 1 до 100 нм.
2. Применение нанотехнологий при изготовлении устройств на основе ЛАГ выводит
СВЧ МШГ этого типа на новый качественный уровень, характеризующийся рекордно малыми габаритами (от 1 куб. мм до 10 куб. мм) и малой массой каждого отдельного генератора в целом и, кроме этого, рекордно сверхмалым фазовым шумом.
3. Оптоэлектронные устройства на основе СВЧ ЛАГ формируют, в частности,
сверхмалошумящие автоколебания частотой до 110ГГц и радиочастотные стабильные оптические импульсы со сверх малым джиттером (от 0,1 пс до 100 пс). Подобная высокоточная регистрирующая аппаратура позволяет, с одной стороны, получить высокое пространственное разрешение (1 нм), с другой стороны, описывать динамические процессы с временным разрешением до 0,01 пс. Это позволяет заключить, что технология, связанная с применением сверхмалошумящих наноструктурных СВЧ ЛАГ и устройств на его основе в разных отраслях народного хозяйства и задачах обороны, сочетающая точные радиочастотные и оптические измерения, является прорывной технологией и для наносферы.

Новизна проводимых работ состоит в разработке, на базе использования результатов анализа флуктуаций в СВЧ ЛАГ и МШГ, технологии источников прецизионных колебаний диапазона 1÷100 ГГц со спектральной плотностью мощности фазового шума не менее 130÷160 дБн/Гц, соответственно, на отстройках на 1÷10 кГц от рабочей (номинальной) частоты генерации, устройств когерентной обработки сигналов в автодинах на основе МШГ, а также в построение более совершенных, чем существующие, опытных образцов прецизионных источников СВЧ колебаний для возбудителей бортовых передатчиков и гетеродинов приемников радаров и навигационных блоков авиационного и космического базирования, беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), компактных СВЧ АФАР и устройств формирования и обработки сигналов в линиях спутниковой и военной связи, новых и перспективных фотонных СВЧ системах различного назначения..

Оценка общих объёмов и структура затрат на проведение работ. Предварительная цена работ составляет 250 млн. руб. Структура затрат ежегодно будет определяться с учётом уровня заработной платы, налоговых отчислений, накладных расходов и принятой рентабельности в ВУЗах, РАН РФ и организациях промышленности.
Ожидаемые конечные результаты. Производство устройств.
1.Оптоэлектронный генератор - лазерный автогенератор (ЛАГ) – сверхмалошумящий наноструктурный источник СВЧ электромагнитных колебаний тока и напряжения с уровнем фазового шума -(130÷140) дБ/Гц на частотах отстройки на 1кГц-10 кГц от рабочей частоты 8-10 ГГц и его производные продукты: СВЧ гетеродинs, СВЧ возбудители, СВЧ опорные генераторы АФАР, задающие генераторы синтезаторов частот колебаний диапазона сантиметровых (СМВ) и миллиметровых волн (ММВ) электромагнитного спектра.
2. Входной антенный СВЧ нанофильтр с полной гальванической развязкой и 100%-ной электромагнитной совместимостью (ЭМС) на основе нанотехнологии ЛАГ и его производный продукт – надёжные СВЧ приёмники ГЛОНАСС, в т.ч. для военной и космической связи, радиотехнических средств ведения “электронной разведки”, мобильной и сотовой связи.
3. Наноанализатор спектра фазовых шумов СВЧ устройств с собственным уровнем фазовых шумов -170 дБ/Гц на основе ЛАГ СВЧ диапазона с дифференциальной волоконно-оптической линией задержки.
4. Фазовый электрооптический наномодулятор широкополосного и резонаторного типов с интерферометром Маха-Цендера различной топологии с высоким индексом модуляции интенсивного лазерного излучения, объединённый с квантоворазмерным лазерным диодом
в единый микроминиатюрный наномодуль.
5. Наноскоп на основе технологии ЛАГ для осуществления неразрушающего контроля геометрических размеров с пространственным разрешением ~ 1 нм.

Экономическая целесообразность и результаты анализа рынка.
ЛАГ и оптоэлектронные устройства на базе ЛАГ не имеют аналогов в РФ. Потребность в них у предприятий оборонного комплекса, предприятий радиоэлектронной промышленности и народного хозяйства растет с каждым годом.
ЛАГ и устройства на его основе относятся к высокотехнологичным аппаратным техническим средствам и оборудованию хайтека двадцать первого века. Они. дают надежду (обещают) на получение в ближней по времени перспективе возможностей помочь, в определённой мере, нашему государству в деле обеспечения большей безопасности и большей степень экономической, научно-технической и технологической независимость РФ, а также стимулирования модернизацию отечественных технологий электроники, микроэлектроники и оптоэлектроники. Технология наноструктурных СВЧ ЛАГ и их производных продуктов относится к стратегическим технологиям.

