Курс лекций фотоника из. Что такое фотоника? Фотонные устройства обработки оптического сигнала

) — область науки и техники, которая занимается изучением фундаментальных и прикладных аспектов генерации, передачи, модуляции, усиления, обработки, детектирования и распознавания оптических сигналов и полей, а также применением указанных явлений при разработке и создании оптических, электрооптических и оптоэлектронных устройств различного назначения.

Описание

Термин фотоника относится к широкой научно-технической области, объединяющей лазерную физику, оптоэлектронику, электрооптику, волоконную и интегральную оптику, нелинейную оптику, оптическую связь, оптическую обработку сигналов и голографию.

Фотоника включает в себя исследование и разработку методов генерации, обработки, хранения, передачи, детектирования и преобразования оптических сигналов и полей в широком спектральном диапазоне - от ультрафиолетового излучения (10–380 нм) до дальнего инфракрасного диапазона (760 нм–1 мм). В большинстве практических применений фотоники используется видимый и ближний инфракрасный диапазон длин волн (0,4–1,6 мкм).

Центральными областями исследований фотоники являются:

• физика и технология соединений;
• и композитные с новыми физическими свойствами;
• физические свойства и технология получения новых типов ;
• , их физические свойства и применение;
• материалы и устройства интегральной оптики;
• нелинейная оптика и новые нелинейно-оптические материалы и устройства;
• оптоэлектронные и электрооптические устройства;
• высокоскоростные устройства обработки оптических сигналов;
• интеграция фотонных и электронных устройств.

Фотоника находится в постоянном развитии: возникают новые направления, технологии и материалы, открываются перспективные области применения. Начало этому процессу было положено созданием и быстрым внедрением волоконнооптических систем связи, стимулировавших прогресс в технологии производства полупроводниковых лазеров, оптических усилителей и модуляторов, приемников излучения и устройств коммутации. Затем начали появляться оптические средства обработки и хранения информации, качественно новые датчики физических величин, прецизионные методы измерений и многое другое. Сегодня фотонные устройства применяются также для отображения информации и сигнализации, для преобразования светового и теплового излучений в электрическую энергию и для других целей.

Авторы

• Разумовский Алексей Сергеевич
• Наний Олег Евгеньевич

Оптика – это одна из старейших и уважаемых наук, которая исследует создание, распространение и регистрацию света.

Современный этап развития оптики

В научном мире считают, что три основных открытия последних лет во многом обновили оптику как науку и способствовали усилению ее роли в развитии современных технологий:

1. изобретение лазера;
2. создание оптоволокна, которое имеет низкие потери;
3. конструирование полупроводниковых лазеров.

Эти изобретения дали жизнь новым научным дисциплинам, например:

• электрооптики;
• оптоэлектроники;
• квантовой электроники;
• квантовой оптики и другим.

Термин «электрооптика» используется для обозначения раздела науки, который рассматривает принципы действия, явления и конструктивные особенности оптических устройств, в которых самую значимую роль играют электрические эффекты. К данным оптическим устройствам можно отнести, например:

• лазеры;
• электрооптические модуляторы;
• переключатели.

Оптоэлектроника рассматривает устройства и системы, так или иначе связанные со светом, в которых существенна электронная природа. Примерами таких устройств являются:

• светодиоды;
• жидкокристаллические дисплеи;
• матричные фотоприемники.

Раздел квантовой электроники посвящен устройствам и структурам, основанием которых является взаимодействие световой волны с веществом. К устройствам квантовой электроники можно отнести лазеры и нелинейно – оптические устройства, которые применяют с целью усиления и смещения волн.

Квантовая оптика посвящена, в основном, квантовым и когерентным свойствам света.

Термин «оптические технологии» сейчас используют для описания приборов и систем, которые применяют в оптической связи и оптической обработке информации.

Фотоника как последовательница оптики

Термин фотоника служит отражением связи оптики и электроники. Данная связь усиливается растущей ролью в оптических системах использования полупроводниковых материалов и устройств.

В этой связи электроника исследует процессы управления потоками электрических зарядов в вакууме и веществе, при этом фотоника ответственна за управление фотонами в свободном пространстве или материальной среде. Предметные поля обоих научных разделов перекрываются, поскольку электроны способны управлять потоком фотонов, а фотоны могут управлять потоками электронов.

Название «фотоника» указывает на важность понимания корпускулярной природы света в описании принципов работы многих устройств в оптике.

