Фотоника

Фотоника, как и электроника – область научно-технических знаний, посвященная аспектами генерации, передачи и обработки сигнала, несущего определенным образом зашифрованную информацию. Отличие заключается только в том, что в качестве элементарного носителей информации выступает не электрон, а фотон - элементарная частица, отвечающая за передачу электромагнитного взаимодействия. Как известно, скорость распространения света является предельной скоростью передачи информации между объектами во Вселенной. В этом и заключается идея использования квантов электромагнитного излучения (фотонов) в качестве носителей информации. Причем,  согласно фундаментальным законам квантовой механики, плотность упаковки информации тем выше, чем меньше длина волны излучения. Данная идея была заложена еще в 19 веке в основу радиотехники. Однако в отличие от технологии радиочастотной передачи сигнала, фотоника оперирует инфракрасным, видимым и даже ультрафиолетовым диапазоном электромагнитного излучения, что с одной стороны значительно увеличивает плотность зашифрованной информации, а с другой делает возможным её визуализацию непосредственно человеческим глазом.
 
Первым революционным скачком в развитии фотоники стало изобретение Теодором Майманом в 1960 году первого оптического квантового генератора — лазера, позволяющего генерировать коррелированный (когерентный, от лат. cohaerens — «находящийся в связи») поток фотонов с определенно заданной энергией кванта. Дальнейшее развитие идеи квантовой генерации, привело к созданию компактных и простых в управлении полупроводниковых лазеров (лазерных диодов). Генерация и управление параметрами излучения в лазерных диодах происходит с помощью обычных электрических сигналов, подаваемых на внешние контакты полупроводниковой структуры. Одновременный рост производительности электронных микросхем, используемых для управления рабочими характеристиками источников и приемников когерентного излучения, а также внедрение оптического волокна в качестве среды для передачи оптического сигнала позволило значительно оптимизировать рабочую инфраструктуру телекоммуникационных сетей, что послужило стимулом к созданию глобальной информационной сети, известной сейчас как Internet. 
 
Благодаря развитию компонентной базы фотоники, вторую жизнь получила технология радиолокации. На стыке фотоники и СВЧ техники появилось новое направление – радиофотоника. Основной идеей, стимулирующей развитие радиофотоники, является передача СВЧ сигнала по оптическому волноводу путем записи его на несущий оптический сигнал. Выполненные по такой схеме прототипы радиофотонных локаторов способны мгновенно перестраиваться в широчайшем диапазоне частот (от метрового до миллиметрового) при этом оставаясь полностью помехозащищенными, максимально компактными и иметь низкий уровень энергопотребления. Успешное развитие приборов радиофотоники требует совершенствования ее компонентной базы. Главной задачей, стоящей на сегодняшний день перед разработчиками устройств радиофотоники, является увеличение полосы пропускания источников и приемников лазерного излучения до 100 ГГц и выше, а также уменьшение потерь при передаче и преобразовании модулированного СВЧ сигнала.
 
Прототип 50-ти кубитного квантового компьютера фирмы IBM.

Другим инновационным направлением развития идей фотоники являются прикладные разработки в области квантовых технологий. Существующие современные информационные технологии (в широком понимании этого слова) оперируют статистическим набором квантовых состояний, хоть и объединенных общими макропараметрами. Однако всеобщая автоматизация и неуклонно растущая потребность общества в решении ресурсоемких задач диктует создание новой архитектуры фотонных системы, с принципиально другим уровнем временного разрешения. Такие системы основаны на управлении параметрами отдельных квантовых состояний.  Как известно у каждой квантовой частицы (электрона, фотона, иона, отдельного атома и т.д.) имеется набор квантомеханических параметров, характеризующих ее взаимодействие с окружающей средой (спин, поляризация, заряд, масса, магнитный момент и т.д.), при этом отдельные параметры могут принимать ряд дискретных значений в зависимости от той или иной ситуации. Общее же состояние квантовой частицы выражается суперпозицией всех возможных базовых состояний с определенным значением данного параметра.  Проводя аналогию с классическим битовым регистром (состояния 0 или 1), применяемым в микроэлектронике, можно постулировать, что система, состоящая из N-квантовых частиц (кубитов) с двумя возможными базовыми состояниям, способна содержать 2N бит информации, тогда как классическая система лишь 2*N. Предложенная еще в 1981 году Ричардом Фейнманом модель компьютера, основанного на алгоритме квантовых вычислений, лежит в основе создаваемых в настоящее время опытных прототипов квантовых компьютеров. Активное развитие данной области знаний привело к формированию целого научно-технического направления – квантовой информатики. Безусловно данный подход будет определять весь дальнейший исторический ход развития вычислительной техники, конечным этапом которого будет создание полностью фотонных интегральных микросхем, где передача сигнала между кубитами будет осуществляется с помощью микроволноводов.

