Главная > Русский > Компьютерная фотоника. Что такое фотоника? Компьютер из света


Компьютерная фотоника. Что такое фотоника? Компьютер из света




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!


Министерство связи РФ

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Поволжский государственный университет телекоммуни-

каций и информатики»

Глущенко А.Г., Жуков С.В.

_________________________________

Основы фотоники. Конспект лекций. – Самара.: ГОУВПО

ПГУТИ, 2009. – 100 с.

Кафедра физики

(Аннотация дисциплины).

А.Г. Глущенко, С.В. Жуков

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

ПО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ

Рецензент:

Петров П.П. – к.т.н., доцент, доцент кафедры « ………..

ОСНОВЫ ФОТОНИКИ

» ГОУВПО ПГУТИ

По направлению подготовки: Фотоника и оптоинформатика ()

Самара – 2009

Наименование

раздела дисципли-

источники сплошного

тепловые источники, газо-

и линейчатого спек-

разрядные лампы, светоди-

оды, лазерная искра;

основные типы лазеров

(твердотельные, газовые,

ионные, полупроводнико-

вые, непрерывные и им-

источники коге-

пульсные, с перестройкой

рентного излуче-

частоты излучения и дли-

тельности импульсов), ге-

нераторы гармоник, ВКР и

ВРМБ преобразователи,

генераторы спектрального

суперконтинуума;

фотокатоды и ФЭУ, полу-

приемники излуче-

проводниковые приемники,

светочувствительные мат-

рицы, микроболометры;

электрооптические и аку-

стооптические световые

устройства управ-

затворы, жидко-

ления характери-

кристаллические и полу-

стиками когерент-

проводниковые транспа-

ных пучков:

ранты, устройства на осно-

ве фоторефрактивных сред,

изоляторы Фарадея;

электронно-лучевые и,

жидкокристаллические

устройства отобра-

дисплеи, лазерные проек-

жения информации:

ционные системы, голо-

графические дисплеи, си-

стемы формирования объ-

Наименование

раздела дисципли-

емного изображения;

принципы создания микро-

электромеханических

микроэлектромеха-

устройств и фотолитогра-

фия, оптические микро-

нические устрой-

электромеханические эле-

менты, применение микро-

электромеханических

устройств;

компоненты волоконно-

устройства управ-

оптических линий, модуля-

торы, мультиплексоры и

ления светом в оп-

демультиплексоры, изоля-

тических воло-

торы, соединители, развет-

конных световодах:

вители, фокусирующие

элементы;

планарные диэлектриче-

устройства управ-

ские волноводы, нелиней-

ные преобразователи излу-

ления светом в ин-

чения, канальные волново-

тегральной оптике:

ды, элементы ввода-вывода

излучения;

оптические цепи, опти-

устройства управ-

ческий транзистор, микро-

ления светом на

чип, оптические ограни-

основе фотонных

чители, фотонно-

кристаллов:

кристаллические волокна

Введение

Фотоника - наука, изучающая разные формы излучения, которые создаются частицами света, то есть фотонами.

Определения термина

Интересно, что общепринятого определения термина «Фотоника» не существует.

Фотоника - это наука о генерации, управлении и обнаружении фотонов, особенно в видимом и ближнем инфракрасном спектре, а также о их распространении на ультрафиолетовой (длина волны 10-380 нм), длинноволновой инфракрасной (длина волны 15-150 мкм) и сверхинфракрасной части спектра (например, 2-4 ТГц соответствует длине волны 75-150 мкм), где сегодня активно развиваются квантовые каскадные лазеры.

Фотоника также может быть охарактеризована как область физики и технологии, связанная с излучением, детектированием, поведением, последствиями существования и уничтожения фотонов. Это означает, что фотоника занимается контролем и преобразованием оптических сигналов и имеет широкое поле для своего применения: от передачи информации через оптические волокна до создания новых сенсоров, которые модулируют световые сигналы в соответствии с малейшими изменениями окружающей среды.

Некоторые источники отмечают, что термин «оптика» постепенно заменяется новым обобщённым названием - «фотоника».

Фотоника покрывает широкий спектр оптических, электрооптических и оптоэлектронных устройств и их разнообразных применений. Коренные области исследований фотоники включают волоконную и интегральную оптику, в том числе нелинейную оптику, физику и технологию полупроводниковых соединений, полупроводниковые лазеры, оптоэлектронные устройства, высокоскоростные электронные устройства.

Междисциплинарные направления

Благодаря высокой мировой научной и технической активности и огромной востребованности новых результатов

внутри фотоники возникают новые и новые междисциплинарные направления:

Микроволновая фотоника изучает взаимодействие между оптическим сигналом и высокочастотным (больше 1 ГГц) электрическим сигналом. Эта область включает основы оптикомикроволнового взаимодействия, работу фотонных устройств при СВЧ, фотонный контроль СВЧ устройств, линий высокочастотной передачи и использование фотоники для выполнения различных функций в микроволновых схемах

Компьютерная фотоника объединяет современную физическую и квантовую оптику, математику и компьютерные технологии и находящуюся на этапе активного развития, когда становится возможным реализовать новые идеи, методы и технологии.

Оптоинформатика - область науки и техники, связанная с исследованием, созданием и эксплуатацией новых материалов, технологий и устройств для передачи, приёма, обработки, хранения и отображение информации на основе оптических технологий.

Связь фотоники с другими областями наук

Классическая оптика. Фотоника близко связана с оптикой. Однако оптика предшествовала открытию квантования света (когда фотоэлектрический эффект был объяснен Альбертом Эйнштейном в 1905 г.). Инструменты оптики - преломляющая линза, отражающее зеркало, и различные оптические узлы, которые были известны задолго до 1900 г. При этом ключевые принципы классической оптики, такие как правило Гюйгенса, Уравнения Максвелла, и выравнивание световой волны не зависят от квантовых свойств света, и используются как в оптике, так и в фотонике.

Современная оптика Термин «Фотоника» в этой области приблизительно синонимичен с терминами «Квантовая оптика», «Квантовая электроника», «Электрооптика», и «Оптоэлектроника». Однако каждый термин используется различными научными обществами с разными дополнительными значениями: например, термин «квантовая оптика» часто обозначает фундаментальное исследование, тогда как термин «Фотоника» часто обозначает прикладное исследование.

Термин «Фотоника» в области современной оптики наиболее часто обозначает:

Партикулярные свойства света Возможность создания фотонных технологий обработки

сигналов Аналогия к термину «Электроника».

История фотоники

Фотоника как область науки началась в 1960 г. с изобретением лазера, а также с изобретения лазерного диода в 1970-х с последующим развитием оптоволоконных систем связи как средств передачи информации, использующих световые методы. Эти изобретения сформировали базис для революции телекоммуникаций в конце XX-го века, и послужили подспорьем для развития Интернета.

Исторически, начало употребления в научном сообществе термина «фотоника» связано с выходом в свет в 1967 г. книги академика А. Н. Теренина «Фотоника молекул красителей». Тремя годами раньше по его инициативе на физическом факультете ЛГУ была создана кафедра биомолекулярной и фотонной физики, которая с 1970 г. называется кафедрой фотоники.

А. Н. Теренин определил фотонику как «совокупность взаимосвязанных фотофизических и фотохимических процессов». В мировой науке получило распространение более позднее и более широкое определение фотоники, как раздела науки, изучающего системы, в которых носителями информации являются фотоны. В этом смысле термин «фотоника» впервые прозвучал на 9-ом Международном конгрессе по скоростной фотографии.