Фотоника исследует следующие процессы и явления:

• Процессы генерации когерентного света при помощи лазеров и некогерентного света с помощью люминесцентных источников, например, светодиодами.
• Передачу света в свободном пространстве, сквозь «классические» элементы оптики (линзы, диафрагмы и изображающие системы) и волноводы (например, оптические волокна).
• Модуляцию, переключение и сканирование света при этом используются приборы управляемые при помощи электричества, акустически или оптически.
• Усиление и преобразование частоты световой волны при взаимодействии волны с нелинейными материалами.
• Детектирование света.

Результаты исследование фотоники находят применение в оптической связи, обработке сигналов, зондировании, отображении информации, печати и передаче энергии.

Четыре теории света, каждая из этих теория является более общей, чем предыдущая:

• лучевая оптика;
• волновая оптика;
• электромагнитная оптика;
• фотонная оптика.

1. Теорию взаимодействия с веществом.

   Теорию полупроводников и их оптические свойства.

Лучевая оптика в фотонике используется для описания систем получения изображений, пояснения, почему она ограничена при рассмотрении процессов в волноводах и резонаторах.

Скалярную волновую теорию фотоника использует в рассмотрении оптических пучков, она необходима для понимания процессов в лазерах, и Фурье-оптики и является полезной при описании когерентных оптических систем и голографии.

Электромагнитная теория света - это основа рассмотрения поляризации и дисперсии света, оптики направляемых волн, волокон и резонаторов.

Оптика фотонов описывает взаимодействие света и вещества. Она поясняет процессы генерации и регистрации света, смещение света в средах, являющимися нелинейными.

Замечание 1

Фотоника занимается вопросами конструирования и использования оптических, электрооптических и оптоэлетрических устройств.

Фотоника как наука

Замечание 2

Фотоникой называют науку, исследующую фундаментальные основы и применение оптических сигналов в качестве потоков фотонов, в разных устройствах и системах.

Можно определить фотонику как науку о создании, управлении и детектировании фотонов в видимой и инфракрасной части спектра, распространении их в ультрафиолетовой части, инфракрасной части с длинными волнами. В этих областях в настоящее время создают квантовые каскадные лазеры.

Историю фотоники как науки отсчитывают с 1960 года (тогда изобрели лазер). Фотоника сформировалась на базе многих наук (помимо оптики), например:

• физики твердого тела;
• материаловедения;
• информатики;
• физики полупроводников и т.д.

Замечание 3

Сам термин «фотоника» впервые возник в работе А.Н. Теренина «Фотоника молекул красителей». В 1970 году фотонику стали определять в качестве науки, которая рассматривает процессы и явления в которых носителями информации служат фотоны.

Научные интересы фотоники широки. Если в прошлом она рассматривала вопросы относящиеся, в основном, к телекоммуникациям, то сейчас в сферу ее интересов входят:

• лазеры;
• технологии в области полупроводников;
• исследование в области биологии и химии;
• экологические вопросы;
• нанообъекты;
• информатика и т.д.

Занимаясь созданием, управлением и регулированием оптических сигналов результаты исследований фотоники широко применяются: начиная с передачи информации при помощи оптоволокна до конструирования сенсорных устройств, модулирующих сигналы света, которые происходят при изменении параметров окружающей среды.

В Екатеринбурге прошла международная промышленная выставка «Иннопром-2015». В этом году пленарные сессии и заседания, международные конференции и экспертные панели охватывали широчайший круг тем и вопросов. Результатом этого общения стали десятки конкретных соглашений и крупных контрактов.

Будущее - за фотоникой. Одной из самых продуктивных была дискуссия на круглом столе «Фотоника - движущая сила инновационного развития промышленности», где обсуждались вопросы развития фотоники в России, перспективы ее применения в науке и промышленности. Партнерами мероприятия выступили лидеры отрасли: «Швабе», «Лазерный центр» и «Сколково». Термин «фотоника», образованный по аналогии со словом «электроника», возник не так давно, 5–7 лет назад. Россия занимает приоритетное место в мире по фотонике. У истоков этого направления стояли выдающиеся ученые нашей страны: академики Николай Басов, Александр Прохоров, Николай Вавилов. Лидирующее положение на рынке фотоники занимает сейчас школа Валентина Павловича Гапонцева. Компания IPG Photonics, которую он возглавляет, выпускает 40 процентов волоконных лазеров в мире.

