Войти

Фотоника: электроника будущего

2121
4
+2
Фотоника
Фотоника.
Источник изображения: rostec.ru

Если XIX век называют веком пара, а прошлый век признан веком электроники, то нынешнее столетие – время фотоники. Именно наши ученые стали основоположниками фундамента фотоники: Басов и Прохоров создали первые мазеры и получили Нобелевскую премию, а другой Нобелевский лауреат – Жорес Алферов – изобрел светодиоды на полупроводниковых гетероструктурах. Несмотря на последующее отставание, сегодня Россия развивается достаточно быстрыми шагами в этой сфере.

Холдинг «Швабе» Госкорпорации Ростех является системным интегратором в области фотоники. В его составе работает целый кластер по производству оптических материалов: стекла, керамики, кристаллов. Другой кластер холдинга занимается созданием лазеров, которые являются суперосновой фотоники. Еще одно направление – это энергосберегающая светотехника с ее лазерными светодиодами. Об истории фотоники и успехах российских ученых – в нашем материале.

Как фотон потеснил электрон

С начала XIX века люди используют явление электричества для различных целей – от передачи энергии и информации до научных опытов и создания произведений искусства. Сегодня мы не можем представить свою жизнь без электричества и электроприборов, но на смену электронике уверенно движется молодая наука − фотоника.

В поисках альтернативы электронике для миниатюризации устройств и увеличения скорости передачи данных ученые давно обратили внимание на свет. Частицы света – фотоны – самые элементарные частицы, способные переносить электромагнитное взаимодействие. В отличие от электронов они не имеют массы и заряда, а значит, двигаются быстрее – со скоростью света, а также не подвержены воздействию внешних электромагнитных полей. Кроме того, фотоны обладают гораздо большей дальностью передачи и большей шириной полосы пропускания сигнала. Термин «фотон» в 1926 году ввел в употребление американский физикохимик Гилберт Льюис.


Н.Г. Басов и А.М. Прохоров.
Источник: rostec.ru

Н.Г. Басов и А.М. Прохоров Первым большим шагом к появлению новой науки фотоники стало изобретение лазера в 1958–1960-х годах. В 1964 году за работы в квантовой физике, которые привели к созданию первых мазеров и лазеров, Нобелевскую премию получили советские физики Александр Прохоров и Николай Басов, а также их американский коллега Чарльз Таунс. Это изобретение открыло новую страницу в изучении взаимодействия света с веществом и превращения одной энергии в другую. Лазеры прочно вошли в нашу жизнь, проникнув в медицину, промышленность, науку, военное дело, экологию и многие другие сферы.

Россия − родина фотоники

Само понятие «фотоника» родилось в нашей стране. Его придумал физикохимик, академик Александр Теренин, занимавшийся в Государственном оптическом институте им. С.И. Вавилова (сегодня входит в холдинг «Швабе») вопросами фотосинтеза. Свой научный труд 1967 года он назвал «Фотоника молекул красителей». Фотонику Теренин определял как науку, изучающую изменение физических и химических свойств вещества под действием света. Однако в мировое научное сообщество термин вошел гораздо позже, утвердившись уже в 1980-е годы.


А.Н. Теренин в лаборатории Государственного оптического института им. С.И. Вавилова. 1950-е гг.
Источник: rostec.ru

А.Н. Теренин в лаборатории Государственного оптического института им. С.И. Вавилова. 1950-е гг. Современное понятие фотоники более широкое. С одной стороны, это раздел физики, который изучает фотоны, их генерацию, распространение и определение, а также контроль и управление оптическими сигналами. С другой стороны, это раздел техники, занимающийся прикладными аспектами работы с оптическими сигналами и созданием на их базе разнообразных устройств.

Можно сказать, что к концу XX века фотоника фактически заменила собой оптику, включив в себя квантовую электронику, физику и технику лазеров, квантовую оптику и другие направления, для которых базовым процессом является передача энергии и информации посредством фотонов. Сегодня фотоника является аналогом электроники, только вместо электронов она использует квант электромагнитного поля – фотон.

