Новая компьютерная программа ускорит появление сетей 5G и 6G

Прочитано: 129 раз(а)


Ученые МИФИ создали оригинальный программный пакет для расчета квантовых процессов многослойных гетероструктурах – ключевых материалах для создания оптоэлектроники.

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 возникает потребность перехода систем связи к более высоким частотам. Информация может быть передана только в виде колебаний. Если информации много, то и частота колебаний должна многократно возрастать. Уже в ближайшем будущем частоты радиосигналов шагнут от диапазона в единицы гигагерц (ГГц) к десяткам и сотням гигагерц. Если для 5G+ требуется 37 ГГц, то для 6G потребуется уже более 70 ГГц.

Значит, потребуется изменение компонентной базы для создания устройств, обеспечивающих связь и обработку радиосигналов таких сверхвысоких частот.

Чтобы работать с новым 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 лишь на небольшие расстояния. 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. В связи будущих поколений вместо простой антенны, испускающей радиоволны во все стороны, придется использовать так называемую антенную решетку, способную формировать несколько остронаправленных лучей (такие решки сейчас применяются в радиолокации). Но такие системы связи требует новых подходов, например, использования радиофотоники, которая позволяет хорошо контролировать фазовый сдвиг сигнала, его частотные свойства, вводить задержки сигнала по времени.

«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 и радиолокации», – рассказал ведущий научный сотрудник Центра радиофотоники и СВЧ-технологий ИНТЭЛ, профессор Иван Васильевский

По словам ученого, сложность создания таких материалов том, что они содержат несколько десятков слоев наноразмерного масштаба, отличающихся по химическому составу. Для того чтобы правильно рассчитать их конструкцию, структуру, состав, толщину, содержание лидирующих примесей, нужно иметь глубокие знания физики происходящих в материалах процессов.

«Мы находимся на стыке фундаментальной физики полупроводников, квантовой физики наноструктур и задач инжиниринга. Между тем, многие разработчики не владеют квантовым моделированием и 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 Иван Васильевский.

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

Программный продукт, созданный 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 гетероструктур, 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 Иван Васильевский.

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

макеты модулятора Маха-Цендера, изготовленные по интегральной полностью отечественной технологии на основе InP технологической платформы


Новости партнеров