«В России мы имеем сотни предприятий и организаций, кто занимается фотоникой. Они проводят научные исследования и публикуют научные статьи, выпускают продукцию, которую можно заказать и купить, готовят профильные кадры, - рассказывает президент Лазерной ассоциации России Иван Ковш. - Сюда входят академические и отраслевые институты, университеты, предприятия, КБ, но вообще наша область - это малые предприятия. Около 350 малых предприятий производят 70 процентов всей гражданской фотоники в России, примерно две тысячи моделей - это оптические элементы, какие-то источники излучения и другие виды продукции».

Одной из существенных задач для отрасли является не только создание, но и продвижение технологии в практику, и очень мощный инструмент для этого - региональные отраслевые центры компетенции. Сейчас они используются во всем мире, и у нас в стране тоже есть такой опыт. Например, пять российско-германских центров были созданы в России в течение последних десяти лет в рамках российско-германского соглашения о научно-техническом сотрудничестве в области лазеров и оптических технологий. Немцами было поставлено новейшее оборудование, центры работают в пяти городах, они небольшие, по 5–8 человек. За десять лет через них прошло 1,5 тысячи предприятий. И каждое третье из них стало сегодня пользователем лазерных технологий в обработке материалов.

Каковы сегодня основные тенденции мирового рынка? Главная - быстрое наращивание числа технологий и методик фотоники, которые имеют чисто экономическое применение. Увеличение объемов производства продукции фотоники в тех областях, где она уже активно применяется, что связано как с развитием технологий, так и с развитием новых материалов и оборудования. Основные направления развития сегодня - производственные технологии, поскольку передовые страны стали на путь реиндустриализации и активно требуют новых технологий. О том, как лазерные фотонные технологии влияют на инновации, можно судить на таком примере. Сегодня в микроэлектронике важнейшей проблемой является уменьшение элемента - чипа. Лучший пока размер 20 нанометров. Сделать это без фотоники невозможно. В этом процессе используется литография, коротковолновая или ионная. Так вот, 1 миллион долларов, затраченных на литографию, позволяет выпустить на 100 миллионов долларов чипов. Эти чипы, которые иначе как лазерами не сделаешь, можно пустить на 1,5 миллиарда долларов уже конечной продукции: компьютеры, цифровые камеры, телефоны и так далее. Вот перспективы использования фотоники: вложил 1 миллион долларов - на выходе получил 1,5 миллиарда!

Или, скажем, такая животрепещущая тема, как «фотоника и медицина». Сегодня население планеты стремительно стареет, возникает множество новых заболеваний. Проблемы здравоохранения выходят на первый план. Например, США тратят на общественное здравоохранение 1 триллион 800 миллиардов долларов в год, Германия - 225 миллиардов евро. Это огромные цифры. По данным японских экспертов, только одно внедрение технологий фотоники в диагностику и лечение сокращает расходы на здравоохранение на 20 процентов. Это примерно 400 миллиардов долларов в год.

Другой аспект - светотехника, точнее, освещение с помощью светодиодов. 15 процентов мирового производства электроэнергии тратится сегодня на освещение. Эта цифра, вероятно, удвоится в ближайшие 20 лет в связи с быстрой урбанизацией Азии, что несет внушительные расходы и загрязнение природы, потому что отходы при выработке энергии огромные. Единственный выход - использование светодиодов, имеющих высокий КПД. Это позволит уменьшить расход электроэнергии в два раза. Как известно, создатели светодиода были отмечены Нобелевской премией.

Интересно, что за последние годы наблюдается резкое увеличение роли Китая в развитии фотоники. Он сделал это направление одним из приоритетов государственной политики в области науки и техники. Китай развивает фотонику с темпом 25 процентов в год, за 15 лет создано 5000 предприятий в этой отрасли. И сегодня китайцы производят фотоники больше, чем весь Евросоюз. США, Китай и Евросоюз очень активно используют государственное влияние на развитие фотоники.

Полную версию статьи читайте в новом номере журнала "Редкие земли".

