фотоника что это такое

Что такое фотоника: часть 1

Что такое фотоника? Как минимум, очень перспективная область исследований, за которой будущее. Чем же оно так перспективно и почему в скором времени утрёт нос привычной электронике? Попытаемся наглядно объяснить в иллюстрационной серии, посвященной жёлтому парню — фотону.

Как научная дисциплина, фотоника занимается фундаментальными и прикладными аспектами работы с оптическими сигналами, а также созданием устройств на их базе. Временем ее зарождения можно считать 1960 год, когда американский физик Теодор Харальд Майман создал первый рабочий лазер.

Фотон — это самая элементарная частица, способная переносить электромагнитное взаимодействие. В отличие от отрицательно заряженного электрона, эта частица не обладает собственным зарядом — она только переносит излучение. Сам термин «фотон» ввел в употребление американский физиохимик Гилберт Льюис в 1926 году.

Волны фотонов могут быть и не просто светом. Они переносят самые разные виды излучений, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни: ультрафиолетовое, рентгеновское, терагерцовое, инфракрасное, гамма и другие.

В Университете ИТМО исследованиями в области фотоники занимается одноименный мегафакультет. В его состав входят факультеты фотоники и оптоинформатики, прикладной оптики, лазерной фотоники и оптоэлектроники и физико-технический факультет

Источник

Что такое фотоника: часть 1

Что такое фотоника? Как минимум, очень перспективная область исследований, за которой будущее. Чем же оно так перспективно и почему в скором времени утрёт нос привычной электронике? Попытаемся наглядно объяснить в иллюстрационной серии, посвященной жёлтому парню — фотону.

Как научная дисциплина, фотоника занимается фундаментальными и прикладными аспектами работы с оптическими сигналами, а также созданием устройств на их базе. Временем ее зарождения можно считать 1960 год, когда американский физик Теодор Харальд Майман создал первый рабочий лазер.

Фотон — это самая элементарная частица, способная переносить электромагнитное взаимодействие. В отличие от отрицательно заряженного электрона, эта частица не обладает собственным зарядом — она только переносит излучение. Сам термин «фотон» ввел в употребление американский физиохимик Гилберт Льюис в 1926 году.

Волны фотонов могут быть и не просто светом. Они переносят самые разные виды излучений, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни: ультрафиолетовое, рентгеновское, терагерцовое, инфракрасное, гамма и другие.

В Университете ИТМО исследованиями в области фотоники занимается одноименный мегафакультет. В его состав входят факультеты фотоники и оптоинформатики, прикладной оптики, лазерной фотоники и оптоэлектроники и физико-технический факультет

Источник

Что такое фотоника?

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

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

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. Ф отоника открывает широкие возможности и перспективы развития в научной академической среде, а также в области реальных разработок. Это область знания, несомненно, будет развиваться из года в год!

Источник

Фотоника

Некоторые источники [2] 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.

Содержание

Междисциплинарные направления

Благодаря высокой мировой научной и технической активности и огромной востребованности новых результатов внутри фотоники возникают новые и новые междисциплинарные направления:

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.

История фотоники

Фотоника как область науки началась в 1960 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. [4]

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 (Denver. USA. 1970).

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 как область науки была в значительной степени сконцентрирована на телекоммуникациях. С 2001 года термин «Фотоника» также охватывает огромную область наук и технологий, в том числе:

Источник

Фотоника. Современная и особенности. Работа и применение

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

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

История

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

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

В течение периода, приведшего к краху доткомов (интернет-компаний) около 2001 года, к сфере фотоники относились в основном оптические сети связи. К настоящему времени она объемлет огромное количество научных и технологических приложений, включая производство лазеров, биологическое и химическое зондирование, медицинскую диагностику и терапию, технику отображения информации и оптические вычисления.

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:

Термин «оптоэлектроника» приложим к устройствам или схемам, которым одновременно свойственны электрические и оптические функции, т.е. к тонкопленочным полупроводниковым устройствам. Ранее использовался термин «электрооптика», и к электрооптике относились нелинейные устройства с электрооптическими взаимодействиями, как, например, модуляторы на объемных кристаллах (ячейки Поккельса), а также перспективные датчики изображения, обычно используемые гражданскими или правительственными организациями для наблюдения.

Вновь возникающие области

Фотоника тесно связана с возникающими квантовой информатикой и квантовой оптикой, в той части, где они используют общие методы. Прочие вновь возникающие направления включают оптомеханику, занимающуюся изучением влияния на свет механических вибраций мезоскопических или макроскопических объектов, и создание устройств, объединяющих фотонные и атомные приборы для служб хранения времени, навигации и метрологии. Отличие поляритоники заключается в том, что фундаментальными носителями информации являются поляритоны (смеси фотонов и фононов), работающие в диапазоне частот от 300 Ггц до примерно 10 ТГц.

Обзор исследований

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

Источники света

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

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

Среда передачи данных

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

Усилители

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

Обнаружение (детектирование)

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

Модуляция

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

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

Фотонные системы

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

Фотонные интегральные схемы

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

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

Применения

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

Источник