Анализ зарубежного(США и Западной Европы) рынка патентов на изобретения, результатов НИР и НИОКР, опубликованных в открытых научно-технических публикациях, и коммерческих доступных изделий – прототипов приборов, подобных МШГ на основе СВЧ ЛАГ, показывает, что в последние пять лет объем продаж подобной новейшей аппаратуры составляет, в среднем, более 550 млн. евро в год.
Изделия, прогноз цен и потребности рынка в изделиях на товарном рынке РФ:
МШГ на базе ЛАГ СВЧ диапазона. Цена одного изделия ~15000 руб. Потребность ~20000 шт. в год .
Входной антенный СВЧ нанофильтр. Цена одного изделия ~10000 руб. Потребность ~30000 шт. в год.
Фазовый электрооптический наномодулятор. Цена одного изделия ~15000 руб. Потребность ~2000 шт. в год.
Наноанализатор спектра фазовых шумов МШГ СВЧ диапазона. Данные устройства и измерительные комплексы позволят предприятиям, занимающимся СВЧ контролем, перейти на качественно новый уровень точности измерений. Цена одного изделия ~1000000 руб. Потребность в таких устройствах ~500 шт. в год.
Наноскоп на основе технологии СВЧ ЛАГ. Цена одного изделия ~500000 руб./шт. Потребность ~500 шт. в год.
После завершения пятилетнего срока финансирования общие годовые объемы
продаж по изделиям, выполненным на основе технологии СВЧ ЛАГ, оцениваются в
~1250000000 (Один миллиард двести пятьдесят миллионов) рублей.
Вывод: Финансирование работ по созданию наноструктурных сверхмалошумящих лазерных автогенераторов (ЛАГ) колебаний и сигналов сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин электромагнитных волн и новых оптоэлектронных устройств на основе СВЧ ЛАГ экономически целесообразно.
Практическая значимость для РФ состоит в организации линий космической радиосвязи повышенной дальности и пропускной способности, в т.ч. в диапазоне до 60 ГГц, интеграция на их основе космического и наземного сегментов систем связи в единый комплекс для обеспечения глобальности связи при оптимильной маршрутизации сигналов; повышении на порядок точности доплеровских измерителей малых скоростей разлётов на порядок, разработке практических рекомендаций и инженерных методик, прикладных математических моделей и рабочих образцов – прототипов МШГ СВЧ и КВЧ диапазонов для опорных генераторов СВЧ АФАР.

Практическая значимость для народного хозяйства РФ заключается в получении положительных результатов по частичной модернизации элементной базы в следующих отраслях:
-Мобильная, в том числе сотовая, связь, волоконно-оптические телекоммуникационные линии и сети широкополосного доступа, спутниковая связь, воздушный обследование и мониторинг наземной инженерной инфраструктуры (нефте- и газопроводов, высоковольтных линий и сетей электропередачи ЛЭП и т.п. с использованием цифровых лазерных импульсныз дальномеров (ЛИДАРов) авиационного базирования, сверхмалогабаритное бортовое оборудование беспилотных летательных аппаратов, используемых в интересах сельского хозяйства и лесной промышленности.
-Приёмо-передающее ВЧ и СВЧ оборудование повышенной надёжности, устойчивое к наводкам по электрической сети питания и мешающим воздействиям внешних электромагнитных полей и сигналов, создаваемых мощным электророборудованием.
-Информационные технологииь.
-Стандарты и эталоны частоты и времени.
-Радиоизмерительная аппаратура, датчики различных физических величин и точное приборостроение.
-Медицина, фармацевтика (анализ наноструктур синтетических лекарственных препаратов).
-Сенсорный контроль и тензометрия углепластиковых и силовых конструкций в реальном масштабе времени.

Прогноз возможных сроков и направлений практической реализации результатов .
Результаты могут найти применение в краткосрочных (3-5 лет) проектах, выполняемых в интересах РФ по разработке высокоточного доплеровского измерителя малых скоростей, лазерного локатора с повышенными тактико-техническими характеристиками и радиолокационной системы авиационного базирования с целью увеличения вероятности определения малоразмерных целей на фоне сильных помех от подстилающей поверхности, относительная мощность которых составляет ~60 дБ относительно мощности зондирующего сигнала, отражённого от малоподвижной цели,