I. Определение радиофотонники

По­след­ние де­ся­ти­ле­тия в сфе­ре сверх­ши­ро­ко­по­лос­ных си­стем пе­ре­дач мы на­блю­да­ем про­цесс за­ме­ще­ния «элек­трон­ных» си­стем на «фо­тон­ные». Свя­за­но это в первую оче­редь, с иной фи­зи­че­ской при­ро­дой фо­то­на. От­сут­ствие за­ря­да и мас­сы на­де­ля­ет его свой­ства­ми не­воз­мож­ны­ми для элек­тро­на. В ре­зуль­та­те, фо­тон­ные си­сте­мы (в срав­не­нии с "элек­трон­ны­ми") не под­вер­же­ны внеш­ним элек­тро­маг­нит­ным по­лям, об­ла­да­ют го­раз­до боль­шей даль­но­стью пе­ре­да­чи и ши­ри­ной по­ло­сы про­пус­ка­ния сиг­на­ла.

Эти, и мно­гие дру­гие пре­иму­ще­ства уже ре­а­ли­зо­ван­ные на ба­зе фо­то­ни­ки в сфе­ре те­ле­ком­му­ни­ка­ций, да­ют пра­во го­во­рит о воз­ник­но­ве­нии но­во­го на­прав­ле­ния – ра­дио­фо­то­ни­ке, воз­ник­шей из сли­я­ния ра­дио­элек­тро­ни­ки, ин­те­граль­ной и вол­но­вой оп­ти­ки, СВЧ опто­элек­тро­ни­ки и ря­да дру­гих от­рас­лей на­у­ки и про­мыш­лен­но­го про­из­вод­ства.

Дру­ги­ми сло­ва­ми, под ра­дио­фо­то­ни­кой (microwave photonics) мы бу­дем по­ни­мать, объ­еди­ня­ю­щий об­шир­ный ком­плекс об­ла­стей на­у­ки и тех­ни­ки, свя­зан­ных глав­ным об­ра­зом с про­бле­ма­ми пе­ре­да­чи, при­ё­ма и пре­об­ра­зо­ва­ния сиг­на­ла с по­мо­щью элек­тро­маг­нит­ных волн СВЧ диа­па­зо­на и фо­тон­ных при­бо­ров и си­стем.

II. Радиофотоника - это просто!

2. .
3. Скачать архив с презентацией и стенограммой доклада .

III. Основы радиофотоники

1. Новое направление фотоники - сверхвысокочастотная оптоэлектроника. М.Е. Белкин, А.С. Сигов. // Радиотехника и электроника, том 54, №8, с.901-914. 2009 г. // .
2. Основы микроволновой фотоники. Винсент Джю Урик-мл., Джейсон Д. МакКинни, Кейт Дж. Вильямс. // Москва. Техносфера. 2016 г. // .

IV. Фотонные и радиофотонные компоненты, устройства и системы

Лазеры

1. Принципы лазеров. 4-е изд. О. Звелто. // СПб. Лань. 2008 г. // .

Оптоэлектронные генераторы

1. Оптоэлектронный генератор - первое устройство СВЧ-оптоэлектроники. М.Е. Белкин, А.В. Лопарев. // Электроника: Наука, технология, бизнес №6. 2010 г. // .
2. Перестраиваемый спин-волновой оптоэлектронной сверхвысокочастотной генератор. А.Б. Устинов, А.А. Никитин, Б.А. Калиникос. // Всероссийская конференция «Электроника и микроэлектроника СВЧ». 2015 г. // .

Электрооптические модуляторы

1. Электрооптические материалы на основе тонких пленок молекулярных кристаллов - преимущества и перспективы использования. И.Ю. Денисюк, Ю.Э. Бурункова, Т.В. Смирнова. // Оптический журнал, т. 74, с. 63-69. 2007 г. // .
2. Низковольтовый электрооптический модулятор на базе молекулярных тонкопленочных кристаллов DAST. И.Ю. Денисюк, Ю.Э. Бурункова. // CriMiCo. 2007 г. // .
3. Интегральные электро-оптические модуляторы Маха-Цандера и другая пассивная компонентная база радифотоники. А.А. Белоусов, Ю.Н. Вольхин, А.В. Гамиловская, А.А. Дубровская, Т.В. Смирнова. // Российская научно-практическая конференция «Разработка и производство отечественной электронной компонентной базы» («Компонент–2014»). 2014 г. // Скачать архив с презентацией и стенограммой доклада .
4. Электрооптический модулятор по схеме интерферометра Маха-Цандера. В.М. Афанасьев. // Прикладная фотоника. Т3. №4. 2016 г. // .