«Шланг» для света и интернета

Еще одной революционной технологией, закрепившей успехи фотоники и изменившей мир, стало оптическое волокно. Передавать свет и информацию по стеклянному «кабелю» пробовали и раньше, но достичь нужного уровня технологий удалось только в 1970-е годы. Оптоволокно – это канал, состоящий из оптически прозрачного материала, по которому движется свет. Эта технология позволяет передавать информацию на гораздо большие расстояния и с большей скоростью, чем электронные средства связи.

Именно благодаря оптоволокну широкое распространение получил скоростной интернет, создавший подобие нервной системы для всего человечества, где любая информация распространяется практически мгновенно. Скорость передачи данных в оптоволоконных сетях исчисляется терабитами в секунду. Важная особенность оптоволоконных сетей – сложность в перехвате данных. Ежегодно в России прокладывается около 4 млн км оптоволокна.

В передаче информации с помощью света задействованы три базовых процесса: генерация, передача и распознавание. Для генерации используются не простые лампочки, а лазеры и светодиоды. Передача обязательно должна проходить в прозрачной среде, такой как воздух или оптоволокно. А для распознавания используются специальные устройства – фотодетекторы.

Еще одна интересная сторона применения оптоволокна – способность эффективно поглощать свет. Эта особенность может применяться в камуфляже, в создании телескопов и других устройств.

Тихая фотонная революция

Мы находимся в самом начале фотонной революции, хотя фотонные устройства уже давно окружают нас – например, светодиоды или лазерные диоды. Эти устройства легкие, компактные, дешевые, прочные и долгоживущие, выделяют меньше тепла и требуют меньше энергии по сравнению с традиционными источниками света.

Технологии фотоники и устройства, созданные на их основе, шаг за шагом находят все большее распространение в мире. За последние 15 лет мировой рынок фотоники вырос более чем в три раза и по оценкам экспертов к 2025 году достигнет 838 млрд долларов США. Наиболее быстрорастущими секторами применения фотоники являются здравоохранение, информация и связь, а также промышленное производство. Без фотоники невозможна современная армия. Рынок растет как за счет увеличения использования уже известных технологий, так и за счет открытия новых. Новые возможности, которые несет фотоника, сравнимы с революционными результатами электрификации начала XX века.

На старте эры фотоники ученые России были в числе пионеров: наше первенство в квантовой электронике и лазерной технике неоспоримо. И сегодня нам необходимо восстанавливать позиции. По объемам продаж фотоники доля нашей страны в общемировом рынке – менее 1%. При этом в России сохранилась сильнейшая физическая школа, работающая именно в русле фотоники. Обладая большим научным потенциалом, мы пока уступаем другим государствам в коммерческом применении.

Крупнейшим в стране экспертом и системным интегратором в области фотоники является холдинг «Швабе» Госкорпорации Ростех. Входящие в него НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха, Московский завод «САПФИР», НПО «Государственный институт прикладной оптики», Уральский оптико-механический завод имени Э.С. Яламова, НПО «Орион» и другие научные институты и предприятия создают уникальные технологии и продукты на основе фотоники.

Ученые «Швабе» проводят множество фундаментальных и прикладных исследований по различным направлениям фотоники, в результате которых получены значительные достижения в области создания оптико-электронных (телевизионных и тепловизионных) систем, комплексов и аппаратуры наблюдения, прицеливания, разведки и наведения оружия; оптических материалов и элементов, работающих в широкой области спектра, для оптических и оптико-электронных систем; лазерных дальномеров, лазерных целеуказателей-дальномеров, лазерной гироскопии; твердотельных детекторов и фотоприемных устройств на их основе. Благодаря работе предприятий холдинга «Швабе» Россия может в значительной мере обеспечить свои потребности в фотонной технике и предложить миру перспективные разработки.