 
Помимо задач, связанных с реализацией идеи квантового компьютера, много внимания в последнее время уделяется новому методу передачи зашифрованной информации посредством ВОЛС. Метод квантовой криптографии, по сути, основан на последовательной передаче отдельных квантовых состояний фотонов. В качестве изменяемого и измеряемого параметра в этом случае выступает поляризация фотона. С помощью потока одиночных фотонов с индивидуально заданной поляризацией возможно осуществлять передачу зашифрованной информации не опасаясь ее перехвата, так как любой выделенный для анализа фотон нарушает всю последовательную цепочку состояний поляризации.
 
Применение распределенных волоконно-оптических датчиков температуры для характеризации пластового потока геотермального источника
Говоря о широких возможностях практического применения фотонных систем, нельзя не упомянуть о целом классе приборов оптической сенсорики и диагностики. Сюда можно отнести различные LIDAR системы, системы лазерной дальнометрии и позиционирования, устройства бесконтактного гиперспектрального зондирования поверхности земли, системы оптической томографии и молекулярной визуализации, комплексы экологического мониторинга атмосферы, химического анализа почвы и питьевой воды. В отдельную группу можно выделить комплексы устройств  волоконной сенсорики, основанных на принципах оптической интерферометрии и рефлектометрии.
 
Среди основных областей промышленного, военного и гражданского применения данных устройств стоит отметить:
  • авиакосмическую отрасль, где оптическое волокно используется в навигационных системах в качестве основной части оптического гироскопа, основанного на эффекте Саньяка;
  • нефтегазовая отрасль, где оптическое волокно со специально нанесенными брэгговским решетками используется в качестве погружных датчиков температуры и сейсмической активности;
  • строительство и тяжелое машиностроение – в качестве распределенных датчиков деформации;
  • системы безопасности - в качестве датчиков движения, чувствительных к колебаниям поверхности;
  • ЖКХ и электроэнергетика – для контроля теплотрасс и силового электрооборудования.
Для создания нового поколения вычислительных и коммуникационных устройств на основе квантовой фотоники необходима разработка микро и наноразмерных источников однофотонного излучения, высокочувствительных детекторов однофотонного излучения, высокоскоростных фотоэлектрических преобразователей СВЧ сигнала, а также развитие технологи синтеза и микроструктурной обработки оптических волноводов. Методы решения этих задач подразумевают глубокие фундаментальные исследования свойств оптически активных материалов, а также прецизионное тестирование рабочих характеристик готовых изделий. 
 
Компания Макро Групп следит за тенденциями мирового рынка фотоники и предлагает комплексные решения, наиболее полно отвечающие потребностям современных научно-исследовательских, конструкторских и промышленных предприятий. Среди ассортимента предлагаемой нами продукции есть как собственные разработки, так и оборудование крупнейших мировых производителей в области волноводной оптики, систем лазерной генерации, спектроскопии, визуализации и фотовольтаики.
 
Компания Макро Групп является официальным дистрибьютором компаний-производителей, информация о которых представлена в разделе Фотоника, на территории РФ и стран Таможенного союза.
Новости
28.10.2019, 15:45
Лазерные диоды DenseLight от официального дистрибьютора – Макро Групп
Компания Макро Групп стала официальным дистрибьютором производителя лазерных диодов и широкополосных источников излучения DenseLight.
Закажите образцы
Нажимая на кнопку «Отправить», вы даете согласие на обработку своих персональных данных
Менеджер направления
Валерия Смирнова
+7 (812) 370 60 70 доб. 783
Задать вопрос менеджеру