На одной волне
Используемые в радиоэлектронных устройствах кварцевые генераторы не могут похвастаться стабильностью частоты, поэтому, например, навигационные устройства не могут показать месторасположение объекта сразу после включения. Российские физики из компании "Новые энергетические технологии", являющейся резидентом фонда "Сколково", разработали миниатюрный атомный генератор, способный в течение длительного времени обеспечивать выходной сигнал стабильной частоты и имеющий минимальное энергопотребление.
Атомные часы призваны заменить кварцевые генераторы частоты в радиоприборах
Сердцем любого радиоэлектронного оборудования являются генератор опорной частоты и счетчик времени. Для обеспечения синхронизации внутренних технологических процессов в радиоэлектронной аппаратуре он жизненно необходим. Из опорной частоты в радиопередающей аппаратуре синтезируются в том числе частоты, используемые для передачи сигнала. Однако простой кварцевый генератор частоты имеет низкую стабильность частоты, поскольку чувствителен к внешним воздействиям, например изменениям температуры и давления.
Для обеспечения устойчивости сигналов телекоммуникационное оборудование должно быть точно синхронизировано между собой. Если их внутренние частоты отличаются друг от друга или же не совпадает ход внутренних часов, то получается, что устройства друг друга не понимают. В сотовой связи это выражается, например, в потери сигнала, разрывах звонка и др. По словам физиков, рассинхронизация критична для любого вида связи, начиная от обычного радио и заканчивая оптоволоконной.
"В настоящее время мы столкнулись с тем, что существующие кварцевые генераторы хоть и малогабаритны, и вроде бы удобны, но обладают низкой стабильностью, недостаточной для дальнейшего развития телекоммуникационных систем,— рассказывает научный сотрудник ООО "Новые энергетические технологии" Александр Сивак.— Конечно, если поместить кварц в герметизированный объем, то он улучшает свои характеристики, но этого зачастую все равно недостаточно, так как он подвержен старению и не застрахован от различных дефектов".
По словам Александра Сивака, наиболее стабильными источниками частоты являются атомные стандарты. Они так и называются — атомные стандарты частоты и времени. Название "атомные" они получили не потому, что атомы там делятся, как в радиоактивных, ядерных процессах, а потому, что выходная частота такого прибора напрямую синхронизируется с частотой колебаний электронов в атоме. Поскольку атомы — это объекты, не стареющие со временем и в слабой степени подверженные каким-то внешним возмущениям, стабильность частот перехода электронов между энергетическими состояниями в них очень высока. Соответственно, высока и стабильность атомных стандартов.
Правда, атомные стандарты имеют свои недостатки. Например, существующие сегодня приборы различного класса стабильности имеют довольно большие размеры: от небольшой комнаты (атомные часы на ультраохлажденных атомах) до пол-литровой банки (рубидиевые стандарты). Самые компактные рубидиевые стандарты имеют объем около 250 куб. см. У таких стандартов гораздо выше стабильность, чем у кварцевых генераторов. Но генератор такого объема невозможно поместить в компактные устройства, такие, как сотовый телефон или навигатор. Поэтому атомные стандарты используются в основном в крупногабаритном радиоэлектронном оборудовании: в телекоммуникационных системах, оборудовании для навигации самолетов и кораблей. Еще один недостаток современных атомных стандартов — большой вес и высокое энергопотребление. Российские физики из компании "Новые энергетические технологии" разработали новый прибор — малогабаритные атомные часы (МАЧ), которые работают на новых физических принципах.
"Традиционно мы называем наш прибор атомными часами, но по принципу работы он ближе к термину "квантовые часы",— рассказывает Александр Сивак.— Принцип работы компактных рубидиевых стандартов заключается в том, что на атомы одновременно воздействуют и оптическое, и СВЧ-поле нужной частоты. В нашем же приборе мы используем другой физический принцип, воздействуя на атомы двумя оптическими полями, но разница частот при этом получается равной СВЧ-полю. Таким образом, СВЧ-резонатор, который и занимает большой объем в традиционных рубидиевых часах, можно исключить, так как отпадает необходимость в создании СВЧ-поля, а в качестве источника излучения использовать маленький полупроводниковый лазер. А без СВЧ-резонатора атомные часы можно поместить в объем со спичечный коробок".
