Области применения фотоники реферат

Обновлено: 02.07.2024

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

возможность создания фотонных технологий обработки сигналов

биологические и химические исследования,

изменение климата и экологический мониторинг,

медицинская диагностика и терапия,

технология показа и проекции,

раздел оптики, который изучает физические явления, возникающие и протекающие в оптических волокнах,

продукцию отраслей точного машиностроения, имеющую в своём составе компоненты на основе оптических волокон.

К волоконно-оптическим приборам относятся лазеры, усилители, мультиплексоры, демультиплексоры и ряд других. К волоконно-оптическим компонентам относятся изоляторы, зеркала, соединители, разветвители и др. Основой волоконно-оптического прибора является его оптическая схема — набор волоконно-оптических компонентов, соединённых в определённой последовательности. Оптические схемы могут быть замкнутые или разомкнутые, с обратной связью или без неё.

Устройство волоконно-оптических компонентов:

Зеркала и фильтры

Зеркалом называется компонент, отражающий излучение определённой частоты с определённым коэффициентом отражения. Фильтр, в свою очередь, пропускает излучение определённой частоты, как правило, в узком частотном диапазоне, а остальное излучение поглощает или рассеивает.

Объединители и Разветвители

Представляют собой два параллельных волокна, лишённые оболочки и соприкасающиеся между собой. Соприкосновение и фиксация волокон достигается при высоких температурах. Объединители и разветвители могут строиться на элементах микрооптики, включая микролинзы и частично-прозрачные зеркала с заданным коэффициентом деления.

Волокно, способное усиливать или генерировать сигнал определённой частоты. Это достигается введением в кварцевое волокно редкоземельных металлов в зависимости от требуемой частоты усиления.

Волокно, не обладающее свойствами усиления. Используется для соединения волоконно-оптических компонентов между собой, а также для увеличения общей протяженности оптической схемы, если это необходимо.

Как и в случае обычных лазеров для начала усиления и генерации необходима накачка активной среды. Для накачки активных волокон используют полупроводниковые лазерные диоды.

§ 27. Фотоника. Квантовые компьютеры

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

Фотоника по сути является аналогом электроники, использующим вместо электронов кванты электромагнитного поля — фотоны. Фотоны – кванты электромагнитного поля. Открыты в 1921 году. Квант – наименьшая частица количества энергии. Открыты в 1918 году. То есть, она занимается фотонными технологиями обработки сигналов, что связано с существенно меньшими энергопотерями, а значит имеет бо́льшую возможность миниатюризации.

Излучённые фотоны в когерентном луче лазера

Назначение фотоники

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.

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.

К фотонике относиться :

лазерное производство,
биологические и химические исследования,
изменение климата и экологический мониторинг[6],
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.

Гелий-неоновый лазер. Светящийся луч в центре – это электрический разряд, порождающий свечение. Луч проецируется на экран справа в виде светящейся красной точки.

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.

Существует множество технических устройств, которые так или иначе используют в своей работе фотоны. Ниже иллюстрация одного из них.

Квантовый компьютер

Квантовый компьютер — вычислительное устройство, которое использует явления квантовой механики для передачи и обработки данных. Квантовый компьютер (в отличие от обычного) оперирует не битами (способными принимать значение либо 0, либо 1), а кубитами , имеющими значения одновременно и 0, и 1. Теоретически, это позволяет обрабатывать все возможные состояния одновременно, достигая существенного превосходства над обычными компьютерами в ряде алгоритмов

Необходимость в квантовом компьютере возникает тогда, когда мы пытаемся исследовать методами физики сложные многочастичные системы, подобные биологическим. Пространство квантовых состояний таких систем растет как экспонента от числа n n составляющих их реальных частиц, что делает невозможным моделирование их поведения на классических компьютерах уже для n = 10 n=10. Поэтому Стивен Визнер (англ.) и Фейнман высказали идею построения квантового компьютера.

Квантовый компьютер использует для вычисления не обычные (классические) алгоритмы, а процессы квантовой природы, так называемые квантовые алгоритмы, использующие квантовомеханические эффекты, — такие как квантовый параллелизм и квантовая запутанность.

Полноценный универсальный квантовый компьютер является пока гипотетическим устройством, сама возможность построения которого связана с серьёзным развитием квантовой теории в области многих частиц и сложных экспериментов; разработки в данной области связаны с новейшими открытиями и достижениями современной физики. На конец 2010-х годов практически были реализованы лишь единичные экспериментальные системы, исполняющие фиксированные алгоритмы небольшой сложности.

