Школа "Наука и инновации - 2007", Кленовая гора

1

Фотоника и инновации

Анатолий Петрович Сухоруков

МГУ им. М.В. Ломоносова

Школа "Наука и инновации - 2007", Кленовая гора

2

Оптический спектр и элементы фотоники

Фотонный кристалл из пористого кремния

Дифракционная решетка

Школа "Наука и инновации - 2007", Кленовая гора

3

Что такое Фотоника?• Свет – единственное физическое явление, которое

позволяет охватывает всю историю физики; свет находится в центре важнейших дискуссий.

• Оптики и фотоника – область, которая в наши дни возбуждает живой интерес к новым приложениям, большинство из которых рождается из оптоэлектроники.

• Действительно, современные оптические технологии и научные исследования стремятся заменить электронные компоненты оптическими компонентами, предлагая длинный ряд революционных подходов. Они могли бы обеспечить существенно большую память и значительно увеличить скорость обработки данных. Как пример, недавнее приложение в фотонике эффектов магнитооптики, давно известной в науке.

Школа "Наука и инновации - 2007", Кленовая гора

5

Что такое Фотоника?• Фотоника включает пассивные оптические компоненты,

оптоэлектронику, лазеры, спектроскопию. • Использование фотонов вместо электронов, как носителей

информации, открывает переход к более быстрой и более эффективной передачи данных.

• Фотонные кристаллы являются одним из подклассов фотонных структур, которые относятся к инновационной области в нанонауках и нанотехнологиях.

• Фотонные кристаллы обладают фотонными щелями – областями длин волн, для которых запрещено распространение света. Эти щели аналогичны п/п щелям для электронов.

• Возможность создания метаматериалов обеспечивает эффективный метод конструирования фотонных щелей для управления светом. Например, свет можно повернуть на угол 90 градусов, свет может быть локализован и удержан в определенных областях, свет может отражаться от поверхностей с фотонными щелями, в принципе, под любым углом.

• Общие приложения включают оптические переключатели, фильтры, волноводы, суперпризмы, лазеры, биосенсоры.

Школа "Наука и инновации - 2007", Кленовая гора

6

Что такое Индустрия фотоники? • Электронная индустрия служит основой большинства наших

сегодняшних технологий, но электроника достигла почти предела скорости. Поэтому необходимы системы основанные на фотонике будущего.

• Фотоника включает высокие технологии: оптическую связь (например, волоконную оптику, лазеры, инфракрасные каналы), оптические изображения (спутники-шпионы, погодные спутники, ночное видение, голография, домашние экраны, видеокамеры), хранение оптической информации, оптические вычисления, оптические детекторы (супермаркеты, медицинская оптика, неразрушающий контроль материалов), лазеры (лазерная сварка, лазерная хирургия, лазерное шоу, лазерный дальномер), спектроскопия (химическое и биологическое детектирование, детекторы для анти-террора), квантовая оптика (кваантовая телепортация, квантовая криптография, одно-фотонная оптика).

Школа "Наука и инновации - 2007", Кленовая гора

7

Оптические технологии в нашей жизни

(1)   light-emitting diode (LED) displays(2)   energy saving compact fluorescent lamps(3)   infrared remote controls(4)   optical fibers for distributing cable television(5)   satellite-based optical weather imaging(6)   liquid crystal displays (LCDs)(7)   temperature-moderating window coatings(8)   phototypesetting(9)   compact disks(10) laser fabric cutting(11) infrared non-contact “ear” thermometers(12) infrared automobile security systems; optical monitors for antilock brakes; LED, LCD, and optical fiber dashboard displays; LED taillights(13) optical-fiber sensors to monitor bridge integrity(14) solar power for emergency services(15) LED traffic lights(16) high-reflectivity surfaces for highway signs(17) laser traffic radar(18) optical fiber telephone cables(19) optical scanners and fax machines(20) photolithography for making computer chips

Школа "Наука и инновации - 2007", Кленовая гора

8

Оптические технологии в нашей жизни(21) optical data storage(22) laser printers(23) photocopiers(24) overhead projectors, slide projectors, laser pointers(25) infrared motion sensors for home security(26)  laser range-finders/surveying equipment(27)  laser surgery, optical tools for medical diagnosis(28)  laser welding/cutting, optical stereo-lithography for rapid three-dimensional prototyping(29)  microscopes, magnifying lenses(30)  binoculars, cameras, video cameras(31)  eyeglasses(32)  supermarket bar-code scanners(33)  credit card holograms to prevent    counterfeiting(34)  image recognition for produce quality  control(35)  optical inspection to ensure clean bottles(36)  optical inspection for labeling and packaging(37)  bar-code readers for inventory control(38)  video disks and videodisk players(39)  television displays

(40)  optical fiber networks .

