Фотоника

Содержание
  1. Фотоника. Современная и особенности. Работа и применение
  2. История
  3. Классическая оптика
  4. Современная оптика
  5. К квантовой оптике обычно относят проведение фундаментальных исследований, а фотоника это прикладные исследования и разработки:
  6. Вновь возникающие области
  7. Обзор исследований
  8. Источники света
  9. Среда передачи данных
  10. Усилители
  11. Обнаружение (детектирование)
  12. Модуляция
  13. Фотонные системы
  14. Фотонные интегральные схемы
  15. Применения
  16. К экономически важным приложениям полупроводниковых фотонных приборов относятся:
  17. Похожие темы:
  18. Что такое фотоника?
  19. Егор Литвинов, студент
  20. Татьяна Вовк, студент
  21. Максим Масюков, студент
  22. Владимир Борисов, аспирант
  23. Ярослав Грачёв, к.ф.-м.н., ассистент, выпусник факультета
  24. Ольга Смолянская, к.ф.-м.н., руководитель лаборатории «Фемтомедицины» Международного института Фотоники и оптоинформатики
  25. Мария Жукова, аспирант

Фотоника. Современная и особенности. Работа и применение

Фотоника

Фотоника – это физическое учение о генерации света (фотонов), его обнаружении, преобразовании, эмиссии, передаче, модуляции, обработке сигналов, переключении, усилении и индикации. Большинство применений задействовано в области видимого и инфракрасного излучения, хотя сфера применения распространяется на всю область спектра.

Перспективной областью исследований является кремниевая фотоника, и дальнейшее развитие отрасли связано с ростом успехов этого направления.

История

Фотоника выделилась с созданием в 1960 году лазера. За этим изобретением последовали: лазерный диод в 1970-х годах, оптоволокно для передачи данных, и оптический усилитель на волокне, легированном эрбием. Эти изобретения создали основу для телекоммуникационной революции в конце 20-го века и обеспечили создание инфраструктуры Интернета.

Широкое распространение термин получил в 1980-х годах, когда операторы телекоммуникационных сетей освоили передачу данных по оптоволокну, способствовала его распространению фирма Bell Laboratories. Использование слова закрепилось, когда Общество лазеров и электронной оптики Института инженеров электротехники и электроники учредило в конце 1980-х годов журнал Photonics Technology Letters.

В течение периода, приведшего к краху доткомов (интернет-компаний) около 2001 года, к сфере фотоники относились в основном оптические сети связи.

К настоящему времени она объемлет огромное количество научных и технологических приложений, включая производство лазеров, биологическое и химическое зондирование, медицинскую диагностику и терапию, технику отображения информации и оптические вычисления.

Классическая оптика

Здесь связь очень тесная. Классическая оптика предшествовала открытию, что свет дискретен, что стало совершенно ясно, когда Альберт Эйнштейн триумфально обосновал в 1905 году природу фотоэлектрического эффекта.

К оптическим инструментам относятся преломляющие линзы, отражающие зеркала, и многочисленные оптические компоненты, и инструменты, разработанные с 15-го по 19-й века.

Выявленные в 17 веке основополагающие принципы классической оптики, наподобие принципа Гюйгенса, и выписанные в 19 веке уравнения Максвелла, и волновые уравнения, не основываются на квантовых свойствах света.

Современная оптика

Эта область науки связана с оптомеханикой, электрооптикой, оптоэлектроникой и квантовой электроникой. Однако, каждой области свойственны свои особенности, свои научные сообщества и место на рынке.

К квантовой оптике обычно относят проведение фундаментальных исследований, а фотоника это прикладные исследования и разработки:

  • Изучение свойств частиц света.
  • Создание устройств обработки сигнала с использованием фотонов.
  • Практические приложения оптики.
  • Создание устройств, аналогичных электронным.

Термин «оптоэлектроника» приложим к устройствам или схемам, которым одновременно свойственны электрические и оптические функции, т.е.

к тонкопленочным полупроводниковым устройствам.