Термин «Фотоника» начал широко употребляться в 1980-х в связи с началом широкого использования оптоволоконной передачи электронных данных телекоммуникационными сетевыми провайдерами (хотя в узком употреблении оптоволокно использовалось и ранее). Использование термина было подтверждено, когда сообщество IEEE установило архивный доклад

с названием «Photonics Technology Letters» в конце 1980-х.

В течение с этого периода приблизительно до 2001 г., фотоника как область науки была в значительной степени сконцентрирована на телекоммуникациях. С 2001 г. года термин

«Фотоника» также охватывает огромную область наук и технологий, в том числе:

лазерное производство, биологические и химические исследования, медицинская диагностика и терапия, технология показа и проекции, оптическое вычисление.

Оптоинформатика

Оптоинформатика - это область фотоники, в которой создаются новые технологии передачи, приёма, обработки, хранения и отображения информации на основе фотонов. По существу, без оптоинформатики немыслим современный Интернет.

К перспективным примерам систем оптоинформатики можно отнести:

Оптические телекоммуникационные системы со скоростью передачи данных до 40 терабит в секунду по одному каналу;

оптические голографические запоминающие устройства сверхбольшой емкости до 1,5 терабайт на диск стандартных размеров;

многопроцессорные компьютеры с оптической межпроцессорной связью;

оптический компьютер, в котором свет управляет светом. Максимальная тактовая частота такого компьютера может составлять 1012-1014 Гц, что на 3-5 порядков выше существующих электронных аналогов;

фотонные кристаллы - новые искусственные кристаллы, имеющие гигантскую дисперсию и рекордно низкие оптические потери (0.001 дБ/км).

Лекция 1 Тема 1. История возникновения фотоники. Пробле-

мы электронных ЭВМ.

Раздел 1.1. История возникновения фотоники.

Использование света для передачи информации имеет давнюю историю. Моряки применяли сигнальные лампы для передачи информации с помощью кода Морзе, а маяки в течение многих веков предупреждали мореплавателей об опасностях.

Клауд Чапп в девяностых годах XVIII века построил оптический телеграф во Франции. Сигнальщики располагались на вышках, расположенных от Парижа до Лилля по цепочке длиной 230 км. Сообщения передавалось из одного конца в другой за 15 минут. В Соединенных Штатах оптический телеграф соединял Бостон с островом Марта Вайнярд, расположенным недалеко от этого города. Все эти системы со временем были заменены электрическими телеграфами.

Английский физик Джон Тиндалл в 1870 году продемонстрировал возможность управления светом на основе внутренних отражений. На собрании Королевского общества было показано, что свет, распространяющийся в струе очищенной воды, может огибать любой угол. В эксперименте вода протекала над горизонтальным дном одного желоба и падала по параболической траектории в другой желоб. Свет попадал в струю воды через прозрачное окно на дне первого желоба. Когда Тиндалл направлял свет по касательной к струе, аудитория могла наблюдать зигзагообразное распространение света внутри изогнутой части струи. Аналогичное зигзагообразное распростра-

нение света происходит и в оптическом волокне.

Десятилетием позднее Александр Грэхем Белл запатентовал фотофон (рис.), в котором направленный

помощью системы линз и зеркал свет направлялся на плоское зеркало, закрепленное на рупоре. Под воздействием звука зеркало колебалось, что приводило к модуляции отраженного света. В приемном устройстве использовался детектор на основе селена, электрическое сопротивление которого меняется в зависимости от интенсивности падающего света. Модулированный голосом солнечный свет, падающий на образец селена, изменял силу тока, протекающего через контур приемного устройства, и воспроизводил голос. Данное устройство позволяло передавать речевой сигнал на расстояние более 200 м.

В начале XX века были проведены теоретические и экспериментальные исследования диэлектрических волноводов, в том числе гибких стеклянных стержней.

В 50-е годы волокна, предназначенные для передачи изображения, были разработаны Брайеном О"Бриеном, работавшим в Американской оптической компании, и Нариндером Капани с коллегами в Императорском научно-технологическом колледже в Лондоне. Эти волокна нашли применение в световодах, используемых в медицине для визуального наблюдения внутренних органов человека. Доктор Капани был первым, кто разработал стеклянные волокна в стеклянной оболочке и ввел термин "волоконная оптика" (1956 г.). В 1973 году доктор Капани основал компанию Kaptron, специализирующуюся в области волоконно-оптических разветвителей и коммутаторов.

В 1957 году Гордон Голд, выпускник Колумбийского университета, сформулировал принципы работы лазера как интенсивного источника света. Теоретические работы Чарльза Таунса совместно с Артуром Шавловым в Bell Laboratories способствовали популяризации идеи лазера в научных кругах и вызвали бурный всплеск экспериментальных исследований, направленных на создание работающего лазера. В 1960 году Теодор Мэймен в Hughes Laboratories создал первый в мире рубиновый лазер. В этом же году Таунс продемонстрировал работу гелий-неонового лазера. В 1962 году лазерная генерация была получена на полупроводниковом кристалле. Именно такой тип лазера используется в волоконной оптике. Голду с большим опозданием, только в 1988 году, удалось получить четыре ос-

новных патента по результатам работ, выполненных им в 50-е

Военно-морские силы США внедрили волоконно-

годы и посвященных принципу работы лазера.

оптическую линию на борту корабля Little Rock в 1973 году. В

Использование излучения лазера как носителя информа-

1976-м в рамках программы ALOFT военно-воздушные силы

ции не было оставлено без внимания специалистами по комму-

заменили кабельную оснастку самолета А-7 на волоконно-

никации. Возможности лазерного излучения для передачи ин-

оптическую. При этом кабельная система из 302 медных кабе-

формации в 10 000 раз превышают возможности радиочастотно-

лей, имевшая суммарную протяженность 1260 м и весившая 40

го излучения. Несмотря на это, лазерное излучение не вполне

кг, была заменена на 12 волокон общей длиной 76 м и весом 1.7

пригодно для передачи сигнала на открытом воздухе. На работу

кг. Военные были первыми и в деле внедрения волоконно-

такого рода линии существенно влияют туман, смог и дождь,

оптической линии. В 1977 году была запущена 2-км система со

равно как и состояние атмосферы. Лазерному лучу гораздо

скоростью передачи информации 20 Мб/сек (мегабит в секун-

проще преодолеть расстояние между Землей и Луной, чем меж-

ду), связавшая наземную спутниковую станцию с центром

ду противоположными границами Манхеттена. Таким образом,

управления.

первоначально лазер представлял собой коммуникационный

В 1977 году компании AT&T и GTE установили коммер-

световой источник, не имеющий подходящей среды передачи.

ческие телефонные системы на основе оптического волокна.

В 1966 году Чарльз Као и Чарльз Хокхэм, работавшие в

Эти системы превзошли по своим характеристикам считавшиеся

английской лаборатории телекоммуникационных стандартов,

ранее незыблемыми стандарты производительности, что приве-

ло к их бурному распространению в конце 70-х и начале 80-х

пользоваться как среда передачи при достижении прозрачности,

годов. В 1980-м AT&T объявила об амбициозном проекте воло-

обеспечивающей затухание (определяет потери при передаче

конно-оптической системы, связывающей между собой Бостон и

сигнал) менее 20 дБ/км (децибел на километр). Они пришли к

Ричмонд. Реализация проекта воочию продемонстрировала ско-

выводу, что высокий уровень затухания, присущий первым во-

ростные качества новой технологии в серийных высокоскорост-

локнам (около 1000 дБ/км), связан с присутствующими в стекле

ных системах, а не только в экспериментальных установках. По-

примесями. Был также указан путь создания пригодных для те-

сле этого стало ясно, что в будущем ставку надо делать на воло-

лекоммуникации волокон, связанный с уменьшением уровня

конно-оптическую технологию, показавшую возможность ши-

примесей в стекле.