Школа "Наука и инновации - 2007", Кленовая гора

9

История Фотоники до 1960Greek Antiquity, circa 400 B.C. AristophaneDescribes the reflection of the sun’s rays.384-332 B.C.. AristoteStates that vision happens when particles emitted from an object enter the eye.1604 KeplerStates that light is a flux extending to infinity, through straight lines called rays.Late 19th century James Maxwell Classic theory of light as electromagnetic energy travelling in transverse waves at a constant speed in a vacuum: the famous speed of light, i.e. 300,000 km per second.1921 EinsteinShows that light consists of photons, or quanta of light.Light energy is "granular". This "grain of energy" was dubbed "photon" in 1926. Quantum physics then associated a granular nature with electromagnetic waves. A new particle was born, an immaterial, weightless particle. 1953 Charles TownesDesigns the first MASER device (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation), which will lead to LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). 1957 Gordon GouldInvents the first gas laser.

Школа "Наука и инновации - 2007", Кленовая гора

10

История Фотоники после 1960

1960 Theodore MainmanDesigns the first laser.1961-62 Emmett Leith & Juris UpatnieksDesign a new process for the recording and reconstruction of a wavefront, which becomes known as holography.1970 Robert D. Maurer & group (Corning) Design and produce the first industrial fiber optics.1970 Leo Esaki (IBM)Invents the laser diode.1971 AgilentDevelops a laser interferometer capable of measuring to millionths of an inch, 1985 Southampton UniversityDoping of standard silica fibre with erbium, demonstrating optical amplification.1988 Deployment of TAT-9, first submarine system to use active switches to route trafficMultiplexers (UBM) and associated terminal equipment.1989 Emmanuel Desurvire & groupInvents a semiconductor pump laser amplifier.

Школа "Наука и инновации - 2007", Кленовая гора

11

Специализация в области Фотоники

Фурье оптика (голограммы, обработка изображений и линзы) Оптика кристаллов (двулучепреломление, электрооптика и акустооптика) Волноводная оптика (волоконная оптика и современные телекоммуникации)

Нелинейная оптика (трех- и четырехволновое смешение, пико- и фемтосекундные лазеры)Полупроводниковая оптика (п/п наноструктуры и детекторы) Статистическая оптика (квантовая статистика фотонов, спектроскопия, рассеяние света) Семинарские занятияПрактикумНаучные лаборатории

Школа "Наука и инновации - 2007", Кленовая гора

12

Интегральная фотонная цепь.Оптические импульсы, состоящие из фотонов, канализируются в различных наноразмерных устройствах.

Активные или пассивные, проводящие свет устройства - фотонные кристаллы с запрещенными зонами, светоделители, интерферометры, оптические линии задержки, резонаторы, оптические мультиплексоры – являются ключевыми элементами завтрашних поколений оптических процессоров, которые позволят увеличить скорости передачи информации.

Школа "Наука и инновации - 2007", Кленовая гора

13

Дискретные волноводы и решетки

Решетка (матрица) состоит из набора оптических волноводов. Этот тип устройств может работать как мультиплексор (делитель) или как демультиплексор (концентратор) оптических каналов.

Школа "Наука и инновации - 2007", Кленовая гора

14

Фотонный кристалл

Фотонный кристалл SiO2/Si3N4/SiO2/Si

Маска: Cr

Школа "Наука и инновации - 2007", Кленовая гора

15

Микрорезонатор и волновод

Волновод присоединенный к полимерному микро кольцевому

резонатору.

Школа "Наука и инновации - 2007", Кленовая гора

16

Трехмерная интегральная цепь из полимера

Этот 1X4 волноводный делитель расщепляет оптическое излучение на каналы. λ = 1310 nm