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.
Производители
Новости
14.03.2022, 10:45
Приглашаем на выставку «Фотоника. Мир Лазеров и Оптики 2022»
Приглашаем посетить стенд «Макро Групп» на выставке «Фотоника. Мир Лазеров и Оптики 2022».
03.12.2021, 12:45
Серия лазерных чипов с распределённой обратной связью 25Гбит/с от Denselight
Denselight Semiconductors выпустит на рынок линейку высоконадёжных и недорогих одномодовых CWDM лазеров с распределённой обратной связью со скоростью 25 Гбит/с, рассчитанных на длины волн 1271/1291/1311/1331 нм и мощностью не менее 6 мВт.
08.11.2021, 14:15
Одиночные лазерные излучатели на сабмаунте от BrandNew Technology
Компания BrandNew Technology выпустила новую серию одиночных лазерных излучателей, специально разработанных для получения высокой выходной мощности излучения, высокой эффективности передачи мощности оптического излучения.
Менеджер направления
фотоника
+7 (812) 370 60 70 доб. 716
Задать вопрос менеджеру