Современная электроника №8/2021

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ 52 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2021 (и взаимодействия) квазимонохро- матических радиационных потоков» даёт нам право впервые утверждать, что радиофотоника – это наука, возни- кающая на стыке как опосредованно- го (при помощи оптоэлектроники), так и непосредственного [12] взаимодей- ствия СВЧ-радиочастотных и оптиче- ских сигналов. В практической плоско- сти она связана с передачей, приёмом и преобразованием сигналов посред- ством электромагнитного излучения и электронно-фотонных приборов, а также с технологиями их производства. Электромагнитные волны и фотоны (в отличие от электронов) не обладают массой и зарядом, поэтому они обла- дают гораздо большей (чем электрон- ные системы) дальностью, скоростью и шириной полосы пропускания сигна- ла, а также не подвержены воздействию внешних электромагнитных полей, что обеспечивает их работу на частотах порядка сотен ГГц со скоростью в сотни Гбит/с, а это на 5…6 порядков (!) боль- ше, чем у электронных систем. Причём в перспективе могут быть созданы кана- лы связи с тера- и петабитной пропуск- ной способностью. Без радиофотони- ки даже близко подступиться к таким частотам и скоростям принципиаль- но невозможно, поскольку затухание электромагнитных сигналов на таких частотах будет составлять сотни дБ на каждые 100 м, не говоря уже о пробле- ме наводок и радиационной стойкости. А все резервы повышения вычисли- тельной мощности даже многопроцес- сорных систем, даже на единой крем- ниевой пластине и даже у мировых производителей практически исчерпа- ны, так как ограничены отводом тепла с пластины. Но радиофотоника позволя- ет решить и эти проблемы: во-первых, использование фотонных носителей информации и квантовых механиз- мов в её элементах позволяет создать так называемые «холодные» радиоап- паратуру и гига-процессоры (тактовую частоту можно разменивать на степень интеграции и производительность, а в итоге – на себестоимость), которые практически не подвержены радиаци- онным воздействиям; во-вторых, явля- ясь во многом функциональной «элек- троникой», радиофотоника изменит (позволит значительно упростить) функциональное построение всей нынешней радиоэлектронной аппара- туры: средств наведения, обнаружения, разведки, радиолокации – и на несколь- ко порядков улучшит её качество. Смо- жет превратить, например, радиолока- цию в «радиовидение» и многократно сократить массу и габариты техники. Именно поэтому без радиофотони- ки ни в настоящем, ни тем более в буду- щем принципиально не может быть ни многопроцессорных гипер- и кванто- вых компьютеров, ни новой радиолока- ции. Поэтому радиофотоника сегодня (особенно интегральная) – это действи- тельно передний край обороны России. А «элементной базой» радиофотоники являются твердотельные терагерцовые приборы: лазеры, оптические волново- ды, оптоэлектронные генераторы, уси- лители, дешифраторы, регистры, ком- мутаторы, динамическая и статическая память, фазовращатели, синтезаторы, смесители, умножители, УПЧ, оптиче- ские модуляторы, фазово-частотные компараторы, линии задержки, уско- рения и дублирования входящей вол- ны, гетероантенны, защитные устрой- ства для входных трактов приёмных устройств и многое другое, вплоть до радиофотонных АЦП и АФАР (актив- ная фазированная антенная решётка). Новый механизм распространения световых потоков в оптических волноводах Сначала рассмотрим классическое представление. Само явление полно- го внутреннего отражения, имеющего место на границе двух прозрачных для света диэлектрических сред, имеющих разные коэффициенты преломления, было экспериментально обнаружено на самых ранних стадиях изучения взаи- модействия световых потоков с мате- риалом прозрачной диэлектрической среды [15, 16] и в дальнейшем изуча- лось различными исследователями. При падении на интерфейс, разделя- ющий две прозрачные диэлектриче- ские среды с различающимися показа- телями преломления, световой поток испытывает частичное отражение и частично проходит через интерфейс. Прошедшая часть излучения прелом- ляется, т.е. изменяет направление рас- пространения относительно исходного направления, и эти части связаны меж- ду собой законом Снеллиуса: , где n 1 и n 2 являются коэффициента- ми преломления сред {1} и {2}, а ϕ 1 и ϕ 2 представляют собой угол падения исходно падающего потока и угол рас- пространения его преломлённой части (рис. 1а), причём угол падения равен углу отражения потока, что было экспе- риментально установлено ещё во вре- мена И. Ньютона [15]. Простейшим примером симметрич- ного оптического волновода является стеклянная пластина в воздушном про- странстве (в вакууме). Коэффициент преломления оптического излучения в воздухе (в вакууме) считается близ- ким (или равным) единице. Коэффи- Рис. 1. Зависимости интенсивности светового потока от угла его падения на интерфейс, разделяющий прозрачные диэлектрические среды 1 и 2 с различающимися коэффициентами преломления ( n 1> n 2), 1 в условиях распространения первичного светового потока в среде 2 (а) и в среде 1 (б). ϕ бр – угол Брюстера, ϕ кр – критический угол полного внутреннего отражения. Обозначения ⊥ и || указывают на поляризацию излучения, соответствуя волнам с электрическим вектором, перпендикулярным к плоскости падения ( σ -компонента) и параллельным ей ( π -компонента) (1) а б