Ранее использовался термин «электрооптика», и к электрооптике относились нелинейные устройства с электрооптическими взаимодействиями, как, например, модуляторы на объемных кристаллах (ячейки Поккельса), а также перспективные датчики изображения, обычно используемые гражданскими или правительственными организациями для наблюдения.

Вновь возникающие области

Фотоника тесно связана с возникающими квантовой информатикой и квантовой оптикой, в той части, где они используют общие методы.

Прочие вновь возникающие направления включают оптомеханику, занимающуюся изучением влияния на свет механических вибраций мезоскопических или макроскопических объектов, и создание устройств, объединяющих фотонные и атомные приборы для служб хранения времени, навигации и метрологии.

Отличие поляритоники заключается в том, что фундаментальными носителями информации являются поляритоны (смеси фотонов и фононов), работающие в диапазоне частот от 300 Ггц до примерно 10 ТГц.

Обзор исследований

Фотоника занимается исследованиями эмиссии, передачи, усиления, обнаружения и модуляции света.

Источники света

Источники света в фотонике обычно устроены конструктивно посложнее ламп накаливания. Используются светодиоды, суперлюминесцентные диоды и лазеры, а также однофотонные источники, люминесцентные лампы, электронно-лучевые трубки и плазменные экраны.

При этом электронно-лучевые трубки, плазменные экраны и органические светодиодные дисплеи генерируют свой собственный свет, в то время как ЖК-дисплеи (подобные TTF-экранам), требуют фоновой подсветки от флуоресцентных ламп с холодным катодом или, гораздо чаще, светодиодов.

Для полупроводниковых источников света характерно то, что взамен классических полупроводников (кремния и германия) чаще используются интерметаллиды.

Примерами используемых систем материалов являются арсенид галлия (GaAs) и арсенид галлия и алюминия (AlGaAs), либо иные составные полупроводники.

Эти материалы также используются в соединении с кремнием для изготовления гибридных кремниевых лазеров.

Среда передачи данных

Свет может проходить через любую прозрачную среду. Для направления света по нужному пути можно использовать стекловолокно или пластиковое оптоволокно.

В системах оптической связи оптоволокно позволяет передавать данные на расстояния свыше 100 км без усиления, в зависимости от скорости цифрового потока и вида применяемой для передачи модуляции.

Очень перспективным направлением исследования является разработка и производство специальных структур и материалов с заданными оптическими свойствами — фотонных кристаллов, фотонно-кристаллического оптоволокна и метаматериалов.

Усилители

Для усиления оптических сигналов используются оптические усилители. В оптических линиях связи используются легированные эрбием оптоволоконные усилители, полупроводниковые оптические усилители, усилители на эффекте Рамана и оптические параметрические усилители. Очень перспективной областью является исследование квантовых точечных полупроводниковых оптических усилителей.

Обнаружение (детектирование)

Фотодетекторы предназначены для обнаружения света, к ним относятся устройства разной степени быстродействия: быстродействующие фотодиоды, среднескоростные приборы с зарядовой связью, инертные солнечные элементы, применяемые для преобразования световой энергии Солнца в электрическую. Существует также и множество фотодетекторов, основанных на термических, химических, квантовых, фотоэлектрических и прочих эффектах.

Модуляция

Модуляция источников света используется для кодирования информации, передаваемой источниками света. Одним из самых простых примеров прямой модуляции источника света является включение и выключение фонарика для передачи сообщения кодом Морзе. Возможно и управление источником света посредством внешнего оптического модулятора.

Дополнительной областью исследований является вид модуляции. В оптической коммуникации обычно применяемым видом модуляции является переключение по типу «включено-выключено».

В последние годы разработаны более совершенные виды модуляции наподобие фазового сдвига или ортогонального уплотнения каналов с частотным разделением для нейтрализации ухудшающих качество передачи сигнала эффектов наподобие дисперсии.

