Фото́ника — дисциплина, занимающаяся фундаментальными и прикладными аспектами работы с оптическими сигналами, а также созданием на их базе устройств различного назначения .

Общие сведения

Фотоника по сути является аналогом электроники , использующим вместо электронов кванты электромагнитного поля — фотоны . То есть, она занимается фотонными технологиями обработки сигналов, что связано с существенно меньшими энергопотерями, а значит имеет бо́льшую возможность миниатюризации.

Таким образом, фотоника:

• изучает генерацию, управление и детектирование фотонов в видимом и ближнем к нему спектре . В том числе, 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 .
• занимается контролем и преобразованием оптических сигналов и имеет широкое применение: от передачи информации через оптические волокна до создания новых сенсоров , которые модулируют световые сигналы в соответствии с малейшими изменениями окружающей среды .

Фотоника охватывает 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.

По некоторым данным новый, обобщённый термин «фотоника» постепенно вытесняет термин «оптика» .

История фотоники

Фотоника как область науки началась в 1960 году с изобретением лазера , а также с изобретения лазерного диода в 1970-х с последующим развитием волоконно-оптических 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 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-м Международном конгрессе по скоростной фотографии в 1970 году в Денвере (США).

Термин «Фотоника» начал широко употребляться в 1980-х в связи с началом широкого использования волоконно-оптической передачи электронных данных телекоммуникационными сетевыми провайдерами (хотя в узком употреблении оптическое волокно использовалось и ранее). Использование термина было подтверждено, когда сообщество IEEE установило архивный доклад с названием «Photonics Technology Letters» в конце 1980-х.

В течение этого периода приблизительно до 2001 г. фотоника была в значительной степени сконцентрирована на телекоммуникациях . С 2001 года к ней также стали относиться:

• лазерное производство ,
• биологические и химические исследования,
• изменение климата и экологический мониторинг ,
• медицинская диагностика и терапия ,
• технология показа и проекции,
• оптическое вычисление.

Перспективные разработки

В 2015 году в МГУ был создан сверхбыстрый фотонный переключатель, работающий на кремниевых наноструктурах, который в перспективе позволит создавать устройства передачи и обработки информации на скоростях в десятки и сотни терабит в секунду .

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 находится 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, приёма, обработки, хранения и отображения 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 объяснён Альбертом Эйнштейном в 1905). Инструменты оптики — преломляющая линза , отражающее зеркало и различные оптические узлы, которые были известны задолго до 1900 года. 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.

См. также

• Квантовая оптика
• Фотонный кристалл
• Фотонная логика
• Нанофотоника
• Голография
• Электроника

Примечания

Ссылки

• Сайт факультета Национального исследовательского университета ИТМО
• Сайт факультета Национального исследовательского университета ИТМО
• Сайт кафедры физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета
• Сайт кафедры Харьковского Национального Университета Радиоэлектроники
• Образовательные материалы Новосибирского Государственного Университета
• . Сибирская Государственная Геодезическая Академия
• Научно-технический журнал
• и биофотонике . Квантовая Электроника, Специальный выпуск, Том 36, № 11-12, (2006)
• Выставка Москва. Экспоцентр на Красной Пресне.
• Сайт научно-образовательного центра МГТУ им. Н. Э. Баумана

Литература

• Вилесов Ф. И. , Ермолаев В. Л., Красновский А. А. Молекулярная фотоника. — Л., Наука , 1970. — 438 с.