Радиофотонные АЦП и аналоговые процессоры

1. Analog-to-Digital Converter Survey and Analysis. Robert H. Walden. // IEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS, VOL. 17, NO. 4, APRIL. 1999 г. // .
2. Перспективы реализации АЦП с использованием методов микроволновой фотоники. Ю.Н. Вольхин.// Научный семинар «Современные проблемы радиофизики и радиотехники» 29.01.2011. 2015 г. // Скачать архив с презентацией и стенограммой доклада .
3. Обзор возможных способов реализации радиофотонных АЦП. Е.В. Тихонов, Ю.Н. Вольхин.// V общероссийская научно-техническая конференция «Обмен опытом в области создания сверхширокополосных радиоэлектронных систем» (СВЧ-2014). 2014 г. // .
4. Обзор и исследование возможных вариантов реализация сверхширокополосных аналоговых процессоров диапазона СВЧ с использованием методов и средств радиофотоники. А.В. Гамиловская, А.А. Белоусов, Е.В. Тихонов, А.А. Дубровская, Ю.Н. Вольхин.// Электронная техника. Серия 2: Полупроводниковые приборы. №5 (239). С. 4-11. 2015 г. // .

Радиолокация. АФАР

1. К реализации технологий радиофотоники в АФАР радиолокационных комплексов. М.Б. Митяшев. // Вестник СибГУТИ. № 2. 2015 г. // .
2. Концепция построения радиолокационной станции на основе элементов радиофотоники. А.В. Шумов, С.И. Нефедов, А.Р. Бикметов. // Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. № 05. С. 41–65. 2016 г. // .
3. О перспективах использования методов и средств микроволновой фотоники в сверхширокополосной радиолокации и сверхширокополосной радиосвязи. Ю.Н. Вольхин, А.М. Мандрик, Ю.И. Носов. // Научный семинар «Современные проблемы радиофизики и радиотехники». 27.11.2010 г. // Скачать архив с презентацией и стенограммой доклада .

Радиофотонные тракты и аналоговые ВОЛС СВЧ

1. Аналоговые ВОЛС СВЧ с положительными коэффициентами передачи. Ю.Н. Вольхин, Т.А. Гомзикова. // IV общероссийская научно-техническая конференция «Обмен опытом в области создания сверхширокополосных радиоэлектронных систем» (СВЧ-2012). 2012 г. // Скачать архив с презентацией и стенограммой доклада .
2. О возможности реализации сверхширокополосных аналоговых радиофотонных трактов диапазона СВЧ с положительными коэффициентами передачи. Ю.Н. Вольхин, А.В. Гамиловская. // XVIII координационный научно-технический семинар по СВЧ технике: материалы. Нижегородская область, п. Хахалы. 2013 г. // .
3. Аналоговые ВОЛС СВЧ с положительными коэффициентами передачи. Ю.Н. Вольхин, А.В. Гамиловская. // XXXX Научный семинар «Современные проблемы радиофизики и радиотехники» 27.04.2013 г. // Скачать архив с презентацией и стенограммой доклада .
4. Сверхширокополосный многофункциональный радиофотонный приёмный тракт для аналоговой обработки сигналов дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн. А.А. Белоусов, Ю.Н. Вольхин, А.В. Гамиловская, А.А. Дубровская, Е.В. Тихоно. // Всероссийская конференция «Электроника и микроэлектроника СВЧ» 2015 г. // .
5. Радиофотонный приемный канал СВЧ диапазона с оптическим гетеродинированием. С.Ф. Боев, В.В. Валуев, В.В. Кулагин, В.А. Черепенин. // Журнал Радиоэлектроники №2, 2015 г. // .

Волоконные решётки

1. Волоконные решетки показателя преломления и их применение. С.А. Васильев, О.И. Медведков, А.С. Божков. // Квантовая электроника, 35, №12. 2005 г. // .

Линии задержки

1. Волоконно-оптические линии задержки. В.А. Кузнецов, В.Н. Цуканов, М.Я. Яковлев. // ??????????. ???? г. // .

Оптические волноводы

1. Планарные и волоконные оптические волноводы. Х-Г Унгер. // Москва. МИР. 1980 г. // .
2. Специальные волоконные световоды. Учебное пособие. Д.Б. Шумкова. // Пермь. ПНИПУ. 2011 г. // .
3. Теория оптических волноводов. А. Снайдер, Дж. Лав. // Москва. Радио и связь. 1987 г. // .
4. Введение в теорию оптических волноводов. М. Адамс. // Москва. МИР. 1984 г. // .
5. Волноводная фотоника. Учебное пособие. Н.В. Никоноров, С.М. Шандаров. // Санкт-Петербург. ИТМО. 2008 г. // .
6. Волноводные линии передачи. И.Е. Ефимов, Г.А. Шермина. // Москва. Связь. 1979 г. // .
7. Оптические солитоны. От световодов к фотонным кристаллам. Ю.С. Кившарь, Г.П. Агравал. // Москва. ФизМатЛит. 2005 г. // .

