Фотоника

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

Вид ультраширокополосного лазерного луча, на выходе из волокна одномодового фотонного кристалла, при отсутствии искажений (белая точка).

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, 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.

По некоторым данным новый, обобщённый термин «фотоника» постепенно вытесняет термин «оптика».

История фотоники

Фотоника как область науки началась в 1960 году с изобретением лазера, а также с изобретения лазерного диода в 1970-х с последующим развитием волоконно-оптических 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 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-м Международном конгрессе по скоростной фотографии в 1970 году в Денвере (США).

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.

Перспективные разработки

В 2015 году в МГУ был создан сверхбыстрый фотонный переключатель, работающий на кремниевых наноструктурах, который в перспективе позволит создавать устройства передачи и обработки информации на скоростях в десятки и сотни терабит в секунду.

Междисциплинарные направления

Пример управления радиотехническим устройством методами фотоники. Структурная схема формирования диаграммы направленности антенной решётки на основе волоконной брэгговской решётки, где TLS — настраиваемый лазерный источник, MZM — модулятор Маха-Цендера, PC — коннектор, PD — фотодетектор, а FBG — волоконная брэгговская решётка.

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 оптико-микроволнового 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 находится 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 отображения 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 объяснён Альбертом Эйнштейном в 1905). Инструменты оптики — преломляющая линза, отражающее зеркало и различные оптические узлы, которые были известны задолго до 1900 года. 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.

См. также

• Квантовая оптика
• Фотонный кристалл
• Фотонная логика
• Нанофотоника
• Голография
• Электроника

Ссылки

• Сайт факультета Фотоники и оптоинформатики Национального исследовательского университета ИТМО
• Сайт факультета Лазерной фотоники и оптоэлектроники Национального исследовательского университета ИТМО
• Сайт кафедры Фотоники физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета
• Сайт кафедры Фотоники и Электротехники Харьковского Национального Университета Радиоэлектроники
• Образовательные материалы Лаборатории Лазерных Систем Новосибирского Государственного Университета
• Словарь терминов по фотонике. Сибирская Государственная Геодезическая Академия
• Журнал «Фотоника» Научно-технический журнал
• Проблемы рассеяния лазерного излучения в фотонике и биофотонике. Квантовая Электроника, Специальный выпуск, Том 36, № 11-12, (2006)
• Выставка Фотоника. Мир лазеров и оптики. Москва. Экспоцентр на Красной Пресне.
• Сайт научно-образовательного центра Фотоника и ИК-техника МГТУ им. Н. Э. Баумана

Литература

• Вилесов Ф. И., Ермолаев В. Л., Красновский А. А. Молекулярная фотоника. — Л., Наука, 1970. — 438 с.