Россия разрабатывает технологии для лазерной дозарядки малых спутников в космосе

В России создают технологию для лазерной зарядки спутников и приборы, которые позволяют изучать живые ткани с разрешением до нанометров. Об этих и других передовых разработках «Известиям» рассказал директор Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе, доктор физико-математических наук Сергей Иванов. Встреча с ним прошла на полях Форума «Микроэлектроника-2025».

- Нобелевский лауреат Жорес Алфёров говорил, что науке необходима промышленность как направление для приложения фундаментальных исследований. Россия пережила эпоху, когда труд учёных был не востребован. Однако сейчас в стране созрел класс потребителей отечественной компонентной базы.

В институте создают технологии для лазерной дозарядки малых спутников в космосе. Эта технология работает по принципу беспроводной передачи энергии. Её суть заключается в следующем: мощный источник излучения, размещённый на спутнике-энергоустановке, формирует узкий лазерный луч. Этот луч наводится на приёмные панели (фотоэлектрические преобразователи) целевого спутника, где энергия света преобразуется в электрическую. Принцип аналогичен работе солнечных батарей, но с более высокой эффективностью. Подобным образом можно передавать и информационный сигнал.

Ещё одно передовое направление — создание оптопар на базе квантово-каскадных лазеров. В них, в отличие от обычных полупроводниковых источников направленного света, электроны проходят через множество последовательных «ступенек» — квантовых ям (нанометровых слоев полупроводниковых гетероструктур, где энергия электрона ниже, чем в окружающих слоях) — и в каждой из них испускают фотоны за счет переходов на нижние квантовые уровни. В результате получаются мощные эффективные источники излучения, которые работают при комнатной температуре в средней инфракрасной области спектра. Этот диапазон обычным диодным лазерам недоступен.

Поскольку средний инфракрасный диапазон попадает в «окна прозрачности» атмосферы 3–5 и 8–12 мкм, такие устройства могут быть востребованы для всепогодной помехозащищённой лазерной связи между спутниками и наземными устройствами, внутри роев БПЛА. В частности, нашими специалистами совместно с партнёрами были созданы лазеры с мощностью в импульсном режиме более 20 Вт, что превышает современный мировой уровень.

В перспективе такие устройства будут давать возможность передавать по лазерной связи сотни гигабайт информации в секунду. Например, снимки со спутников в высоком разрешении и в реальном времени. Помимо этого, такая мощность повышает качество передачи данных и открывает возможности для дальней связи, в том числе с аппаратами в глубоком космосе. Примечательно, что в отличие от подавляющего большинства мощных лазеров, работающих в данных спектральных диапазонах, которые нуждаются в криогенном охлаждении, разрабатываемые в ФТИ квантово-каскадные лазеры могут работать при комнатной температуре.

Ещё одним достижением учёных ФТИ в этой сфере стал ряд технологических решений, которые позволили создавать источники одиночных фотонов на платформе арсенида галлия (GaAs) — дешёвой и хорошо освоенной отечественными компаниями технологии изготовления компонентов СВЧ-электроники. Это открывает путь к массовому производству таких однофотонных источников.

Такие устройства перспективны прежде всего в системах безопасной криптографически защищённой передачи данных. Они позволяют кодировать световую информацию в оптоволоконном кабеле путём генерации сложных ключей — случайных последовательностей квантовых кодов, которые передаются вместе с закодированной информацией. Любая попытка перехвата такой информации будет сопровождаться потерей фотонов из кодовых последовательностей, свидетельствующей о внешнем вмешательстве.

Разработка будет востребована для квантово-оптической магистрали Москва — Санкт-Петербург и других планируемых линий квантовой связи.

Сейчас на этой магистрали через каждые 70 км установлены широкополосные амплитудные и фазовые оптические модуляторы на основе ниобата лития. Но пока в ней в качестве источников фотонов используются не квантовые точки, а полупроводниковые лазеры с сильно ослабленной интенсивностью.