рокого практического применения.

В 1970 году Роберт Маурер со своими коллегами из

По мере развития технологии столь же быстро расширя-

Corning Glass Works получил первое волокно с затуханием ме-

лось и крепло производство. Уже в 1983 году выпускался одно-

нее 20 дБ/км. К 1972 году в лабораторных условиях был достиг-

модовый волоконнооптический кабель, но его практическое ис-

нут уровень в 4 дБ/км, что соответствовало критерию Као и

пользование было связано со множеством проблем, поэтому на

Хокхэма. В настоящее время лучшие волокна имеют уровень

протяжении многих лет полностью использовать такие кабели

потерь в 0.2 дБ/км.

удавалось лишь в некоторых специализированных разработках.

Не менее крупный успех был достигнут в области полу-

К 1985 году основные организации по передаче данных на

проводниковых источников и детекторов, соединителей, техно-

большие расстояния, компании AT&T и МО, не только внедри-

логии передач, теории коммуникаций и других связанных с во-

ли одномодовые оптические системы, но и утвердили их в каче-

локонной оптикой областях. Все это вместе с огромным интере-

стве стандарта для будущих проектов.

сом к использованию очевидных преимуществ волоконной оп-

Несмотря на то, что компьютерная индустрия, техноло-

тики обусловило в середине и конце 70-х годов существенные

гия компьютерных сетей и управление производством не столь

продвижения на пути создания волоконно-оптических систем.

быстро, как военные и телекоммуникационные компании, брали

на вооружение волоконную оптику, тем не менее и в этих областях также производились экспериментальные работы по исследованию и внедрению новой технологии. Наступление эры информации и возникшая в связи с этим потребность в более производительных телекоммуникационных системах только подхлестнули дальнейшее развитие волоконно-оптической технологии. Сегодня эта технология находит широкое применение и вне области телекоммуникаций.

Например, компания IBM, лидер в производстве компьютеров, объявила в 1990 году о выпуске нового быстродействующего компьютера, использующего контроллер канала связи с дисковыми и ленточными внешними накопителями на основе волоконной оптики. Это стало первым применением волоконной оптики в серийном оборудовании. Внедрение волоконного контроллера, получившего название ESCON, позволило передавать информацию с большей скоростью и на большие расстояния. Предшествующая модель контроллера на основе медных проводников имела скорость передачи данных 4,5 Мб/сек с максимальной длиной линии передачи в 400 футов. Новый контроллер работает со скоростью 10 Мб/сек на расстоянии в несколько миль.

В 1990 году Линн Моллинар продемонстрировал возможность передачи сигнала без регенерации со скоростью 2,5 Гб/сек на расстояние около 7500 км. Обычно волоконнооптический сигнал необходимо усиливать и периодически восстанавливать его форму - примерно через каждые 25 км. При передаче волоконно-оптический сигнал теряет мощность и искажается. В системе Моллинара лазер работал в солитонном режиме и использовалось самоусиливающее волокно с добавками эрбия. Солитонные (в очень узком диапазоне) импульсы не рассеиваются и сохраняют свою первоначальную форму по мере распространения по волокну. В то же самое время японской компанией Nippon Telephone & Telegraph была достигнута скорость 20 Гб/сек, правда, на существенно более короткое расстояние. Ценность солитонной технологии заключается в принципиальной возможности прокладки по дну Тихого или Атлантического океана волоконно-оптической телефонной системы, не требующей установки промежуточных усилителей. Однако с

1992 года солитонная технология остается на уровне лабораторных демонстраций и не находит пока коммерческого применения.

Информационная эра Четыре процесса, связанные с манипулированием ин-

формацией, основаны на применении электроники: 1.Сбрр

2. Хранение

3. Обработка и анализ

4. Передача

Для реализации этих процессов используется достаточно современное оборудование: компьютеры, электронные офисы, разветвленные телефонные сети, спутники, телевидение и т.д. Оглянувшись вокруг, можно обнаружить массу подтверждений наступления новой эры. Ежегодный прирост услуг в области информационной индустрии составляет сейчас около 15%.

Ниже приводятся факты, свидетельствующие о важности

и перспективности электроники в современной жизни.

В США в 1988 году насчитывалось 165 миллионов телефонных аппаратов, тогда как в 1950-м их было только 39 миллионов. Кроме того, услуги, предоставляемые телефонными компаниями, стали гораздо разнообразнее.

С 1950 по 1981 годы протяженность проводов телефонных систем возросла с 147 миллионов миль до 1.1 миллиарда.

В 1990 году общая протяженность оптических волокон в телефонных системах США составила около 5 миллионов миль. К 2000 году она возрастет до 15 миллионов миль. При этом возможности каждого волокна соответствуют возможностям нескольких медных кабелей.

В 1989 году в США было продано около 10 миллионов персональных компьютеров. Еще в 1976 году персональных компьютеров не было вообще. Сейчас это обычный элемент оборудования любого офиса и промышленного производства.

В настоящее время в США через персональный компьютер и обычную телефонную сеть открыт доступ к тысячам компьютерных баз данных.

Факсимильные сообщения (факсы) стали преобладать в деловой переписке.

Первая телефонная система на волоконно-оптическом

Телекоммуникации и компьютеры

кабеле, установленная в 1977 году, позволяла передавать ин-

До недавнего времени существовало четкое разграниче-

формацию со скоростью 44,7 Мб/сек и проводить переговоры

ние между тем, что составляло часть телефонной системы, и

одновременно по 672 каналам. Сегодня система Sonet, являю-

тем, что относилось к компьютерной системе. Например, теле-

щаяся стандартной системой в оптической телефонии, позволяет

фонным компаниям было запрещено участие на рынке компью-

передавать информацию с максимальной скоростью 10 Гб/сек,

терной технологии. Сегодня запрет формально остается в силе,

что примерно в 200 раз превосходит возможности первой опти-

но действие его в существенной мере ослаблено. Компьютеры

ческой системы. Предполагается достижение и стандартизация

могут теперь передавать данные по телефонным линиям, а те-

существенно более высоких скоростей, которые пока не доступ-

ны на современных электронных компонентах.

компьютерному) сигнал перед передачей. Телефонные и ком-

Во всех приведенных выше примерах фигурируют ис-

пьютерные компании все чаще конкурируют на рынке инфор-

точники информации и средства их объединения. Под информа-

мационных технологий.

цией здесь можно понимать как содержание телефонного разго-

Причины, приведшие к ослаблению данного запрета, по-

вора с другом, так и любой проект. Средства передачи инфор-

нятны. Развитие электронной технологии подразумевает тесное

мации из одного места в другое важны с точки зрения обладания

взаимодействие ее различных направлений. Различие между

полным объемом информации в любом месте страны. В каче-

компьютерной и телефонной технологиями ослабло еще более в

стве примера передачи информации можно привести как теле-

1982 году после распада компании AT&T, самой крупной кор-

фонный разговор с абонентом, находящимся па другом конце

порации в мировом масштабе. Информационная сеть становится

страны, так и разговор между соседними офисами, разделенны-

единой системой. Сейчас все труднее определить, за какую

ми парой дверей. Телефонные компании все более широко ис-

часть сети ответственны телефонные компании, какая часть сети

пользуют одинаковые цифровые технологии, как для передачи

принадлежит компьютерным компаниям, а какая находится в

собственности домовладельца.