Возможности применения

Физические реализации квантовых компьютеров

Построение квантового компьютера в виде реального физического прибора является фундаментальной задачей физики XXI века. По состоянию на начало 2018 года построены только ограниченные варианты квантового компьютера (самые большие сконструированные квантовые регистры имеют несколько десятков связанных кубитов

Основные проблемы , связанные с созданием и применением квантовых компьютеров:

необходимо обеспечить высокую точность измерений;
внешние воздействия (включая передачу полученных результатов) могут разрушить квантовую систему или внести в неё искажения.

На рубеже XX—XXI веков во многих научных лабораториях были созданы однокубитные квантовые процессоры (по существу, управляемые двухуровневые системы, о которых можно было предполагать возможность масштабирования на много кубитов).

В ноябре 2017 года учёные IBM успешно построили и испытали прототип процессора с 50 кубитами.

В марте 2018 года компания Google объявила, что ей удалось построить 72-кубитный квантовый процессор Bristlecone, имеющий низкую вероятность ошибок в вычислениях.

Новые слова и понятия

Фотоника, фотон, квант, микроволновая фотоника, компьютерная фотоника, оптоинформатика, квантовый компьютер, кубит

Проверяем свои знания

Домашнее задание :

ГОСТ

Оптика - это один из старейших разделов научного знания. Свет имеет очень важную роль в жизни человека. Большую часть информации о мире человек получает при помощи света.

Ученые мужи древних времен думали о природе света, исследовали методы распространения света и пытались найти объяснение явлениям, которые связаны со световыми волнами, таким как:

изменение цвета неба;
возникновение радуг;
появление миражей;
создание ореолов и другими.

В настоящее время разрабатываются сверхбыстрые технологии в оптике, которые дают возможность генерировать сверхкороткие и мощные импульсные лазеры, оптические приборы широко используют в повседневной жизни человека, в таких условиях исследование явлений оптики становится очень актуальным.

Что такое фотоника

материаловедения,
физики твердого тела,
оптики и электроники,
спектроскопии,
квантовой электроники,
нелинейной оптики,
оптоинформатики.

Фотоникой называют раздел научного знания, который связан изучением фундаментальных основ и применением светового излучения (потока фотонов) и фотонных полей в компонентах, устройствах и системах, в которых создаются, усиливаются, модулируются, распространяются и принимаются световые сигналы.

Фотоника объединяет знания из:

лазерной физики;
оптоэлектроники;
волоконной и интегральной оптики;
нелинейной оптики;
оптической связи;
оптической обработки сигналов;
голографии.

Данная наука изучает методы генерации, обработки, хранения передачи, фиксации и трансформации сигналов и полей в диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного излучения. В большей части практического использования фотоника ориентируется на видимый и ближний инфракрасный диапазон волн.

Готовые работы на аналогичную тему

Фотоном называют элементарную частицу квантового электромагнитного поля, имеющую нулевую массу покоя, а скорость равную скорости света.

Фотоника зародилась в недрах квантовой физики. Она основывается на результатах нанотехнологий. Для понимания принципов действия оптоэлектронных и оптических устройств, следует изучить квантовую механику.

Стадии развития фотоники

Области изучения фотоники

Основными проблемами, изучаемыми фотоникой являются:

физические основы и технологии соединений полупроводников,
наноматериалы, имеющие новые физические свойства,
лазеры и светодиоды,
свойства и технологии создания новых видов оптоволокон,
исследование фотонных кристаллов, их применение,
изучение материалов и устройств интегрально оптики,
вопросы нелинейной оптики,
изучение и создание новых конструкций оптоэлектронных и электрооптических устройств,
вопросы, относящиеся к высокоскоростным устройствам обработки оптических сигналов,
вопрос интеграции фотонных и электронных устройств.

Фотоника постоянно развивается, появляются новые направления исследований, технологические направления, перспективы использования. Старт быстрому прогрессу дало внедрение оптоволоконных систем связи, которые стимулировали технологию создания полупроводниковых лазеров, оптических усилителей и модуляторов, приемников излучения и коммуникационных устройств.

Позднее возникают оптические средства обработки и хранения информации, принципиально новые детекторы физических параметров, методы измерений и другое.

В настоящее время фотонные устройства используют для отображения информации и сигнализации, для трансформации излучения света в электроэнергию.

Проблемы, рассматриваемые фотоникой

В область проблематики фотоники входит такой вопрос как исследование озоновых дыр.

Изучение процессов фотоионизации веществ.

Фотоника занимается теми же задачами, что и классическая электроника, но инструментом выступает поток фотонов, а не электронов. Поле фотонов применяют для хранения и преобразования, обработки и воспроизведения информации. Часто используют лазерное излучение, как поток когерентных фотонов.

Фотонные кристаллы

Фотонными кристаллами называют вещества, структуре которых свойственна периодическое изменение коэффициента преломления в пространстве, которое влияет на перемещение фотонов.