V. Моделирование и расчет параметров фотонных и радиофотонных систем.

Моделирование. Численные методы. САПР.

1. Вычислительная фотоника. Е.Д. Ка. // ??????????, ???? г. // .
2. Численное моделирование электрооптического модулятора на основе микрорезанотора Фабри-Перо для СВЧ-оптического приемника. А.К. Агаронян, О.В. Багдасарян, Т.М. Князян. // Изв. НАН РА и ГИУА. Сер. ТН., т. LXIV, №3. 2011 г. // .

VI. Измерение параметров фотонных и радиофотонных систем

Измерения. Метрология

1. Методы измерений в волоконной оптике. Учебное пособие. А.И. Цаплин, М.Е. Лихачев. // Пермь. ПНИПУ. 2011 г. // .
2. Рефлектометрия оптических волокон. А.В. Листвин, В.Н. Листвин. // Москва. ЛЕСАРарт. 2005 г. // .

VII. Основы фотоники, оптоэлектроники, волоконной и интегральной оптики, волоконной техники, цифровых волоконно-оптических линий связи и передачи (ВОЛС, ВОЛП)

Фотоника и нанофотоника

1. Нанофотоника и её применение. Д.Ф. Зайцев. // Москва. Актеон. 2011 г. // .
2. Elements of photonics. Volume I. In Free Space and Special Media. Keigo Iizuka. // John Wiley & Sons, Inc. 2002 г. // .
3. Fundamentals of photonics. Bahaa E.A. Saleh, Malvin carl Teichh. // John Wiley & Sons, Inc. 1991 г. // .

Оптоэлектроника

1. Оптоэлектроника. Е.Д. Карих. // Минск. БГУ. 2002 г. // .
2. Оптоэлектроника в вопросах и ответах. С. Гонда, Д. Сэко. // Ленинград. Энергоатомиздат. 1989 г. // .

Волоконная и интегральная оптика

1. Волоконная оптика: сорок лет спустя. Е.М. Дианов. // Квантовая электроника, 40, №1. 2010 г. // .
2. An introduction to fiber optic system. second editon. John Powers. // Mc-Graw - Hill. 1996 г. // .
3. Нелинейная волоконная оптика. Г. Агравал. // Москва. МИР. 1996 г. // .
4. Техническое руководство по волоконной оптике. 2-е издание. Дональд Дж. Стерлинг. 1998 г. // Москва. Лори. 1998 г. // .
5. Материалы и технологии интегральной и волоконной оптики. Учебное пособие. А.И. Игнатьев, С.С. Киселев, Н.В. Никаноров, А.И. Сидоров, А.С. Рохман. //
6. Материалы и технологии интегральной оптики. Учебное пособие. Н.В. Никаноров, А.И. Сидоров. // Санкт-Петербург. ИТМО. 2009 г. // .
7. Оптика и Лазеры, включая волоконную оптику и оптические волноводы. Матт Янг. // Москва. МИР. 2005 г. // .

Волоконная техника и цифровые волоконно-оптические линии связи и передачи (ВОЛС, ВОЛП)

1. Волоконно-оптическая техника: современное состояние и перспективы. 2-е издание. Под ред. С.А. Дмитриева, Н.Н. Слепова. // Москва. Волоконно-оптическая техника. 2005 г. // .
2. Волоконно-оптическая техника. Практическое руководство. В.Н. Цуканов, М.Я. Яковлев. // Москва. Инфра-инженерия. 2014 г. // .

VIII. Основы электроники и полупроводниковой схемотехники

1. Карманный справочник по электронике. М. Тули. // Москва. Энергоатомиздат. 1993 г. // .
2. Искусство схемотехники. 4-е изд. П. Хоровиц, У. Хилл. // Москва. МИР. 1993 г. // .
3. Полупроводниковая схематехника. 12-е изд. У. Титце, К. Шенк. // Москва. ДМК. 2008 г. // .

Министерство связи РФ
Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Поволжский государственный университет телекоммуни-
каций и информатики»	Глущенко А.Г., Жуков С.В.
_________________________________	Основы фотоники. Конспект лекций. – Самара.: ГОУВПО
	ПГУТИ, 2009. – 100 с.
Кафедра физики
	(Аннотация дисциплины).
А.Г. Глущенко, С.В. Жуков
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
ПО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ	Рецензент:
	Петров П.П. – к.т.н., доцент, доцент кафедры « ………..
ОСНОВЫ ФОТОНИКИ	» ГОУВПО ПГУТИ
По направлению подготовки: Фотоника и оптоинформатика ()

Самара – 2009

	Наименование
	раздела дисципли-
	источники сплошного	тепловые источники, газо-
	и линейчатого спек-	разрядные лампы, светоди-
		оды, лазерная искра;
		основные типы лазеров
		(твердотельные, газовые,
		ионные, полупроводнико-
		вые, непрерывные и им-
	источники коге-	пульсные, с перестройкой
	рентного излуче-	частоты излучения и дли-
		тельности импульсов), ге-
		нераторы гармоник, ВКР и
		ВРМБ преобразователи,
		генераторы спектрального
		суперконтинуума;
		фотокатоды и ФЭУ, полу-
	приемники излуче-	проводниковые приемники,
		светочувствительные мат-
		рицы, микроболометры;
		электрооптические и аку-
		стооптические световые
	устройства управ-	затворы, жидко-
	ления характери-	кристаллические и полу-
	стиками когерент-	проводниковые транспа-
	ных пучков:	ранты, устройства на осно-
		ве фоторефрактивных сред,
		изоляторы Фарадея;
		электронно-лучевые и,
		жидкокристаллические
	устройства отобра-	дисплеи, лазерные проек-
	жения информации:	ционные системы, голо-
		графические дисплеи, си-
		стемы формирования объ-

	Наименование
	раздела дисципли-
		емного изображения;
		принципы создания микро-
		электромеханических
	микроэлектромеха-	устройств и фотолитогра-
		фия, оптические микро-
	нические устрой-	электромеханические эле-
		менты, применение микро-
		электромеханических
		устройств;
		компоненты волоконно-
	устройства управ-	оптических линий, модуля-
		торы, мультиплексоры и
	ления светом в оп-
		демультиплексоры, изоля-
	тических воло-	торы, соединители, развет-
	конных световодах:
		вители, фокусирующие
		элементы;
		планарные диэлектриче-
	устройства управ-	ские волноводы, нелиней-
		ные преобразователи излу-
	ления светом в ин-	чения, канальные волново-
	тегральной оптике:	ды, элементы ввода-вывода
		излучения;
		оптические цепи, опти-
	устройства управ-	ческий транзистор, микро-
	ления светом на	чип, оптические ограни-
	основе фотонных	чители, фотонно-
	кристаллов:	кристаллические волокна

Введение

Фотоника - наука, изучающая разные формы излучения, которые создаются частицами света, то есть фотонами.

Определения термина

Интересно, что общепринятого определения термина «Фотоника» не существует.

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 обобщённым 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 оптикомикроволнового 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, приёма, 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 - преломляющая 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 телекоммуникациях. 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, приёма, 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 3-5 порядков выше существующих электронных аналогов;

фотонные кристаллы - новые искусственные кристаллы, имеющие гигантскую дисперсию и рекордно низкие оптические потери (0.001 дБ/км).

Лекция 1 Тема 1. История возникновения фотоники. Пробле-

мы электронных ЭВМ.

Раздел 1.1. История возникновения фотоники.

Использование света для передачи информации имеет давнюю историю. Моряки применяли сигнальные лампы для передачи информации с помощью кода Морзе, а маяки в течение многих веков предупреждали мореплавателей об опасностях.

Клауд Чапп в девяностых годах XVIII века построил оптический телеграф во Франции. Сигнальщики располагались на вышках, расположенных от Парижа до Лилля по цепочке длиной 230 км. Сообщения передавалось из одного конца в другой за 15 минут. В Соединенных Штатах оптический телеграф соединял Бостон с островом Марта Вайнярд, расположенным недалеко от этого города. Все эти системы со временем были заменены электрическими телеграфами.