Кроме габаритов новый физический принцип работы МАЧ позволяет решить проблему энергоэффективности. Для сравнения: современные рубидиевые атомные стандарты потребляют 10 Вт, а МАЧ — 0,3 Вт. А по сравнению с прецизионными кварцевыми генераторами МАЧ вообще уходят далеко вперед: долговременная стабильность частоты повышается более чем в десять раз, обеспечивая непрерывную связь между передающими и принимающими радиосигнал устройствами в течение длительного времени. По мнению специалистов, МАЧ смогут заменить не только существующие рубидиевые атомные часы, но и прецизионные кварцевые генераторы. Кстати, при серийном производстве по цене они будут сопоставимы с кварцевыми генераторами, которые стоят около 15 тыс. рублей, и намного дешевле рубидиевых часов, чья цена более 100 тыс. рублей. Рынок применения МАЧ широк, ведь высокая стабильность и надежность связи, работоспособность электроники принципиально важны во многих сферах деятельности, а для некоторых они, можно сказать, критичны — например, МАЧ могут пригодиться в работе экстренных служб, не говоря уже о вооруженных силах. Поэтому атомные часы будут востребованы в системах телекоммуникации, навигации, спутниковой связи, в атомной энергетике и других важных областях деятельности.
"Внедрение этой разработки,— считают специалисты "Росатома",— поможет значительно улучшить работу систем и устройств регистрации и управления, повысить технологический уровень различных сенсорных сетей на объектах атомной энергетики. МАЧ также даст возможность на качественно новом уровне решать проблемы помехоустойчивости и достоверности принимаемой информации с распределенных датчиков, что существенно повысит надежность объектов и безопасность атомной энергетики".
Тема создания малогабаритного атомного стандарта частоты и времени популярна сейчас и на Западе. Так, в Европе существует целая коллаборация компаний и исследовательских институтов, которые создают подобный прибор, а одна из американских компаний уже выпустила прототипы атомных часов с похожими характеристиками. Однако в США это закрытая военная разработка, доступная только вооруженным силам.
"Почему США выпустили эту разработку раньше России? — рассуждает Александр Сивак.— Дело в том, что в США внушительные средства на нее были выделены еще в начале 2000-х, а у нас масштабное финансирование проекта началось только год назад, в особенности фондом "Сколково". Кроме того, основополагающий вклад в работу над американским прототипом внесли и наши физики, которые сейчас разрабатывают российский прибор. Мы уверены, что наш прибор составит мощную конкуренцию западным аналогам: уже сейчас известно, что мы можем добиться более высокой стабильности частоты, чем у европейских конкурентов. А по сравнению с американской разработкой наши МАЧ будут более дешевы и доступны. Кроме того, всегда есть конкуренция — не бывает так, что в определенной нише на глобальном рынке работает только одна компания".
Исследования физических принципов атомных часов велись коллективом разработчиков в течение десяти лет. С 2009 года МАЧ разрабатывались на собственные средства компании "Новые энергетические технологии". В 2011 году коллектив подал заявку на присвоение компании статуса участника Сколково. Получив статус, летом 2012 года коллектив разработчиков выиграл грант от фонда "Сколково" на разработку опытных образцов МАЧ. Сейчас ведутся опытно-конструкторские работы. Опытные образцы, согласно планам, будут представлены во втором квартале 2014 года, после чего поступят в серийное производство.
"Проект создания малогабаритных атомных часов нового поколения удачно сочетает актуальность для современной космонавтики и достаточно широкий рынок возможных приложений,— считает директор по развитию космического кластера фонда "Сколково" Дмитрий Пайсон.— Ведь число запускаемых космических аппаратов исчисляется десятками, возможно — сотнями, системы управления самолетами и кораблями востребованы уже сотнями и тысячами, а рынок потребительской аппаратуры GPS/ГЛОНАСС вообще, пожалуй, самый массовый из числа доступных космическим приборостроителям. Поэтому мы всячески поддерживаем этот проект "Новых энергетических технологий" (НЭТ): он важен не только с точки зрения технологической приоритетности, но и как проект-демонстратор, показывающий возможность выхода на емкие рынки и в нашей нетривиальной отрасли. Так что успех НЭТ должен проложить дорогу и другим стартапам, заинтересованным в выходе на рынок космических технологий и ищущих возможность создания действительно массовых приложений".
Как прогнозируют специалисты, использование МАЧ может подтолкнуть разработку новых технологий в области связи и навигации. Ведь, по оценкам специалистов, в настоящий момент синхронизация радиопередающих устройств существующими техническими решениями доходит до своего предела — дальнейшее повышение скоростей передачи данных при использовании кварцевых генераторов проблематично именно из-за неточности синхронизации. Чтобы биты и байты передаваемой информации не накладывались друг на друга и не терялись, необходимо как можно точнее синхронизировать их. А значит, требуется более точный и стабильный стандарт частоты и времени. Конечно, малогабаритные атомные часы размером со спичечный коробок не поместишь в сотовый телефон. Но это только первый шаг к дальнейшему совершенствованию систем высокоскоростной связи.