ФОТОНИКА Учебное пособие для студентов по направлению подготовки: Фотоника и оптоинформатика (200600) Самара – 2014 2 УДК 621.391 Глущенко А.Г., Глущенко Е.П., Жуков С.В. <...> Рецензент: 3 Введение Фотоника — это наука о генерации, управлении и обнаружении фотонов, особенно в видимом и ближнем инфракрасном спектре, а также о их распространении на ультрафиолетовой (длина волны 10-380 нм), длинноволновой инфракрасной (длина волны 15-150 мкм) и сверхинфракрасной части спектра (например, 2-4 ТГц соответствует длине волны 75-150 мкм), где сегодня активно развиваются квантовые каскадные лазеры. <...> Фотоника также может быть охарактеризована как область физики и технологии, связанная с излучением, детектированием, поведением, последствиями существования и уничтожения фотонов. <...> Это означает, что фотоника занимается контролем и преобразованием оптических сигналов и имеет широкое поле для своего применения: от передачи информации через оптические волокна до создания новых сенсоров, которые модулируют световые сигналы в соответствии с малейшими изменениями окружающей среды. <...> Эта область включает основы оптико-микроволнового взаимодействия, работу фотонных устройств при СВЧ, фотонный контроль СВЧ устройств, линий высокочастотной передачи и использование фотоники для выполнения различных функций в микроволновых схемах Компьютерная фотоника объединяет современную физическую и квантовую оптику, математику и компьютерные технологии и находящуюся на этапе активного развития, когда становится возможным реализовать новые идеи, методы и технологии. <...> К перспективным примерам систем оптоинформатики можно отнести: Оптические телекоммуникационные системы со скоростью передачи данных до 40 терабит в секунду по одному каналу; оптические голографические запоминающие устройства сверхбольшой емкости до 1,5 терабайт на диск стандартных размеров; многопроцессорные компьютеры с оптической межпроцессорной связью; оптический компьютер <...>
Основы_фотоники_Учебное_пособие.pdf
УДК 621.391
Глущенко А.Г., Глущенко Е.П., Жуков С.В.
Основы фотоники. Учебное пособие. – Самара.: ГОУВПО ПГУТИ, 2014. –
100 с.
Учебное пособие для студентов направления «Фотоника и оптоинформатика»
включает расширенный курс лекций
(Аннотация дисциплины).
Рецензент:
3
Стр.3
Введение
Фотоника — это наука о генерации, управлении и обнаружении фотонов,
особенно в видимом и ближнем инфракрасном спектре, а также о их распространении
на ультрафиолетовой (длина волны 10-380 нм), длинноволновой инфракрасной
(длина волны 15-150 мкм) и сверхинфракрасной части спектра (например,
2-4 ТГц соответствует длине волны 75-150 мкм), где сегодня активно
развиваются квантовые каскадные лазеры.
Фотоника также может быть охарактеризована как область физики и технологии,
связанная с излучением, детектированием, поведением, последствиями
существования и уничтожения фотонов. Это означает, что фотоника занимается
контролем и преобразованием оптических сигналов и имеет широкое
поле для своего применения: от передачи информации через оптические волокна
до создания новых сенсоров, которые модулируют световые сигналы в соответствии
с малейшими изменениями окружающей среды.
Некоторые источники отмечают, что термин «оптика» постепенно заменяется
новым обобщѐнным 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.
Междисциплинарные направления
Благодаря высокой мировой научной и технической активности и огромной
востребованности новых результатов внутри фотоники возникают новые и
новые междисциплинарные направления:
Микроволновая фотоника изучает взаимодействие между оптическим
сигналом и высокочастотным (больше 1 ГГц) электрическим сигналом. Эта область
включает основы оптико-микроволнового взаимодействия, работу фотонных
устройств при СВЧ, фотонный контроль СВЧ устройств, линий высокочастотной
передачи и использование фотоники для выполнения различных функций
в микроволновых схемах
Компьютерная фотоника объединяет современную физическую и квантовую
оптику, математику и компьютерные технологии и находящуюся на этапе
активного развития, когда становится возможным реализовать новые идеи, методы
и технологии.
Оптоинформатика — область науки и техники, связанная с исследованием,
созданием и эксплуатацией новых материалов, технологий и устройств для
передачи, приѐма, обработки, хранения и отображение информации на основе
оптических технологий.
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 г.). Инструменты оптики — пре4
Стр.4
ломляющая линза, отражающее зеркало, и различные оптические узлы, которые
были известны задолго до 1900 г. 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.
Термин
«Фотоника» в области современной оптики наиболее часто обозначает:
Партикулярные
свойства света
Возможность создания фотонных технологий обработки сигналов
Аналогия к термину «Электроника».
История фотоники
Фотоника как область науки началась в 1960 г. с изобретением лазера, а
также с изобретения лазерного диода в 1970-х с последующим развитием оптоволоконных
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 г. 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.
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.
Термин «Фотоника» начал широко употребляться в 1980-х в связи с началом
широкого использования оптоволоконной передачи электронных данных
телекоммуникационными сетевыми провайдерами (хотя в узком употреблении
оптоволокно использовалось и ранее). Использование термина было подтверждено,
когда сообщество IEEE установило архивный доклад с названием
«Photonics Technology Letters» в конце 1980-х.
В течение с этого периода приблизительно до 2001 г., фотоника как область
науки была в значительной степени сконцентрирована на телекоммуни5
Стр.5
кациях. С 2001 г. года термин «Фотоника» также охватывает огромную область
наук и технологий, в том числе:
лазерное производство,
биологические и химические исследования,
медицинская диагностика и терапия,
технология показа и проекции,
оптическое вычисление.
Оптоинформатика
Оптоинформатика — это область фотоники, в которой создаются новые
технологии передачи, приѐма, обработки, хранения и отображения информации
на основе фотонов. По существу, без оптоинформатики немыслим современный
Интернет.
К перспективным примерам систем оптоинформатики можно отнести:
Оптические телекоммуникационные системы со скоростью передачи
данных до 40 терабит в секунду по одному каналу;
оптические голографические запоминающие устройства сверхбольшой
емкости до 1,5 терабайт на диск стандартных размеров;
многопроцессорные компьютеры с оптической межпроцессорной связью;
оптический компьютер, в котором свет управляет светом. Максимальная
тактовая частота такого компьютера может составлять 1012—1014 Гц, что на 35
порядков выше существующих электронных аналогов;
фотонные кристаллы — новые искусственные кристаллы, имеющие гигантскую
дисперсию и рекордно низкие оптические потери (0.001 дБ/км).
6
Стр.6