Права на данный материал принадлежат
Материал размещён правообладателем в открытом доступе
  • В новости упоминаются
Похожие новости
02.09.2019
Сергей Попов: "При создании “умных” оптико-электронных систем мы обеспечили полную импортонезависимость"
16.05.2018
"Швабе" развивает совместный с КНР проект на базе ГЛОНАСС и китайской навигационной системы BDS
13.07.2017
Андрей Клепач: у российской "оборонки" есть, что показать
14.07.2014
Дмитрий Медведев оценил инновационные разработки холдинга «Швабе»
23.06.2011
Сергей Максин: "Жить вчерашним днем – большая ошибка"
12.10.2010
VI Международный форум «Оптические приборы и технологии - «OPTICS-EXPO 2010» завершил свою работу
4 комментария
№1
22.02.2022 10:23
Цитата
В поисках альтернативы электронике для миниатюризации устройств и увеличения скорости передачи данных ученые давно обратили внимание на свет. Частицы света – фотоны – самые элементарные частицы, способные переносить электромагнитное взаимодействие. В отличие от электронов они не имеют массы и заряда, а значит, двигаются быстрее – со скоростью света, а также не подвержены воздействию внешних электромагнитных полей.
Скорость распространения электрического тока, определяет не скорость движения электронов в толще проводников и полупроводников, а электромагнитное поле поверх них. А оно движется со скоростью света, как и фотоны оптического диапазона. В свою очередь, скорость последних будет тормозиться средой, в которых они передвигаются. В оптоволокне, которое несомненно заменит металлические провода в фотонике, оно составляет 0,69 скорости света в вакууме. Так что, точно не скорость фотона - является преимуществом фотоники.
0
Сообщить
№2
22.02.2022 11:08
Цитата, forumow сообщ. №1
В свою очередь, скорость последних будет тормозиться средой,
Как и первых. Поле не в вакууме.
0
Сообщить
№3
22.02.2022 12:08
Я не гворил о преимуществах электротока перед светом, в скорости. Что впрочем не исключено, в ряде случаев. Лишь о отсутствии такового преимущества у второго.
+1
Сообщить
№4
22.02.2022 23:43
IBM ещё лет 10 назад использовала в кластерах оптические чипы коммутаторов, вроде 53*53 для связи микропроцессоров на плате...
0
Сообщить
Хотите оставить комментарий? Зарегистрируйтесь и/или Войдите и общайтесь!
  • Разделы новостей
  • Обсуждаемое
    Обновить
  • 02.07 11:14
  • 41
Высокоточная управляемая ракета армии США рекордной дальности
  • 02.07 09:58
  • 28696
США отреагировали на начало российских военных маневров у границ Украины
  • 02.07 05:10
  • 2
Замглавы АО "Кронштадт" Белых: завод по серийному производству БЛА в Дубне заработает в три смены
  • 01.07 13:18
  • 2
США провалили испытания гиперзвуковой ракеты
  • 01.07 13:00
  • 2
США провалили второе испытание новой гиперзвуковой ракеты для АПЛ класса «Вирджиния»
  • 01.07 12:45
  • 1
Назван возможный срок появления у США гиперзвукового оружия
  • 01.07 09:38
  • 1
Минобороны показало боевую работу «Солнцепека» на Украине
  • 01.07 00:47
  • 1
Нарышкин поделился секретами работы российских разведчиков-нелегалов
  • 30.06 19:22
  • 3
НАТО переходит к подготовке войны с Россией
  • 30.06 17:31
  • 67
В России запустили производство 20 самолетов Ту-214
  • 30.06 15:31
  • 2
В США предрекли потопление самого могущественного корабля России
  • 30.06 14:41
  • 4
Путин: в Европе хранится 200 американских ядерных тактических боезарядов, для их возможного применения подготовлено 257 самолетов
  • 30.06 13:14
  • 5
Лукашенко попросил Путина помочь приспособить белорусские самолеты под оснащение ядерными боезарядами
  • 30.06 10:21
  • 1
Борисов рассказал об успехах России в разработке боевых нитридных лазеров
  • 30.06 06:36
  • 30
Минобороны показало удары Су-25 "Тулумбасами" с предельно малой высоты