вычно, но с точки зрения цифровых технологий передачи ин-

Развитие кабельной сети в США, вместе с включением

передачи компьютерных данных в сферу услуг, оказываемых

телефонными компаниями, являются лучшим доказательством

цифровые импульсы или числа, вид которых в точности соот-

преимуществ, связанных с наступлением информационной эры.

ветствует компьютерным данным. Такого рода преобразования

Ранее телефонные компании обеспечивали двустороннюю связь

звукового сигнала в цифровой позволяют телефонным компани-

между абонентами, называемую POTS (Plain Old Telephone Ser-

ям с меньшими искажениями передавать разговор. В большин-

vices - обычные старые телефонные услуги). В настоящее вре-

стве новых телефонных систем используется именно цифровая

мя появилось множество других услуг, таких как автоматиче-

технология. В 1984 году около 34% центральных телефонных

ский "дозвон", автоответчик и т.д. (эти услуги называют PANS

станций использовали цифровое передающее оборудование. К

Pretty Amazing New Services - просто удивительные новые

1994 году эта величина возросла до 82%. Волоконная оптика

услуги). Телефонные компании нацелены на создание интегри-

исключительно удобна для цифровых телекоммуникаций. По-

рованных цифровых сетей (Integrated Services Digital Network,

вышение требований к эффективности, надежности, скорости и

ISDN), предназначенных для передачи по телефонной сети го-

экономичности передачи данных обеспечивается характеристи-

лоса, данных и видеоизображения. Такого рода сети представ-

ками волоконно-оптических систем.

ляют возможность передать любого вида информацию куда

угодно и в любое время.

Волоконно-оптическая альтернатива

Обсуждаемая в этой главе глобальная сеть требует эффективной среды для передачи информации. Традиционные технологии, основанные на применении медного кабеля или микроволновой передаче, имеют недостатки и существенно уступают по характеристикам волоконной оптике. Например, медные кабели характеризуются ограниченной скоростью передачи информации и подвержены влиянию внешних полей. Микроволновая передача, хотя и может обеспечить достаточно высокую скорость передачи информации, требует использования дорогостоящего оборудования и ограничивается зоной прямой видимости. Волоконная оптика позволяет передавать информацию с существенно более высокими скоростями по сравнению с медными кабелями и имеет гораздо более приемлемую стоимость и меньше ограничений, чем микроволновая технология. Возможности волоконной оптики только начинают реализовываться. Уже сейчас волоконно-оптические линии превосходят по своим характеристикам аналоги, основанные на медном кабеле, и нужно учитывать, что технологические возможности медных кабелей имеют меньший потенциал развития, чем начинающая развиваться волоконно-оптическая технология. Волоконная оптика обещает стать неотъемлемой частью информационной революции, равно как и частью всемирной кабельной сети.

Волоконная оптика будет влиять на жизнь каждого человека, порой практически незаметно. Приведем несколько примеров незаметного вхождения волоконной оптики в нашу жизнь:

ния в ваш дом по кабелю; соединение электронного оборудования в вашем офисе с

оборудованием в других офисах; соединение электронных блоков в вашем автомобиле;

управление производственным процессом в промышленности.

Волоконная оптика является новой технологией, только начинающей свое развитие, но уже доказана необходимость ее применения как среды передачи для различных прикладных за-

дач, а характеристики волоконной оптики позволят в будущем существенно расширить область ее применения.

1.2. Проблемы электронных ЭВМ.

Первые серийные универсальные ЭВМ на транзисторах были выпущены в 1958 году одновременно в США, ФРГ и Японии. В Советском Союзе первые безламповые машины «Сетунь», «Раздан» и «Раздан 2» были созданы в 1959-1961 годах. В 60-х годах советские конструкторы разработали около 30 моделей транзисторных компьютеров, большинство которых стали выпускаться серийно. Наиболее мощный из них - «Минск 32» выполнял 65 тысяч операций в секунду. Появились целые семейства машин: «Урал», «Минск», БЭСМ. Рекордсменом среди ЭВМ второго поколения стала БЭСМ 6, имевшая быстродействие около миллиона операций в секунду - одна из самых производительных в мире.

Приоритет в изобретении интегральных схем, ставших элементной базой ЭВМ третьего поколения, принадлежит американским ученым Д. Килби и Р. Нойсу, сделавшим это открытие независимо друг от друга. Массовый выпуск интегральных схем начался в 1962

году, а в 1964 начал быстро осуществляться переход от дискретных элементов к интегральным. Упоминавшийся выше ЭНИАК размерами 9x15 метров в 1971 году мог бы быть собран на пластине в 1,5 квадратных сантиметра. В 1964 году фирма IBM объявила о создании шести моделей семейства IBM (System 360), ставших первыми компьютерами третьего поколения. Модели имели единую систему команд и отличались друг от друга объемом оперативной памяти и производительностью.

Начало 70-х годов знаменует переход к компьютерам четвертого поколения - на сверхбольших интегральных схемах

(СБИС). Другим признаком ЭВМ нового поколения являются резкие изменения в архитектуре.

Техника четвертого поколения породила качественно новый элемент ЭВМ - микропроцессор или чип (от английского слова chip). В 1971 году пришли к идее ограничить возможности процессора, заложив в него небольшой набор операций, микропрограммы которых должны быть заранее введены в постоянную память. Оценки показали, что применение постоянного запоминающего устройства в 16 килобит позволит исключить 100-200 обычных интегральных схем. Так возникла идея микропроцессора, который можно реализовать даже на одном кристалле, а программу в его память записать навсегда.

К середине 70-х годов положение на компьютерном рынке резко и непредвиденно стало изменяться. Четко выделились две концепции развития ЭВМ. Воплощением первой концепции стали суперкомпьютеры, а второй -персональные ЭВМ. Из больших компьютеров четвертого поколения на сверхбольших интегральных схемах особенно выделялись американские машины «Крей-1» и «Крей-2», а также советские модели «Эль- брус-1» и «Эльбрус-2». Первые их образцы появились примерно

в одно и то же время - в 1976 году. Все они относятся к категории суперкомпьютеров, так как имеют предельно достижимые для своего времени характеристики и очень высокую стоимость. К началу 80-х годов производительность персональных

компьютеров составляла сотни тысяч операций в секунду, производительность суперкомпьютеров достигала сотен миллионов операций в секунду, а мировой парк компьютеров превысил 100 млн.

вышла знаменитая теперь статья Гордона Мура (Gordon Moore)

«Переполнение числа элементов на интегральных схемах»

(«Cramming more components onto integrated circuits»), в которой тогдашний директор отдела разработок компании Fairchild Semiconductors и будущий сооснователь корпорации Intel дал прогноз развития микроэлектроники на ближайшие десять лет, предсказав, что количество элементов на кристаллах электронных микросхем будет и далее удваиваться каждый год. Позднее, выступая в 1975 году перед аудиторией конференции International Electron Devices Meeting, Годрон Мур отметил, что за прошедшее десятилетие количество элементов на кристаллах действительно удваивалось каждый год, однако в будущем, когда сложность чипов возрастёт, удвоение числа транзисторов в микросхемах будет происходить каждые два года. Это новое предсказание также сбылось, и закон Мура продолжает в этом виде (удвоение за два года) действовать и поныне, что можно наглядно видеть по следующей таблице (рис. 1.4.) и графику

Если судить по последнему технологическому скачку, который удалось совершить Intel за последний год, подготовив двуядерные процессоры с удвоенным количеством транзисторов на кристалле, а в случае с переходом от Madison к Montecito - так вообще учетверяющему это количество, то закон Мура возвращается, пусть и ненадолго, к своему первоначальному виду - удвоение числа элементов на микросхеме за год. Можно рассмотреть следствие закона для тактовой частоты микропроцессоров, хотя Гордон Мур неоднократно утверждал, что его закон относится только к числу транзисторов на кристалле и отражает

Фото́ника - дисциплина, занимающаяся фундаментальными и прикладными аспектами работы с оптическими сигналами, а также созданием на их базе устройств различного назначения.

  • Общие сведения
  • Разделы справки
    • Кристаллы
    • Оптика
    • Лазеры
    • Устройства
  • История фотоники
  • Связь фотоники с другими науками
    • Классическая оптика
    • Современная оптика

Общие сведения

Фотоника по сути является аналогом электроники, использующим вместо электронов кванты электромагнитного поля - фотоны. То есть, она занимается фотонными технологиями обработки сигналов, что связано с существенно меньшими энергопотерями, а значит имеет бо́льшую возможность миниатюризации.

Таким образом, фотоника:

  • изучает генерацию, управление и детектирование фотонов в видимом и ближнем к нему спектре. В том числе, на ультрафиолетовой (длина волны 10…380 нм), длинноволновой инфракрасной (длина волны 15…150 мкм) и сверхинфракрасной части спектра (например, 2…4 ТГц соответствует длине волны 75…150 мкм), где сегодня активно развиваются квантовые каскадные лазеры.
  • занимается контролем и преобразованием оптических сигналов и имеет широкое применение: от передачи информации через оптические волокна до создания новых сенсоров, которые модулируют световые сигналы в соответствии с малейшими изменениями окружающей среды.

Фотоника охватывает широкий спектр оптических, и оптоэлектронных устройств и их разнообразных применений. Коренные области исследований фотоники включают волоконную и интегральную оптику, в том числе нелинейную оптику, физику и технологию полупроводниковых соединений, полупроводниковые , оптоэлектронные , высокоскоростные электронные устройства.

Разделы справки

Кристаллы
Основная статья:

Кристаллы - это твёрдые вещества, имеющие естественную внешнюю форму правильных симметричных многогранников, основанную на их внутренней структуре, то есть на одном из нескольких определённых регулярных расположений составляющих вещество частиц (атомов, молекул, ионов).

Кристаллы делятся по своим свойствам:

Оптика
Основная статья:

О́птика (от др.-греч. ὀπτική - оптика, наука о зрительных восприятиях ) - раздел физики, рассматривающий явления, связанные с распространением электромагнитных волн видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов спектра. Оптика описывает свойства света и объясняет связанные с ним явления. Методы оптики используются во многих прикладных дисциплинах, включая электротехнику, физику, медицину (в частности, офтальмологию и рентгенологию). В этих, а также в междисциплинарных сферах широко применяются достижения прикладной оптики.

В оптике основными темами рассматриваются:

  • Плоская оптика – новые статьи в ближайшее время
  • Оптика из пластика – новые статьи в ближайшее время

Лазеры
Основная статья:

Ла́зер (от англ. laser , акроним от l ight a mplification by s timulated e mission of r adiation «усиление света посредством вынужденного излучения»), или опти́ческий ква́нтовый генера́тор - это устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

По теме лазеры:

  • Преимущество VCSEL – новые статьи в ближайшее время
  • Лазеры: понимание основ– новые статьи в ближайшее время
  • История лазера– новые статьи в ближайшее время

Устройства
Основная статья:

Рукотворный объект (прибор , механизм, конструкция , установка ) со сложной внутренней структурой, созданный для выполнения определённых функций, обычно в области техники.

  • Устройство (радиотехника) - совокупность элементов, представляющих единую конструкцию (блок, плата). Может не иметь в изделии определенного функционального назначения.

Об устройствах подробнее:

  • Фотометрический шар – новые статьи в ближайшее время
  • Интерферометрия– новые статьи в ближайшее время

История фотоники

Термин «Фотоника» начал широко употребляться в 1980-х в связи с началом широкого использования волоконно-оптической передачи электронных данных телекоммуникационными сетевыми провайдерами (хотя в узком употреблении оптическое волокно использовалось и ранее). Использование термина было подтверждено, когда сообщество IEEE установило архивный доклад с названием «Photonics Technology Letters» в конце 1980-х.

В течение этого периода приблизительно до 2001 г. фотоника была в значительной степени сконцентрирована на телекоммуникациях. С 2001 года к ней также стали относиться:

  • лазерное производство (),
  • биологические и химические исследования,
  • изменение климата и экологический мониторинг,
  • медицинская диагностика и терапия,
  • технология показа и проекции,
  • оптическое вычисление.

Связь фотоники с другими областями наук

Классическая оптика

Фотоника близко связана с оптикой. Однако оптика предшествовала открытию квантования света (когда фотоэлектрический эффект был объяснен Альбертом Эйнштейном в 1905). Инструменты оптики - преломляющая линза, отражающее зеркало и различные оптические узлы, которые были известны задолго до 1900. При этом ключевые принципы классической оптики, такие как правило Гюйгенса, Уравнения Максвелла и выравнивание световой волны, не зависят от квантовых свойств света и используются как в оптике, так и в фотонике.

Современная оптика

Термин «Фотоника» в этой области приблизительно синонимичен с терминами «Квантовая оптика», «Квантовая электроника», «Электрооптика» и «Оптоэлектроника». Однако каждый термин используется различными научными обществами с разными дополнительными значениями: например, термин «квантовая оптика» часто обозначает фундаментальное исследование, тогда как термин «Фотоника» часто обозначает прикладное исследование.

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, 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.

Фотоника, связь с прочими областями
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 . Используются , суперлюминесцентные диоды и лазеры, а также однофотонные источники, электронно-лучевые трубки и плазменные экраны. При этом электронно-лучевые трубки, плазменные экраны и дисплеи генерируют свой собственный свет, в то время как ЖК-дисплеи (подобные TTF-экранам), требуют фоновой подсветки от 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 , 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.

Фотонный компьютер, Wi-Fi из лампочки, материалы-невидимки, боевые лазеры и сверхчувствительные сенсоры... Все это плоды одной и той же науки - фотоники. О том, почему именно свет сегодня стал объектом изучения чуть ли не для половины физиков во всем мире, в нашем новом материале

Фото: GiroScience / Alamy / DIOMEDIA

Мышь в камере подсвечивается инфернальным зеленым светом: несколько секунд нужно лазеру, чтобы проникнуть в глубь организма и просканировать его до мельчайших деталей. На экране появляется изображение запутанного клубка кровеносных сосудов - до самых крошечных, размером в десятую долю миллиметра. Это оптоакустический микроскоп - уникальный, пока единственный в России прибор. Он преобразует оптический сигнал в акустический и позволяет не только "видеть" сосуды вплоть до микрокапилляров, но и обнаружить в крови мельчайшие частицы - например, единичные раковые клетки.

А если увеличить интенсивность излучения, то клетка от перегрева просто лопнет и разлетится на части. Понимаете? - рассказывает профессор Ильдар Габитов.- Мы можем удалять нежелательные биологические объекты прямо внутри организма без хирургического вмешательства и без воздействия на весь организм. Эти возможности одновременной диагностики и терапии характерны для нового направления медицины - тераностики.