Фотонные системы

Наука занимается также исследованиями фотонных приборов для применения в системах оптической связи. Данная область исследований фокусируется на внедрении фотонных устройств, подобных высокоскоростным фотонным сетям, и объемлет исследования оптических регенераторов, улучшающих качество оптических сигналов.

Фотонные интегральные схемы

К областям микрофотоники и нанофотоники обычно относятся устройства на фотонных кристаллах и твердотельные устройства.

Фотонные интегральные схемы – это оптические активные интегральные полупроводниковые фотонные приборы, состоящие по меньшей мере из двух различных функциональных блоков (области усиления и лазерных зеркал на основе решетки).

Эти устройства с улучшенными характеристиками ответственны за коммерческий успех оптической связи и возможность увеличения доступной ширины полосы без существенного увеличения стоимости связи для конечного потребителя.

Наиболее часто применяются фотонные интегральные схемы на основе фосфида индия.

Применения

Фотоника стала вездесущей и проникла во все области повседневной жизни. Совершенно так же, как изобретение в 1948 году транзистора существенно расширило приложения электроники, продолжают развиваться уникальные приложения отрасли, которые фактически безграничны.

К экономически важным приложениям полупроводниковых фотонных приборов относятся:

  • Запись и обработка оптических данных.
  • Отображение информации.
  • Оптическая накачка мощных лазеров.
  • Телекоммуникации: связь посредством оптоволокна, оптические конверторы с понижением частоты.
  • Вычисления посредством фотонных компьютеров: распределение синхросигналов и коммуникация между компьютерами, печатными платами, или в пределах оптоэлектронных интегральных схем.
  • Бытовая аппаратура.
  • Освещение.
  • Основанная на ксерографии лазерная печать.
  • Сканеры штрих-кодов, принтеры.
  • CD/DVD/Blu-Ray устройства.
  • Устройства дистанционного управления.
  • Медицина: мониторинг здоровья, диагностика, коррекция слабого зрения, лазерная хирургия, хирургическая эндоскопия, удаление татуировки.
  • Промышленность: использование лазера для сварки, сверления отверстий, резки и обработки поверхностей различными методами.
  • Робототехника.
  • Сельское хозяйство.
  • Химический синтез.
  • Термоядерная энергетика.
  • Строительство: лазерное нивелирование, лазерные дальномеры, интеллектуальные конструкции.
  • Авиация: фотонные гироскопы без подвижных деталей.
  • Военная техника: системы лазерной обороны, ИК-датчики, управление, навигация, поисково-спасательные операции.
  • Метрология: измерение времени, частоты и расстояний.
  • спектроскопия.
  • Залегание и обнаружение пластов в шахтах.
  • Индустрия развлечений: лазерные шоу, голографическое искусство.
  • В будущем: квантовые вычисления.

Похожие темы:

Источник: https://electrosam.ru/glavnaja/slabotochnye-seti/fotonika/

Что такое фотоника?

Фотоника

Фотоника — область науки и техники, связанная с использованием светового излучения (или потока фотонов) в системах, которые генерируют, усиливают, модулируют, распространяют и детектируют оптические сигналы.

Оптоинформатика — выделившаяся и доминирующая в последние годы область фотоники, в которой создаются новые технологии передачи, приема, обработки, хранения и отображения информации на основе фотонов.

Фотоника и оптоинформатика — это энергично развивающаяся высокотехнологическая отрасль, ежегодный доход от продаж устройств и систем которой составляет в мире десятки триллионов рублей.

Егор Литвинов, студент

Фотоника для меня – это искусство управления светом, искусство использования света во благо человека. Как и любое искусство, фотоника имеет множество образов, представлений и интерпретаций и каждый человек видит ее по-своему.

Занимаясь подобным искусством, ты получаешь целый ряд инструментов, из которых можешь выбрать те, которые тебе нужны, научиться в совершенстве пользоваться ими и применить их, чтобы получить фотонику такой, какой ты ее видишь. Владение этим искусством может приносить вдохновение и просто удовольствие.

А в стремлении получить что-то новое ты рискуешь быть захваченным полностью.

