XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Введение.

Фото́ника — дисциплина, занимающаяся фундаментальными и прикладными аспектами работы с оптическими сигналами, а также созданием на их базе устройств различного назначения [1]. 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.

Фотоника охватывает 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.

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

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

Предметы фотоники.

Основными проблемами, изучаемыми фотоникой являются: физические основы и технологии соединений полупроводников, наноматериалы, имеющие новые физические свойства, лазеры и светодиоды, свойства и технологии создания новых видов оптоволокон, исследование фотонных кристаллов, их применение, изучение материалов и устройств интегрально оптики, вопросы нелинейной оптики, изучение и создание новых конструкций оптоэлектронных и электрооптических устройств, вопросы, относящиеся к высокоскоростным устройствам обработки оптических сигналов, вопрос интеграции фотонных и электронных устройств. Фотоника постоянно развивается, появляются новые направления исследований, технологические направления, перспективы использования.

Старт быстрому прогрессу дало внедрение оптоволоконных систем связи, которые стимулировали технологию создания полупроводниковых лазеров, оптических усилителей и модуляторов, приемников излучения и коммуникационных устройств. Позднее возникают оптические средства обработки и хранения информации, принципиально новые детекторы физических параметров, методы измерений и другое. В настоящее время фотонные устройства используют для отображения информации и сигнализации, для трансформации излучения света в электроэнергию.

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.

В область проблематики фотоники входит такой вопрос как исследование озоновых дыр. Изучение процессов фотоионизации веществ. Фотоника занимается теми же задачами, что и классическая электроника, но инструментом выступает поток фотонов, а не электронов. Поле фотонов применяют для хранения и преобразования, обработки и воспроизведения информации. Часто используют лазерное излучение, как поток когерентных фотонов [3].

В настоящее время фотоника (новая область науки и техники, находящаяся на стыке двух классических направлений: оптики и электроники) вписана в приоритетные направления развития науки и техники многих ведущих стран с высокоразвитой технологией (США, Великобритании, Южной Кореи, стран Европейского Союза). В этих странах фотоника выделена как одна из приоритетных, ключевых, высокоэффективных технологий, получившая особый статус государственного финансирования и статус стратегической государственной программы развития на ближайшие десять лет. Так Евросоюз обозначил фотонику и, в частности новые квантовые материалы для элементной базы, как одну из шести ключевых технологий с инвестициями в € 7 млрд., представив программу по исследованиям и инновациям «Horizon 2020: Фотоника – как двигатель экономического роста в Европе». Более того, 2015 год был объявлен «Международным годом света и световых технологий» на заседании 68 Генеральной Ассамблеи Организации Объединённых Наций 20 декабря 2013.

Сегодня фотоника – это не только новейшая наука и современные технологии. Во всем мире фотоника успешно развивается как бизнес: тысячи высокотехнологичных компаний работают в этом секторе. Так, например, рынок фотоники начинает конкурировать с рынком электроники и по прогнозам американской OIDA комиссии должен через 10-15 лет его догнать. Сегодня мировой рынок фотоники оценивается в €350 млрд. и ожидается, что он достигнет €600 млрд. к 2020 году. По данным американской OIDA комиссии товары на основе фотоники будут составлять более 35% всех потребительских технических товаров.

Фотоника так же исключительно важна для решения многих социальных и технических задач – высокоскоростная передача информации, передача больших объёмов информации, выработка энергии и её эффективное использования, обеспечения здоровой жизни населения, обеспечения безопасности и др. Объём производства продукции фотоники в Европе растёт со средней скоростью 8% в год, эта отрасль имеет огромный потенциал на мировом рынке.

В 2013 г. Правительство РФ утвердило дорожную карту «Развитие оптоэлектронных технологий (фотоники)». Реализация «дорожной карты» призвана ускорить развитие фотоники как отрасли высоких технологий, являющейся базовой для современного развития телекоммуникаций, систем регистрации, хранения, обработки и отображения информации, обработки и диагностики изделий в машиностроении, изготовления и контроля элементов микро - и наноэлектроники, создания принципиально новых производственных технологий, развития медицины, светотехники, солнечной энергетики, экологического мониторинга, а также создания современных систем контроля пространства, целеуказания и точного наведения, навигации и связи в условиях помех и защиты объектов.

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 и ее технологии

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 [2]. 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 [4]:

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 [5].

Обзор исследований

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

Источники света

Источники света в фотонике обычно устроены конструктивно сложнее ламп накаливания. Используются светодиоды, суперлюминесцентные диоды и лазеры, а также однофотонные источники, люминесцентные лампы, электронно-лучевые трубки и плазменные экраны. При этом электронно-лучевые трубки, плазменные экраны и органические светодиодные дисплеи генерируют свой собственный свет, в то время как ЖК-дисплеи (подобные TTF-экранам), требуют фоновой подсветки от флуоресцентных ламп с холодным катодом или, гораздо чаще, светодиодов.

Для полупроводниковых источников света характерно то, что взамен классических полупроводников (кремния и германия) чаще используются интерметаллиды. Примерами используемых систем материалов являются арсенид галлия (GaAs) и арсенид галлия и алюминия (AlGaAs), либо иные составные полупроводники. Эти материалы также используются в соединении с кремнием для изготовления гибридных кремниевых лазеров.