Мы находимся в Центре фотоники и квантовых материалов в Сколковском институте науки и технологии в лаборатории биофизики. Пока ученые оттачивают свое мастерство на образцах тканей. Но в ближайшее время в Сколтехе появится полноценный исследовательский виварий.

Интересно, что идея соединить технологии диагностики и лечения возникла еще у Нобелевского лауреата, одного из авторов американской атомной бомбы - Ричарда Фейнмана. Он предсказал создание автономных инструментов, которые смогут выполнять хирургические операции непосредственно в организме человека. Фейнман писал: "...Было бы интересно, если бы вы могли проглотить хирурга. Вы введете механического хирурга в кровеносные сосуды, и он пройдет к сердцу и "осмотрится" там...". Возможно все это станет реальностью в ближайшее десятилетие. Для этого нам нужно понять, как фотоны взаимодействуют с веществом на наноуровне, и развить методы управления светом.

Компьютер из света

Свет - это основа всего,- добавляет профессор Габитов по пути в другую лабораторию.- Без света не было бы ничего: не смогла бы зародиться жизнь на Земле. Не было бы ни современной медицины, ни современной промышленности, да и всего современного общества с его сложнейшей информационной структурой, экономикой и повседневной жизнью тоже бы не было. Наука фотоника, чье стремительное развитие обусловлено огромным количеством приложений, изучает свойства света, взаимодействие света с веществом, разрабатывает методы управления световыми потоками. Общим для этих методов является одно - они основаны на манипуляциях с частицами света - фотонами. (Фотон - это квант электромагнитного излучения, он, в отличие от электрона, не имеет массы и электрического заряда и двигается в вакууме со скоростью света - "О" .)

А почему фотоника стала так бурно развиваться именно сейчас? Все передовые страны, включая Россию, определили ее как стратегически важное направление...

Я бы назвал два основных фактора - развитие инструментальной базы и растущие технологические потребности, включая информационную инфраструктуру современного общества. Сегодня 30-40 процентов выпускаемой в мире продукции создается с использованием фотоники, а перечень областей, где будут применяться открытия, растет с каждым днем.

Одной из самых "горячих областей" остаются компьютерные технологии. Основатель Intel Гордон Мур еще в 1965-м сформулировал закон, по которому число транзисторов на микросхеме и, значит, быстродействие будут увеличиваться вдвое каждые два года. Но в 2016-м его закон работать перестал: электроника больше не может развиваться так быстро. Заменят ли ее фотонные технологии?

Технологии электроники в некоторых областях действительно подошли к некоторому пределу. Мы все свидетели быстрого развития приборов, основанных на электронике. В кармане у многих есть смартфон - удивительное устройство, функциональные возможности которого 20 лет назад нельзя было и представить. Его появление хорошо иллюстрирует философский закон перехода количества в качество. Если бы мы попытались сделать нечто похожее на смартфон во времена так называемой дискретной электроники, то соответствующее устройство из радиоламп, конденсаторов, сопротивлений, индуктивностей и т.п. получилось бы размером с квартал. Вдобавок оно потребляло бы неимоверное количество энергии и не смогло бы работать из-за постоянных поломок вследствие ненадежности элементов. Лишь появление микросхем высокой степени интеграции (содержат большое количество элементов.- "О") привело к созданию устройств нового типа, которые ныне доступны каждому. Однако дальнейший прогресс, по которому развивается электроника, в ряде случаев не представляется возможным.

- И в чем причина?

Во-вторых, развитие компьютеров очень сильно тормозит отсутствие материалов, которые способны отводить тепло. Элементы в современных устройствах становятся очень маленькими, но их очень много, они чрезвычайно плотно упакованы, так что перегрева избежать невозможно. В настоящее время такие гиганты индустрии, как Google и Facebook, вынуждены были расположить свои "дата-центры" (центры обработки данных.- "О") в условиях холодного климата: за полярным кругом и на Севере на нефтяных платформах, где много холодной воды. А крупнейший в Китае дата-центр находится на высоте в 1065 м над уровнем моря в Хух-Хото, во Внутренней Монголии. Проблема требует решения, потому что плотность систем хранения данных будет только расти. Из культуры пользователей совсем уходит навык что-то стирать или уничтожать, как было еще 20 лет назад, когда мы пользовались дискетами или дисками. Облачное пространство кажется бесконечным.

А третья причина, самая главная, из-за которой быстродействие компьютеров больше не растет, связана с количеством электронов, которые участвуют в элементарной логической операции. Сейчас в одной операции задействован фактически один электрон. То есть дальше мы должны будем использовать "половинку" или "четверть" электрона, что является абсолютной нелепостью. Поэтому возникла идея попытаться создать устройства высокой степени интеграции с использованием фотонов.

Будет ли это похоже на технологический прорыв 1970-х, когда вместо медного кабеля стали использовать оптоволокно? Ведь именно этот переход по сути и создал современное информационное общество.

Да, оптоволокно - тонкая нить из прозрачного материала, по которой с высокой скоростью переносится свет - удивительный материал. Представьте себе: десятки километров оптического волокна обладают такой же прозрачностью, как и метр оконного стекла! Это и позволяет использовать фотоны вместо электронов в качестве носителей информации. Создание технологии оптического волокна и изобретение оптических усилителей привели к колоссальному прорыву в области высокоскоростной передачи. Теперь, конечно, возник соблазн использовать фотонные технологии не только для передачи, но и для обработки информации.

- Так реально ли в ближайшее время создание фотонного компьютера?

Здесь мы упираемся в нерешенные пока проблемы. Например, современный процессор представляет собой сложную структуру, выполненную из мельчайших элементов. С каждым годом компании совершенствуют технологии: у Apple и Samsung технологические размеры составляют приблизительно 7 нанометров (то есть сегодня возможно оперировать деталями такого размера и соответственно размещать очень много миниатюрных элементов.- "О"). Но фотон, как известно, одновременно является и частицей, и волной. При этом длина этой волны, используемая в современных информационных системах,- 1550 нанометров. Грубо говоря, смартфон на основе фотонных технологий был бы сегодня примерно в 200 раз больше привычного нам.

Вторая нерешенная проблема - отсутствие эффективных методов управления потоками фотонов. Электроны, как известно, имеют заряд, поэтому ими можно манипулировать при помощи магнитного или электрического поля. Фотоны нейтральны и этого сделать нельзя. Сегодня все ожидают появления новых гибридных устройств, которые бы объединяли фотонику и электронику. Над решением этой задачи бьются исследовательские центры ключевых компаний.

Что это даст? Невероятное быстродействие? У человечества есть задачи, которые нужно решать с такой производительностью?

Конечно, такие задачи есть в области моделирования климата, изучения мозга, медико-биологических проблем... Этот список можно продолжать долго. Что касается новых возможностей для повседневной жизни - знаете, на этот вопрос я ответить не могу. Повторюсь, 20 лет назад мы не могли себе представить, какими удивительными возможностями будут обладать смартфоны. Поэтому фантазировать на тему о том, к каким функциональным возможностям может привести создание устройств фотоники высокой степени интеграции, дело неблагодарное.

Наука просветления

- Насколько дорогая наука фотоника? Какие установки нужны ученым?

Гигантские проекты типа адронного коллайдера в области фотоники представить трудно - масштаб процессов здесь меньше. Но наука эта очень дорогая. Обычно центры фотоники, которые работают с очень маленькими структурированными объектами, с новыми материалами и новыми устройствами, стоят порядка 250-300 млн долларов.

- Где сегодня сконцентрирован научный потенциал и где, скорее всего, появятся новые суперустройства?

Все больше исследований смещаются и концентрируются в крупных компаниях. Ключевые сотрудники стоят очень дорого, поэтому часть пилотных исследований и исследований с высокой степенью риска компании отдают на аутсорсинг университетам, где есть квалифицированные профессора и хорошие студенты.

Если говорить о странах, то большая работа проводится в США. Помимо того, есть хорошие центры в Англии, в ФРГ, Японии, Кореи. Отчасти во Франции. Большая работа ведется в университетах, например в Университете Рочестера в Нью-Йорке. Это вообще известное место для всех, кто имеет отношение к оптике. Здесь начинали работу такие известные оптические гиганты, как Kodak, Xerox, Bausch and Lomb.

- Китай пока не попал в этот список?

Китай - отдельная история. На фотонику там выделяются громадные средства. Китайцы уже доминируют в отдельных областях производства, но, может быть, пока чуточку отстают по части разработки новых устройств. Хотя где-то, например в квантовой связи, китайцы обогнали весь мир. Буквально в нынешнем сентябре они при помощи квантового спутника QUESS осуществили связь между Китаем и Австрией. При этом не только побит рекорд по расстоянию, которое преодолел сигнал, но и положено начало созданию коммуникационных связей, которые невозможно взломать.

Китай развивается очень быстро, он привлекает не только значительные средства, но и человеческий потенциал. Сейчас, что интересно, китайские студенты зачастую уже не остаются после учебы в тех же Штатах, они возвращаются в Китай, а потом, становясь руководителями лабораторий, приглашают туда же своих профессоров.

Не секрет, что электроника - та область, где Россия мягко говоря, сильно отстала: на гражданском рынке микропроцессоров у нас 100 процентов импорта. Что можно сказать о российской фотонике? Это особенно интересно, так как в БРИКС за нее, как за одно из самых перспективных направлений в науке, отвечают как раз Россия и Индия.

Да, Россия с Индией, по-видимому, будут осуществлять совместные программы в области радиофотоники. Но в целом выбор, я бы сказал, оправдан. Мало кто помнит, что еще в 1919 году, в разгар Гражданской войны, у нас решением правительства был создан Государственный оптический институт (ГОИ). К 1923-му он был одним из наиболее оборудованных научных учреждений мира.

Вообще, это замечательное учреждение решило массу проблем. Скажем, до Первой мировой войны основным производителем оптики была Германия, а где-то в разгар войны были введены, как сейчас принято говорить, санкции. То есть приборы перестали поставляться в Россию. Было необходимо создавать индустрию, в чем огромную роль сыграл ГОИ. На его базе в том же 1919-м был построен 300-метровый интерферометр для наблюдения за звездами. Там занимались как фундаментальной наукой, так и созданием технологической базы. Здесь создавали все - от медицинских микроскопов до сложнейшей военной оптики и объективов для космических аппаратов.

К сожалению, в безумные 1990-е ГОИ пришел в плачевное состояние. Многих специалистов волевым решением руководства приняли работать в ИТМО - Санкт-Петербургский исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики. Теперь это уникальное образовательное учреждение, где ведутся очень серьезные научные работы. Ну, кроме того, нельзя не упомянуть Физтех, МИСИС, Университет им. Баумана в Москве, Новосибирский университет. Сейчас все это направление на подъеме, и решение правительства РФ о поддержке развития фотоники в России не случайно. Сколтех, кстати, участвовал в формировании этой программы. Наконец, проявляется серьезный интерес со стороны бизнеса: есть организации, которые выпускают конкурентную продукцию как гражданского, так и военного применения, развивают новые продукты.

Назад в будущее

Расскажите, пожалуйста, о фотонных технологиях, которые изменят нашу повседневную жизнь. На какой стадии сейчас разработки Li-Fi - Wi-Fi, работающего на фотонах?

Родоначальником этой технологии считается немецкий физик Харальд Хаас, который в 2011-м в качестве роутера использовал светодиодную лампу. В лабораторных условиях он достиг скорости передачи в 224 Гб/с. Такая скорость позволяет, например, скачать за 1 секунду 18 фильмов по 1,5 ГБ. Еще один важный нюанс - секретность. Радиоволны могут проходить через стены, то есть при связи по Wi-Fi радиосигнал может быть легко считан, а данные - украдены и расшифрованы. Модулированный свет из помещения далеко не уйдет, скрытно перехватить такой сигнал гораздо труднее - он воспринимается и передается в зоне прямой видимости. Но до воплощения в жизнь этой технологии еще далеко. Более реальны технологии на основе плазмоники.

- Что они собой представляют?

Плазмоника начала развиваться всего лет 15 назад, но явления, связанные с ней, известны очень давно. Например, еще в Древнем Египте в стекло добавляли металлы и окрашивали их в различные цвета. А в Британском музее стоит уникальный кубок, созданный из стекла, в котором растворено золото, так вот, при одном освещении он розовый, а при другом - зеленый. Дело, как оказалось, в том, что при растворении в стекле золото не рассеивается на молекулы, а собирается в кластеры - примерно 50 нанометров размер частички. Если осветить светом - длина волны больше, чем размер частички, и свет проходит, огибая ее, не рассеиваясь. Это открытие привело к созданию самых разнообразных технологий, например нанолазеров, размер которых меньше длины волны, и сверхчувствительных сенсоров.

- А есть уже работающие модели?

Есть. Первые работы о таких лазерах несколько лет назад опубликовал Миша Ногинов, выпускник МФТИ, проживающий в США. Он первым построил лазер размером в 40 нанометров - это в миллион раз меньше, чем толщина человеческого волоса. Информация об этом появилась в 2011 году в журнале Nаture. С тех пор началась экспериментальная жизнь нанолазеров. В частности, другой наш бывший соотечественник Марк Стокман, ученик академика Спартака Беляева, ректора Новосибирского госуниверситета, придумал SPASER - плазмонный наноисточник оптического излучения. Он представляет собой частицу размером 22 нанометра, то есть в сотни раз меньше человеческой клетки. Благодаря специальному покрытию частицы SPASER способны "находить" метастазирующие клетки рака в крови и, прилепляясь к ним, уничтожать их. По крайне оптимистическим оценкам Стокмана, первые устройства такого рода могут появиться уже в течение ближайшего года.

- Для чего в первую очередь будут использоваться сверхчувствительные сенсоры?

Например, для маркирования взрывчатых веществ. Для антитеррористической деятельности очень важно знать, откуда взялась та или иная взрывчатка, найти источник, откуда она утекла. Во всем мире прикладываются огромные усилия, чтобы маркировать взрывчатку, потому что тогда, собрав то, что осталось после взрыва, можно понять, где вещество было сделано - вплоть до смены и времени. Причем так, чтобы враг не мог понять, что туда добавляется. И эта задача решается просто: во взрывчатку попадает несколько молекул, которые сможет распознать сенсор на основе фотонных технологий.

Другое направление - маркировка лекарств. Известно, что в любой таблетке присутствует совсем малое количество действующего вещества, а основную массу составляют наполнитель и оболочка. Мы можем смешать, скажем, пять красителей в определенной пропорции, потом разбавить до низких концентраций и таким образом промаркировать подлинные таблетки через определенный состав оболочки. Чтобы отличить их от фальшивки, нужно всего лишь положить таблетки на специальную подложку и посмотреть, какой спектр они излучают. Это перспективное направление широко развивается в мире.

В нашей лаборатории в Сколтехе мы разрабатываем сенсор, который может определять уровень кортизола - гормона стресса - в крови человека. Это будет носимый гаджет, передающий информацию в режиме реального времени. Представляете, какая неоценимая вещь для людей, чья работа связана с постоянной концентрацией внимания?

В конце 1960-х в мире шли разговоры о создании боевых лазеров. У нас программой руководил Нобелевский лауреат Николай Басов. Под его руководством создавался боевой лазер, способный поражать баллистическую ракету. Какие области фотоники интересны военным?

Конечно, работы в области боевых лазеров ведутся во всех странах, но это не та тема, на которую можно распространяться. Более активно сегодня обсуждаются возможные метаматериалы (так называют материалы, свойства которых обогатили за счет нанотехнологий.- "О") для маскировки.

- Да, компании не раз заявляли, что готовы создать плащ-невидимку, как в романе Герберта Уэллса.

Это чрезвычайно популярное в медийном пространстве направление. В романе Уэллса невидимость была основана на принципе прозрачности материала. Такой принцип, точнее его имитация, реализуется в настоящее время. Сейчас, например, в Сеуле обсуждается проект строительства башни, которая время от времени становится "прозрачной". Поверхность здания будет подсвечиваться светодиодами, а ряд расположенных на фасадах камер будут в реальном времени транслировать на его поверхность изображение неба. Полностью "активированная" башня должна стать невидимой на фоне неба. Правда, не очень понятно, как решатся вопросы с авиационной безопасностью, учитывая, что недалеко от этого места находится аэропорт.

Другая технология была описана в фантастической книжке - "Невидимая женщина". Там дама окружена оболочкой, которая искажает ход лучей.

Этот принцип реализуется с помощью метаматериалов. Метаматериалы могут искривлять лучи света таким образом, что скрывающийся за ним предмет становится невидимым. Но проблема в том, что это возможно только с очень маленькими объектами - порядка сантиметра - и в узкой области спектра.

Как в том, так и в другом случае о реальной невидимости говорить рано.

Физика на завтра

В ХХ веке развитие той или иной сферы физики определял, как правило, политический заказ. В одном из последних интервью академик Гинзбург рассказывал, что когда американцы сбросили атомную бомбу, зарплата у него поднялась в 3 раза... А что, на ваш взгляд, сегодня движет развитием той или иной области физики?

В последние несколько десятков лет заказ определяется не политическими, а скорее индустриальными потребностями. Ведь как было раньше? Делалось какое-то открытие, изучалось некоторое явление, выявлялись какие-то математические факты и по прошествии довольно значительного времени они находили воплощение в приложениях. Сейчас скорость внедрения такова, что от открытия до появления технологии проходит буквально несколько месяцев. Вся биофотоника возникла лет семь назад, а сегодня без соответствующей лаборатории не обходится ни один крупный центр фотонных технологий.

Поэтому сейчас на Западе развитие физических дисциплин смещается с физических факультетов в инженерные. Именно там сегодня лучше финансирование и там есть индустриальный заказ. Параллельно снижается финансирование физических факультетов. Это такая общая тенденция, которую я наблюдаю как в Европе, так и в США.

- Значит ли это, что грядет перераспределение средств между фундаментальной и прикладной наукой?

Вполне вероятно. Прогресс фундаментальной науки зачастую требует очень крупных капиталовложений. Фундаментальная наука становится очень дорогой, поэтому идет международная кооперация, консолидация финансов. Это общее явление. В свое время у нас в Институте Ландау была такая точка зрения, что настоящей физикой являются только непонятые и непознанные явления. А все остальное - приложение. Так что с этой точки зрения в наши дни фундаментальной наукой будет, предположим, изучение темной материи и темной энергии.

В одном из интервью вы говорили, что качество образования студентов на физических факультетах катастрофически падает. Вы преподаете в США и в России. Это относится к обеим странам?

Падение интереса к науке - общемировая проблема. Она четко прослеживается почти везде. Видимо, человечеству стоит над этим задуматься, потому что рано или поздно это приведет к каким-то негативным последствиям. Да, я констатирую факт, что качество образования студентов после школы снижается. Тому много причин, одна из них - разрушение системы поиска и последующей заботы о талантливых ребятах, особенно из провинции.

Кроме того, современная российская система школ-интернатов испытывает большие трудности, потому что на них выделяются средства как на обыкновенные школы. Академические институты находят какие-то сторонние источники финансирования, но это не их профиль. Этим систематически должно заниматься государство. В советское время как раз эта система, которую сейчас у нас заимствовал Китай, работала очень хорошо.

В США будто бы в свое время копировали советскую систему математических школ, а вот про Китай я еще не слышала...

Когда в Китае я разговариваю с коллегами, то вижу много знакомого - через что в свое время проходили мы. Например, там скопирована советская система олимпиад и отбора лучших учеников. Мне это очень близко, потому что я сам попал в науку именно так. Моя мама была учительницей и выписывала "Учительскую газету", где были напечатаны задания физико-математической олимпиады. Я их решил сразу за все классы и отправил решения по почте. Причем задания были составлены очень мудрыми педагогами, потому что они нивелировали разницу между специализированными школами, которые давали очень хорошие тренинги, и сельскими. Иначе говоря, упор делался на сообразительность, на находчивость, на людей с потенциалом. Сейчас в России этого нет.

- ХХ век многие называют веком ядерной физики. Какая область физики станет флагманом в веке ХХI?

Самая удивительная область современной физики, на мой взгляд,- наука о Вселенной. Темная материя и темная энергия - это загадочные, удивительные явления, которые были открыты и еще ждут своего объяснения. Изучение и разгадка этих явлений приведет к колоссальному прогрессу в нашем понимании устройства мира. А вот фотоника, о которой мы говорили сегодня, в XXI веке сыграет ту же роль, что паровая машина в XIX или электроника в XX веке.

Вычислить свет
Визитная карточка

Физик Ильдар Габитов пришел к увлечению фотоникой через математические формулы. Сейчас он работает сразу в трех направлениях - изучает свойства света, занимается внедрением разработок в жизнь и создает программы по развитию науки

Ильдар Габитов - профессор факультета математики Университета Аризоны (США), директор Центра фотоники и квантовых материалов Сколковского института науки и технологий, ведущий научный сотрудник Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН.

Он родился в 1950-м в семье учительницы и горного инженера. Учился в Ленинградском университете на физфаке. На кафедре математической физики его учителями были знаменитые профессора - Ольга Ладыженская и Василий Бабич. Некоторое время работал в закрытом учреждении под Ленинградом, в Сосновом Бору. Затем - в Институте математики в Бишкеке. Оттуда перешел в Институт Ландау, к академику Владимиру Захарову. В самом начале 1990-х переехал в ФРГ, а затем в Лос-Аламосскую национальную лабораторию США, после чего обосновался в Университете Аризоны. Там проводит большую часть года.

Профессор Габитов автор свыше 100 научных работ по теоретической и математической физике, нелинейной оптике, теории интегрирующих систем, оптико-волоконным коммуникациям, многомасштабным явлениям и наноматериалам, нанофотонике и наноплазмонике. Он признан экспертом многих международных профессиональных ассоциаций, включая National Science Foundation (США), Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, US Civilian R&D Foundation (США), Engineering and Physical Sciences Research Council (Великобритания). Является членом ученого совета Сколковского института науки и технологий. Он участвовал в подготовке «Межведомственной программы по научным исследованиям и разработкам в области фотоники на период 2017-2020 годов» Министерства образования и науки РФ.