Свет знаний

Перспективы развития фотонных технологий

Фотоника — одно из направлений деятельности Росатома, который обладает научно-техническими заделами по использованию фотонных технологий в суперЭВМ нового поколения и программного обеспечения их функционирования; фотонной компонентной базы; новых оптических материалов, современных лазеров. Для решения задач по этим направлениям создана кооперация организаций: институтов РАН, ведущих вузов, предприятий госкорпораций «Росатом» и «Ростех», частных промышленных партнеров. В ходе недавнего визита в саровский ядерный центр председатель правительства РФ Михаил Мишустин провел совещание по вопросам технологического суверенитета России в области фотоники. Он подчеркнул перспективность рынка фотоники и поставил задачу обеспечить место России в десятке лидеров в этой отрасли. Что изучает фотоника и где используются фотонные технологии, рассказывает Ростислав Стариков, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией фотоники и оптической обработки информации, профессор кафедры лазерной физики НИЯУ «МИФИ».

Теория и практика

Свет (как и электромагнитное излучение других диапазонов) необходимо рассматривать одновременно и как электромагнитную волну, и как поток элементарных частиц — фотонов. Фотоника — область науки и техники, занимающаяся вопросами генерации, преобразования и регистрации света с целью решения практических задач. Таким образом, фотоника является частью оптики, но при этом «смешивается» с другими отраслями знания и практики — исходя из практических потребностей и задач.

Например, в настоящее время широкое распространение получили цифровые фото- и видеокамеры (как отдельные устройства, в смартфонах и т. п.). На нынешний момент они обладают весьма совершенными характеристиками, что стало результатом развития именно фотонных технологий (благодаря совокупному прогрессу в разработке оптических изображающих систем, твердотельной оптоэлектроники и цифровой электроники). В качестве другого общепонятного примера можно привести современное развитие медицинских фотонных технологий (лазерная хирургия, формирование и обработка медицинских изображений для диагностики, диагностическое измерительное оборудование и т. п.).

Наконец, именно благодаря развитию фотонных технологий каждый из нас пользуется современными возможностями телекоммуникаций, обеспечиваемыми оптоволоконными линиями широкополосной цифровой связи, которые являются фотонными системами. В таких системах генерируемый свет, преобразованный посредством модуляции в сигнал, используется в качестве носителя информации, такой световой сигнал передается по оптоволокну и употребляется после обратного преобразования в электрический цифровой сигнал. Необходимо отметить, что современная пропускная способность, обеспечиваемая оптоволоконными линиями связи, физически не может быть достигнута с применением электрической или радиосвязи, что наглядно демонстрирует важность развития фотоники. Это, конечно, примеры, понятные каждому, однако существует огромное количество других направлений фотоники, не менее важных. В частности, биофотоника исследует взаимодействие света и живой материи, ее результаты важны для биотехнологий, уже упомянутых медицинских технологий, сельского хозяйства и т. д.

Фотоника и ИТ

В настоящее время представляется, что наиболее активно и разнообразно развивающимися применениями фотоники являются информационные технологии. Помимо уже упомянутой и уже почти 40 лет массово используемой в телекоммуникациях цифровой оптоволоконной связи, стоит отметить развивающиеся возможности применения технологий фотоники при построении радиотехнических систем. Такое направление исследований и разработок известно как микроволновая фотоника (в РФ используется также термин «радиофотоника»). Такие радиосистемы потенциально могут осуществить точную радиолокацию очень малых и очень быстро перемещающихся объектов на большом диапазоне расстояний либо обеспечить необходимое противодействие такой локации.

Наконец, по-видимому, в ряде случаев средства фотоники могут быть использованы не только при передаче, но и при обработке информации, то есть при выполнении вычислений того или иного рода. Оптическая обработка информации как направление исследований развивается с середины прошлого века, но только новейший прогресс фотонных элементов — лазерных источников света, различных оптических элементов (в том числе миниатюрных), фотодетекторов — в совокупности с прогрессом микроэлектроники позволяет, наконец, вплотную приблизиться к практическому использованию оптических методов обработки информации в реальных системах, в том числе, например, при реализации методов, подобных ИИ.

Отмеченные достоинства фотоники с точки зрения информационных систем объясняются тем, что свет — это очень быстрые колебания (10¹⁴ Гц и выше, что примерно на пять порядков превышает, например, частоту радиоволн, используемых в сотовой связи). Это, в свою очередь, означает, что с помощью света можно формировать очень быстрые сигналы и, соответственно, очень быстро передавать информацию. Более того, для формирования, передачи и обработки одного условного бита светового сигнала необходимо затратить меньше энергии, чем при формировании, передаче и обработке такого же условного бита электрического сигнала, то есть «фотонные сигналы», по-видимому, принципиально энергетически эффективнее «чисто электрических». И, наконец, лазерные источники света могут обладать очень высокой временной стабильностью характеристик, что позволяет обеспечить высокую точность представления информации в фотонных системах.

Темпы роста

Фотоника очень быстро развивается. Несколько упрощая, рекордные достижения 10-летней давности сегодня — в серийных продуктах, 5-летней — в рутинных исследованиях.

К примеру, возвращаясь к информационным применениям, чтобы понять темпы роста, достаточно сравнить скорость коммерческой цифровой связи 20 лет назад и сегодня. В настоящее время информационные фотонные системы эволюционируют в направлении миниатюризации и усложнения функционала. Следует особо отметить быстрое развитие интегральной фотоники, в настоящее время это в большей степени еще область научных исследований, но имеются примеры массовых коммерческих продуктов у мировых лидеров производства телекоммуникационной аппаратуры.

Если же говорить о цифрах, в перспективе речь идет о скоростях передачи цифровых данных на уровне терабит (10¹²) в секунду для длинных линий, о максимальных скоростях передачи данных на уровне петабит (10¹⁵) в секунду, о передаче высокоинформативных радиосигналов в полосе свыше 100 ГГц, о пропускных способностях при обработке информации на уровне многих десятков гигабит в секунду.

Фотоника в России

Если говорить о совокупности прогресса в научных исследованиях, в создании и производстве элементной базы и в разработке практичных устройств и систем, то в России ситуация такова. С точки зрения научных основ, фотоника требует развития оптики, СВЧ-электроники, микроэлектроники, специфической схемо- и системотехники, материаловедения и ряда смежных областей. В Российской Федерации имеется некоторое, достаточно значительное, количество научных групп, работающих в указанных направлениях, ряд групп работают на мировом уровне. Говорить о полном покрытии проблематики исследований возможности не имеется. С точки зрения создания элементной базы (источники света, оптические элементы, детекторы излучения) имеет место отставание от мирового уровня, но менее критичное по сравнению с микроэлектроникой, несколько худшая ситуация с точки зрения разработки систем, она обусловлена недостаточным развитием производств.

Исследования и разработки по разным направлениям фотоники ведутся, к примеру (список весьма неполон, конечно), в следующих организациях (или на их базе, или в их коллаборациях): в институтах РАН (ФИАН, ИОФАН, ИАПУ, ФТИ и др.), в вузах (МГУ, МФТИ, Сколтех, УлГТУ, ТУСУР, НГУ, ПНИПУ, МГПИ, СПбГУ, ЛЭТИ, ИТМО, МИФИ и др.), на крупных предприятиях (ПНППК, Т8, НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха, НТО «ИРЭ-Полюс» и ряд других).