Фотоника – наука XXI века

Фотоника – относительно молодая наука. Ее появление напрямую связано с изобретением лазера в 1960-х годах. Можно сказать, что это событие и дало толчок для развития фотоники, как науки. За 60 лет своего существования она прошла большой путь, став одним из самых приоритетных направлений исследований. Многие открытия последних лет в области медицины, физики, химии, техники и других сферах были сделаны именно благодаря фотонике.

Сначала фотонику представляли как узкое направление, связанное исключительно с телекоммуникационной отраслью. В наши же дни она решает целый спектр разнообразных фундаментальных и прикладных задач. Большинство из них связаны с применением и эксплуатацией систем, носителем информации в которых является фотон.

Немного истории

Впервые термин «фотоника» был использован в 1967 году А.Н. Терениным. Он определял фотонику как «совокупность взаимосвязанных фотофизических и фотохимических процессов». В современном же, более широком, понимании ее представили в 1970-м году на 9 Международном конгрессе по скоростной фотографии.

Изобретение лазерного диода, оптического волокна и устройств усиления оптического сигнала – все это предпосылки, создавшие благоприятные условия для возникновения фотоники. Толчком же, заставившим молодую науку бурно расширяться, послужило активное развитие Интернета в 1980-х годах.

В настоящее время задачи, которые она охватывает, не ограничиваются телекоммуникационной сферой и включают в себя:

• производство и применение лазерного оборудования;
• биологические, физические, химические и другие исследования;
• оптические вычисления;
• экологический мониторинг;
• медицинскую диагностику и терапию;
• термоядерную энергетику;
• военную технику;
• оптические гироскопы и многое другое.

Что исследует фотоника

В. С. Кирчанов дает два определения фотоники: как технологии и как области науки и техники. И в том, и в другом случае подразумевается использование различных устройств (оптических компонент, лазеров, электрооптики и т.д.) для генерации, преобразования и детектирования оптических сигналов.

Таким образом, фотоника изучает:

• процессы генерации фотонов источниками когерентного (лазеры) излучения;
• процессы распространения оптического излучения в свободном пространстве или в оптических волокнах;
• электрооптические, электроакустические и другие методы модуляции оптического излучения;
• взаимодействие оптического излучения с нелинейными средами;
• детектирование оптического излучения.

Кремниевая фотоника — будущее вычислительных технологий

Сейчас, в эпоху информационных технологий, мы не мыслим себя без компьютеров, смартфонов и Интернета. Они прочно закрепились в каждой сфере нашей жизни, и играют ведущую роль в областях науки и техники. Особенно в тех случаях, когда необходимо производить высокопроизводительные вычисления или передачу большого объема данных.

Выведенный в XX веке эмпирический закон Мура гласит, что производительность процессоров должна удваиваться каждые 18 месяцев. Но, к сожалению, в последние годы их развитие подошло к технологическому пределу. И на самом деле, проблема гораздо глубже, чем кажется на первый взгляд. Главная загвоздка заключается в обмене данными между вычислительными ядрами и памятью. Необходимо поднять пропускную способность каналов передачи информации. А сделать это с помощью привычных методов не возможно.

Переход на оптическую передачу данных – закономерный и логичный шаг в сложившейся ситуации.  Но дальнейшее развитие в этом направлении застопорилось из-за физических свойств кремния. Как материал создания оптических элементов для кремниевой фотоники он подходит отлично. Но в остальном его характеристики не идеальны. Кремний является полупроводником с непрямой запрещенной зоной, плохо поглощает и излучает свет. Из-за этого в качестве базы для лазерных излучателей приходится использовать другие полупроводниковые материалы, которые плохо совместимы с остальными элементами фотонной интегральной схемы.

Так что решение этой проблемы приведет к революции в фотонике и областях знаний, где она играет важную роль. Объединение в одном небольшом чипе лазерного излучателя, устройств модулирования и детектирования света позволит создать каналы передачи информации с терабитной пропускной способностью. И выведет информационные технологии на совершенно другой уровень.

Тем не менее, уже сейчас появились оптические трансиверы на базе кремниевой фотонной технологии, позволяющие передавать данные со скоростью 100 Гбит/с и более.

Заключение

Д. Белл выделял в истории человечества три технологических революции:

• изобретение паровой машины в XVIII веке;
• достижения в изучении химии и электромагнетизма в XIX веке;
• изобретение компьютеров в XX веке.

Следуя этой закономерности, XXI век также должен ознаменоваться очередным технологическим прорывом, и сейчас исследователи стоят на его пороге. Прорыв в фотонике может дать очередной мощный импульс для развития науки и техники в целом.