Татьяна Вовк, студент

Я учусь на образовательной программе «Физика и технология наноструктур», и логично было бы предположить, что область моих знаний и интересов — это именно нанофотоника, наука о взаимодействии света с различными наноструктурами и частицами. Это действительно так: в качестве научной работы я провожу исследование об оптическом охлаждении нанокристаллов.

Однако на третьем курсе преподаватель нашей группы по квантовой механике, Юрий Владимирович Рождественский (также мой научный руководитель), разбирал классическую задачу о состояниях электронов в поле тяжести Земли. Самым активным студентам он предложил рассмотреть эту задачу не возле Земли, а возле нейтронной звезды, обладающей мощным полем тяготения.

Было очень здорово обнаружить, что с помощью этой задачи можно объяснить радиоизлучение от нейтронных звезд, по поводу которого у специалистов-астрофизиков до сих пор нет единого мнения.

В результате мы с однокурсником и нашими руководителями опубликовали исследование в высокорейтинговом зарубежном журнале — The Astrophysical Journal! Такое признание научного сообщества очень ценно, ведь никто из нас до этого не занимался астрофизикой.

Нам было очень интересно развиваться и получать результаты в совершенно другой области физики — на «Физике наноструктур» для этого есть все необходимое. Наши руководители и преподаватели всегда приветствуют инициативу и с удовольствием «запускают процесс» научного творчества. При должном упорстве это приводит к порой удивительным результатам!

Максим Масюков, студент

Имея широкий кругозор, мне было довольно трудно выбрать мою будущую профессию. В основном мне были интересны три дисциплины: информатика, физика, математика, и для меня было важно, чтобы в процессе обучения данные три дисциплины были главенствующими.

Участвуя в олимпиаде для школьников, я услышал о факультете Фотоники и Оптоинформатики Университета ИТМО. Изучив сайт и дисциплины подготовки, я понял, что это то, что мне нужно. Фотоника – одна из наиболее молодых и быстроразвивающихся отраслей науки.

Загоревшись желанием внести свой вклад в научный прогресс, я поступил на данный факультет, и остался удовлетворен.

Со 2 курса я занимаюсь научной работой, которая включает в себя изучение свежих иностранных статей в данной научной области, программирование, математические расчёты, компьютерное моделирование. Разносторонние знания гарантируют успех в будущей карьере.

Владимир Борисов, аспирант

Фотоника, если хотите, это оптика XXI века. Почему же не продолжать называть её оптикой? Дело в том, что за последние 50-60 лет наука, изучающая физику света, шагнула настолько далеко вперед, что её едва ли можно сопоставить с общепринятой оптикой.

Тут и нелинейные эффекты, и сверхвысокие плотности мощности, и сверхкороткие импульсы. Тут, конечно же, разнообразные квантовые эффекты и их применения. Словом, передний край оптической науки. И, поскольку такая наука уже ничем не напоминает старушку-оптику, то ей и нашлось новое слово – «Фотоника».

Фотоника – наука во многом прикладная. До фотоники никто и подумать не мог, насколько свет может быть полезен в нашей жизни. Сейчас мы движемся к тому, что все больше и больше новейших технологий используют свет. Мы уже умеем передавать информацию на огромные расстояния со скоростью света.

А скоро научимся шифровать её так, что никто не сможет нас «подслушать». Мы идем к тому, чтобы лечить разные серьезные болезни при помощи световых технологий. Сейчас во время сложнейших операций, хирурги используют лазерные скальпели для совершения максимально точных надрезов.

А представьте себе, что в скором времени достижения фотоники позволят нам вообще не делать надрез, чтобы удалить опухоль или залатать артерию. Благодаря фотонике, исследование дальнего космоса для нас – не такая уж недостижимая цель.

А если ученые, в том числе и на нашем факультете, хорошо постараются, то фотоника в скором времени подарит нам настоящую шапку-невидимку и, быть может, световой меч. Ну и, конечно же, не стоит забывать о квантовом компьютере – одной из вершин современной науки, достижение которой невозможно без фотоники.