Чаще всего период фотонных кристаллов равен около одной второй длины волны света (от нескольких десятков до сотен нанометров).

Иногда фотонными кристаллами называют вещества, в которых диэлектрическая проницаемость изменяется в пространстве с периодом, который допускает дифракцию света Брэгга.

Имея периодическое изменение коэффициента преломления, фотонные кристаллы дают возможность получать допустимые и недопустимые энергетические зоны для фотонов.

При попадании на фотонный кристалл фотона, имеющего энергию, которая отвечает запрещенной зоне рассматриваемого кристалла, этот фотон не сможет распространяться в кристалле, происходит отражение этого фотона. При попадании на фотонный кристалл фотона, имеющего энергию, соответствующую разрешенной зоне кристалла, то этот фотон может распространяться в этом кристалле. Так, фотонный кристалл становится оптическим фильтром. В природе фотонные кристаллы встречаются на крыльях африканских бабочек.

Фотонные кристаллы делят в зависимости от характера изменения коэффициента преломления:

Свет — это самая быстрая материя по Вселенной. Если мы научимся управлять им — передавать и хранить информацию, совершать вычисления — мы достигнем максимально возможных скоростей. Фотоны — это частицы света, его кванты.

Фотонные технологии используются для производства 35% всей продукции в мире. Лазер может резать и обрабатывать материалы, измерять длину предметов и анализировать уровень сахара в крови. Благодаря оптоволокну у нас есть интернет. На беспилотные автомобили ставят лидары, а в сельском хозяйстве применяют лазерные сепараторы зерна.

🕰️ История

🔶 В середине XX века передача данных с помощью электронов по электрическим кабелям достигла предела. Ситуацию спасли волоконно-оптические системы. Это привело к революции в области информационных технологий.

🔶 До 2001 года фотоника была сконцентрирована на телекоммуникациях, а после — к ней стали относить лазерное производство, биологические и химические исследования, изменение климата и экологический мониторинг, медицинскую диагностику, технологию проекции и так далее.

⚙️ Применение

🔹 Передача данных. Электрический сигнал преобразуется в свет и отправляется по оптоволокну, а на другом конце — принимается и перекодируется обратно в электрический сигнал.

🔹 Промышленность. Лазеры используют для обработки материалов, для диагностики и технических измерений (вспомните лазерный уровень), сварки и прошивки отверстий, поверхностного упрочнения металла, гравировки.

🔹 Волоконно-оптический гироскоп. Первый беспилотный самолёт был построен на базе гироскопа, а смартфон меняет ориентацию экрана в зависимости от положения. В оптическом гироскопе лучи света запускают по оптоволокну, закрученному в катушку; один из лучей придёт раньше — и это позволят измерить изменения положения в 0,01 градуса.

🔹 Морская разведка месторождений. Для исследования морского рельефа и составления карты его плотности, поиска залежей углеводородов используют гидроакустику: посылается сигнал, и его характеру можно узнать об объектах. Здесь также можно использовать оптоволокно — световод станет микрофоном и сенсором.

🔹 Медицина. Фотонику используют для медицинской диагностики и терапии. Ещё одно направление — адресная доставка лекарственных препаратов в организм человека в специальных нанокапсулах.

🔹 Переход от электроники к фотонике. Микропроцессоры имеют огромное количество транзисторов. Они греются и соединены большим количеством проводов, что ограничивает тактовую частоту. Выход — использовать фотоны вместо электронов.

🔹 Сельское хозяйство. Лазерами обрабатывают зерновые культуры, с их помощью производят диагностику растений. Оптико-электронные приборы используют для контроля качества продукции.

🔹 Квантовые вычисления. Мы уже писали о квантовых компьютерах, которые перестают быть фантастикой. Intel, IBM, Google стараются использовать эту технологию. Подробнее про квантовые компьютеры читайте в одном из наших прошлых постов.

💰 Инвестиции

Рынок фотоники оценивался в 2019 году в $686 млрд, а к 2025 году он может перевалить за $1,08 триллиона.

🔵 Nu Quantum, разрабатывающий оборудование для квантовой криптографии и квантового моделирования, привлёк £2,1 млн в октябре этого года.

🔵 Sense Photonics, разработчик решений для беспилотных автомобилей, неделю назад привлёк $6 млн, всего инвестиции в него составили $33,7млн.

🔵 Ayar Labs получил $35 млн. Вместо электронной передачи данных в микропроцессорах он предлагает использовать свет – и это сможет усилить возможности компьютеров, в том числе в целях создания искусственного интеллекта.

Подписывайтесь на телеграм-канал Дока Брауна , чтобы первыми читать узнавать о знаковых новостях венчурного рынка и новых технологиях.

Читайте также: