Электроника зашла в тупик. Введение в радиофотонику Развитие фотоники

Оптика – это одна из старейших и уважаемых наук, которая исследует создание, распространение и регистрацию света.

Современный этап развития оптики

В научном мире считают, что три основных открытия последних лет во многом обновили оптику как науку и способствовали усилению ее роли в развитии современных технологий:

1. изобретение лазера;
2. создание оптоволокна, которое имеет низкие потери;
3. конструирование полупроводниковых лазеров.

Эти изобретения дали жизнь новым научным дисциплинам, например:

• электрооптики;
• оптоэлектроники;
• квантовой электроники;
• квантовой оптики и другим.

Термин «электрооптика» используется для обозначения раздела науки, который рассматривает принципы действия, явления и конструктивные особенности оптических устройств, в которых самую значимую роль играют электрические эффекты. К данным оптическим устройствам можно отнести, например:

• лазеры;
• электрооптические модуляторы;
• переключатели.

Оптоэлектроника рассматривает устройства и системы, так или иначе связанные со светом, в которых существенна электронная природа. Примерами таких устройств являются:

• светодиоды;
• жидкокристаллические дисплеи;
• матричные фотоприемники.

Раздел квантовой электроники посвящен устройствам и структурам, основанием которых является взаимодействие световой волны с веществом. К устройствам квантовой электроники можно отнести лазеры и нелинейно – оптические устройства, которые применяют с целью усиления и смещения волн.

Квантовая оптика посвящена, в основном, квантовым и когерентным свойствам света.

Термин «оптические технологии» сейчас используют для описания приборов и систем, которые применяют в оптической связи и оптической обработке информации.

Фотоника как последовательница оптики

Термин фотоника служит отражением связи оптики и электроники. Данная связь усиливается растущей ролью в оптических системах использования полупроводниковых материалов и устройств.

В этой связи электроника исследует процессы управления потоками электрических зарядов в вакууме и веществе, при этом фотоника ответственна за управление фотонами в свободном пространстве или материальной среде. Предметные поля обоих научных разделов перекрываются, поскольку электроны способны управлять потоком фотонов, а фотоны могут управлять потоками электронов.

Название «фотоника» указывает на важность понимания корпускулярной природы света в описании принципов работы многих устройств в оптике.

Фотоника исследует следующие процессы и явления:

• Процессы генерации когерентного света при помощи лазеров и некогерентного света с помощью люминесцентных источников, например, светодиодами.
• Передачу света в свободном пространстве, сквозь «классические» элементы оптики (линзы, диафрагмы и изображающие системы) и волноводы (например, оптические волокна).
• Модуляцию, переключение и сканирование света при этом используются приборы управляемые при помощи электричества, акустически или оптически.
• Усиление и преобразование частоты световой волны при взаимодействии волны с нелинейными материалами.
• Детектирование света.

Результаты исследование фотоники находят применение в оптической связи, обработке сигналов, зондировании, отображении информации, печати и передаче энергии.

Четыре теории света, каждая из этих теория является более общей, чем предыдущая:

• лучевая оптика;
• волновая оптика;
• электромагнитная оптика;
• фотонная оптика.

1. Теорию взаимодействия с веществом.

   Теорию полупроводников и их оптические свойства.

Лучевая оптика в фотонике используется для описания систем получения изображений, пояснения, почему она ограничена при рассмотрении процессов в волноводах и резонаторах.

Скалярную волновую теорию фотоника использует в рассмотрении оптических пучков, она необходима для понимания процессов в лазерах, и Фурье-оптики и является полезной при описании когерентных оптических систем и голографии.

Электромагнитная теория света - это основа рассмотрения поляризации и дисперсии света, оптики направляемых волн, волокон и резонаторов.

Оптика фотонов описывает взаимодействие света и вещества. Она поясняет процессы генерации и регистрации света, смещение света в средах, являющимися нелинейными.

Замечание 1

Фотоника занимается вопросами конструирования и использования оптических, электрооптических и оптоэлетрических устройств.

Фотоника как наука

Замечание 2

Фотоникой называют науку, исследующую фундаментальные основы и применение оптических сигналов в качестве потоков фотонов, в разных устройствах и системах.

Можно определить фотонику как науку о создании, управлении и детектировании фотонов в видимой и инфракрасной части спектра, распространении их в ультрафиолетовой части, инфракрасной части с длинными волнами. В этих областях в настоящее время создают квантовые каскадные лазеры.

Историю фотоники как науки отсчитывают с 1960 года (тогда изобрели лазер). Фотоника сформировалась на базе многих наук (помимо оптики), например:

• физики твердого тела;
• материаловедения;
• информатики;
• физики полупроводников и т.д.

Замечание 3

Сам термин «фотоника» впервые возник в работе А.Н. Теренина «Фотоника молекул красителей». В 1970 году фотонику стали определять в качестве науки, которая рассматривает процессы и явления в которых носителями информации служат фотоны.

Научные интересы фотоники широки. Если в прошлом она рассматривала вопросы относящиеся, в основном, к телекоммуникациям, то сейчас в сферу ее интересов входят:

• лазеры;
• технологии в области полупроводников;
• исследование в области биологии и химии;
• экологические вопросы;
• нанообъекты;
• информатика и т.д.

Занимаясь созданием, управлением и регулированием оптических сигналов результаты исследований фотоники широко применяются: начиная с передачи информации при помощи оптоволокна до конструирования сенсорных устройств, модулирующих сигналы света, которые происходят при изменении параметров окружающей среды.

) — область науки и техники, которая занимается изучением фундаментальных и прикладных аспектов генерации, передачи, модуляции, усиления, обработки, детектирования и распознавания оптических сигналов и полей, а также применением указанных явлений при разработке и создании оптических, электрооптических и оптоэлектронных устройств различного назначения.

Описание

Термин фотоника относится к широкой научно-технической области, объединяющей лазерную физику, оптоэлектронику, электрооптику, волоконную и интегральную оптику, нелинейную оптику, оптическую связь, оптическую обработку сигналов и голографию.

Фотоника включает в себя исследование и разработку методов генерации, обработки, хранения, передачи, детектирования и преобразования оптических сигналов и полей в широком спектральном диапазоне - от ультрафиолетового излучения (10–380 нм) до дальнего инфракрасного диапазона (760 нм–1 мм). В большинстве практических применений фотоники используется видимый и ближний инфракрасный диапазон длин волн (0,4–1,6 мкм).

Центральными областями исследований фотоники являются:

• физика и технология соединений;
• и композитные с новыми физическими свойствами;
• физические свойства и технология получения новых типов ;
• , их физические свойства и применение;
• материалы и устройства интегральной оптики;
• нелинейная оптика и новые нелинейно-оптические материалы и устройства;
• оптоэлектронные и электрооптические устройства;
• высокоскоростные устройства обработки оптических сигналов;
• интеграция фотонных и электронных устройств.

Фотоника находится в постоянном развитии: возникают новые направления, технологии и материалы, открываются перспективные области применения. Начало этому процессу было положено созданием и быстрым внедрением волоконнооптических систем связи, стимулировавших прогресс в технологии производства полупроводниковых лазеров, оптических усилителей и модуляторов, приемников излучения и устройств коммутации. Затем начали появляться оптические средства обработки и хранения информации, качественно новые датчики физических величин, прецизионные методы измерений и многое другое. Сегодня фотонные устройства применяются также для отображения информации и сигнализации, для преобразования светового и теплового излучений в электрическую энергию и для других целей.

Авторы

• Разумовский Алексей Сергеевич
• Наний Олег Евгеньевич

Самара – 2009

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-

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.

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

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.