Словом, фотоника сейчас находится в авангарде современной науки. Она сочетает в себе возможность исследовать ещё неизученные вопросы, а также применять свои знания на благо общества. Пожалуй, это та область физики, где пытливый студент может максимально раскрыть свой потенциал, наилучшим образом реализовавшись в качестве ученого.

Ярослав Грачёв, к.ф.-м.н., ассистент, выпусник факультета

Фотоникой в настоящее время называют оптику в её современном аспекте.

Факультет занимается развитием актуальных направлений оптики c применением современных информационных технологий, а это:  — и работа с лазерным импульсным излучением высокой энергии и сверхкороткой длительности;  — и, наоборот, использование низкоэнергетического излучения терагерцового диапазона электромагнитных волн для     бесконтактной, неразрушающей диагностики и визуализации объектов с распознаванием веществ;  — и голография, включая как изобразительную голографию, так и создание и обработку трехмерных цифровых копий объекта в реальном времени.

Для меня работав этой области науки стала отличной возможностью для приобретения практических навыков конструкторской и экспериментальной деятельности. А человек с практическими умениями и знаниями всегда востребован.

Ольга Смолянская, к.ф.-м.н., руководитель лаборатории «Фемтомедицины» Международного института Фотоники и оптоинформатики

Термин «Фотоника» впервые прозвучал в 1970 году на 9-м Международном конгрессе по скоростной фотографии в США, г. Денвер. И на первом этапе под «фотоникой» понималась область науки, изучающая оптические системы, в которых носителями информации являлись фотоны.

В связи с развитием лазерных технологий и изобретением лазерных диодов и волоконно-оптических систем связи в понятие «фотоника» вошли оптические телекоммуникации.

Сегодня «фотоника» — это: оптические и квантовые системы связи;передача, запись и хранение информации; медицинская диагностика и терапия (биофотоника); разработка и производство лазеров; биологические и химические исследования различных объектов; экологический мониторинг; световой дизайн и т.д.

Биофотоника связана с фотобиологией и с медицинской физикой. Поэтому, с одной стороны, биофотоника занимается диагностикой и изучением биологических молекул, клеток и тканей. С другой стороны, она использует свет для воздействия на биологические ткани, например, в хирургии и терапии.

Биофотоника  изучает разные аспекты взаимодействия биологических объектов и фотонов. Поэтому область применения биофотоники – это, в первую очередь, здоровье человека. Специалисты в области биофотоники также занимаются созданием источников света медицинского назначения, детекторов, систем визуализации и математической обработки оптических сигналов.

Мария Жукова, аспирант

Фотоника – это наука о свете, это технологии его создания, преобразования, применения и обнаружения. Свет всегда играл важную роль в жизни человека – задумайтесь, благодаря ему мы ориентируемся в пространстве, видим друг друга.

Сначала люди научились создавать искусственные источники света для обеспечения комфортного существования, а теперь мы имеем огромное количество высокотехнологических устройств, которые используются в многочисленных и разнообразных областях техники.

Фотоника включает в себя применение лазеров, оптики, кристаллов, волоконной оптики, электрооптических, акустооптических устройств, камер, сложных интегральных систем.

Фотоника сегодня – это, как научные исследования, так и реальные разработки в областях: медицины, альтернативной энергетики, быстрых вычислений, создания высокопроизводительных компьютеров, новых материалов, телекоммуникации, экологического мониторинга, безопасности, аэрокосмической промышленности, стандартов времени, искусства, печати, прототипирования, и практически всего, что нас окружает.

На сегодняшний день в России, как и во всем мире, все больше и больше компаний и крупный производственных предприятий начинают создавать и использовать новые технологии, связанные с фотоникой. Фотоника открывает широкие возможности и перспективы развития в научной академической среде, а также в области реальных разработок. Это область знания, несомненно, будет развиваться из года в год!

Источник: https://photon.ifmo.ru/ru/page/18047/chto-takoe-fotonika.htm

Booksm
Добавить комментарий