Среда передачи данных

Свет может проходить через любую прозрачную среду. Для направления света по нужному пути можно использовать стекловолокно или пластиковое оптоволокно. В системах оптической связи оптоволокно позволяет передавать данные на расстояния свыше 100 км без усиления, в зависимости от скорости цифрового потока и вида применяемой для передачи модуляции. Очень перспективным направлением исследования является разработка и производство специальных структур и материалов с заданными оптическими свойствами — фотонных кристаллов, фотонно-кристаллического оптоволокна и метаматериалов.

Усилители

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

Обнаружение (детектирование)

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

. Модуляция

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

Дополнительной областью исследований является вид модуляции. В оптической коммуникации обычно применяемым видом модуляции является переключение по типу «включено-выключено». В последние годы разработаны более совершенные виды модуляции наподобие фазового сдвига или ортогонального уплотнения каналов с частотным разделением для нейтрализации ухудшающих качество передачи сигнала эффектов наподобие дисперсии.

Фотонные системы

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

Фотонные интегральные схемы

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

Фотонные интегральные схемы – это оптические активные интегральные полупроводниковые фотонные приборы, состоящие по меньшей мере из двух различных функциональных блоков (области усиления и лазерных зеркал на основе решетки). Эти устройства с улучшенными характеристиками ответственны за коммерческий успех оптической связи и возможность увеличения доступной ширины полосы без существенного увеличения стоимости связи для конечного потребителя. Наиболее часто применяются фотонные интегральные схемы на основе фосфида индия.

Применения

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

К экономически важным приложениям полупроводниковых фотонных приборов относятся:

Запись и обработка оптических данных.

Отображение информации.

Оптическая накачка мощных лазеров.

Телекоммуникации: связь посредством оптоволокна, оптические конверторы с понижением частоты.

Вычисления посредством фотонных компьютеров: распределение синхросигналов и коммуникация между компьютерами, печатными платами, или в пределах оптоэлектронных интегральных схем.

Бытовая аппаратура.

Освещение.

Основанная на ксерографии лазерная печать.

Сканеры штрих-кодов, принтеры.

CD/DVD/Blu-Ray устройства.

Устройства дистанционного управления.

Медицина: мониторинг здоровья, диагностика, коррекция слабого зрения, лазерная хирургия, хирургическая эндоскопия, удаление татуировки.

Промышленность: использование лазера для сварки, сверления отверстий, резки и обработки поверхностей различными методами.

Робототехника.

Сельское хозяйство.

Химический синтез.

Термоядерная энергетика.

Строительство: лазерное нивелирование, лазерные дальномеры, интеллектуальные конструкции.

Авиация: фотонные гироскопы без подвижных деталей.

Военная техника: системы лазерной обороны, ИК-датчики, управление, навигация, поисково-спасательные операции.

Метрология: измерение времени, частоты и расстояний.

спектроскопия.

Залегание и обнаружение пластов в шахтах.

Индустрия развлечений: лазерные шоу, голографическое искусство.

В будущем: квантовые вычисления.

Как известно, основная идея, лежащая в любой вычислительной технике – это управление потоком электронов, идущих от источника. Проведя аналогию, можно сделать вывод, что для получения элементной базы для логических устройств на основе наноструктур с фотонной запрещенной зоной необходимо управлять потоком фотонов. Для этого необходимо получить так называемые фотонные полупроводники (по аналогии с электронными полупроводниками).

Понятие запрещенных и разрешенных энергетических зон является основой твердотельной электроники. Как известно в изолированном атоме энергия электрона может принимать строго дискретные значения. Энергетическая зона, содержащая энергии электрона, находящегося ближе к ядру атома, называется валентной зоной, дальше от ядра - зоной проводимости. Существует три основных вида веществ – проводники, изоляторы и полупроводники. Во первых, валентная зона и зона проводимости пересекаются, у вторых ширина запрещенной зоны столь велика, что энергия необходимая для ее преодоления может разрушить сам материал. И последний тип – полупроводники, в них также имеется запрещенная зона, однако ее ширина намного меньше чем у изоляторов. Это и позволяет им иметь свойства, как проводников, так и изоляторов, в зависимости от различных факторов.

Фотонные кристаллы, благодаря периодическому изменению коэффициента преломления, позволяют получить разрешённые и запрещённые зоны для энергий фотонов, аналогично полупроводниковым материалам, в которых наблюдаются разрешённые и запрещённые зоны для энергий носителей заряда. Практически, это значит, что если на фотонный кристалл падает фотон, обладающий энергией (длиной волны, частотой), которая соответствует запрещённой зоне данного фотонного кристалла, то он не может распространяться в фотонном кристалле и отражается обратно. И наоборот, это значит, что если на фотонный кристалл падает фотон, обладающий энергией (длиной волны, частотой), которая соответствует разрешённой зоне данного фотонного кристалла, то он может распространяться в фотонном кристалле. Другими словами, фотонный кристалл выполняет функцию оптического фильтра. Это позволяет использовать фотонные кристаллы для получения фотонных полупроводников.

Список литературы

Фотоника https://ru.wikipedia.org/wiki/Фотоника

Трофимова Т. И. Курс физики – М.: Высшая школа, 1997.

https://spravochnick.ru/fizika/fotonika/

Технологии фотоники https://www.skoltech.ru/industriya/prioritetnye-tehnologicheskie-oblasti-industrialnyh-proektov/tehnologii-fotoniki/

Фотоника. Современная и особенности. Работа и применение https://electrosam.ru/glavnaja/slabotochnye-seti/fotonika/

Код для цитирования: Скопировать