Английский физик Джон Тиндалл в 1870 году продемонстрировал возможность управления светом на основе внутренних отражений. На собрании Королевского общества было показано, что свет, распространяющийся в струе очищенной воды, может огибать любой угол. В эксперименте вода протекала над горизонтальным дном одного желоба и падала по параболической траектории в другой желоб. Свет попадал в струю воды через прозрачное окно на дне первого желоба. Когда Тиндалл направлял свет по касательной к струе, аудитория могла наблюдать зигзагообразное распространение света внутри изогнутой части струи. Аналогичное зигзагообразное распростра-

нение света происходит и в оптическом волокне.

Десятилетием позднее Александр Грэхем Белл запатентовал фотофон (рис.), в котором направленный

помощью системы линз и зеркал свет направлялся на плоское зеркало, закрепленное на рупоре. Под воздействием звука зеркало колебалось, что приводило к модуляции отраженного света. В приемном устройстве использовался детектор на основе селена, электрическое сопротивление которого меняется в зависимости от интенсивности падающего света. Модулированный голосом солнечный свет, падающий на образец селена, изменял силу тока, протекающего через контур приемного устройства, и воспроизводил голос. Данное устройство позволяло передавать речевой сигнал на расстояние более 200 м.

В начале XX века были проведены теоретические и экспериментальные исследования диэлектрических волноводов, в том числе гибких стеклянных стержней.

В 50-е годы волокна, предназначенные для передачи изображения, были разработаны Брайеном О"Бриеном, работавшим в Американской оптической компании, и Нариндером Капани с коллегами в Императорском научно-технологическом колледже в Лондоне. Эти волокна нашли применение в световодах, используемых в медицине для визуального наблюдения внутренних органов человека. Доктор Капани был первым, кто разработал стеклянные волокна в стеклянной оболочке и ввел термин "волоконная оптика" (1956 г.). В 1973 году доктор Капани основал компанию Kaptron, специализирующуюся в области волоконно-оптических разветвителей и коммутаторов.

В 1957 году Гордон Голд, выпускник Колумбийского университета, сформулировал принципы работы лазера как интенсивного источника света. Теоретические работы Чарльза Таунса совместно с Артуром Шавловым в Bell Laboratories способствовали популяризации идеи лазера в научных кругах и вызвали бурный всплеск экспериментальных исследований, направленных на создание работающего лазера. В 1960 году Теодор Мэймен в Hughes Laboratories создал первый в мире рубиновый лазер. В этом же году Таунс продемонстрировал работу гелий-неонового лазера. В 1962 году лазерная генерация была получена на полупроводниковом кристалле. Именно такой тип лазера используется в волоконной оптике. Голду с большим опозданием, только в 1988 году, удалось получить четыре ос-

новных патента по результатам работ, выполненных им в 50-е	Военно-морские силы США внедрили волоконно-
годы и посвященных принципу работы лазера.	оптическую линию на борту корабля Little Rock в 1973 году. В
Использование излучения лазера как носителя информа-	1976-м в рамках программы ALOFT военно-воздушные силы
ции не было оставлено без внимания специалистами по комму-	заменили кабельную оснастку самолета А-7 на волоконно-
никации. Возможности лазерного излучения для передачи ин-	оптическую. При этом кабельная система из 302 медных кабе-
формации в 10 000 раз превышают возможности радиочастотно-	лей, имевшая суммарную протяженность 1260 м и весившая 40
го излучения. Несмотря на это, лазерное излучение не вполне	кг, была заменена на 12 волокон общей длиной 76 м и весом 1.7
пригодно для передачи сигнала на открытом воздухе. На работу	кг. Военные были первыми и в деле внедрения волоконно-
такого рода линии существенно влияют туман, смог и дождь,	оптической линии. В 1977 году была запущена 2-км система со
равно как и состояние атмосферы. Лазерному лучу гораздо	скоростью передачи информации 20 Мб/сек (мегабит в секун-
проще преодолеть расстояние между Землей и Луной, чем меж-	ду), связавшая наземную спутниковую станцию с центром
ду противоположными границами Манхеттена. Таким образом,	управления.
первоначально лазер представлял собой коммуникационный	В 1977 году компании AT&T и GTE установили коммер-
световой источник, не имеющий подходящей среды передачи.	ческие телефонные системы на основе оптического волокна.
В 1966 году Чарльз Као и Чарльз Хокхэм, работавшие в	Эти системы превзошли по своим характеристикам считавшиеся
английской лаборатории телекоммуникационных стандартов,	ранее незыблемыми стандарты производительности, что приве-
	ло к их бурному распространению в конце 70-х и начале 80-х
пользоваться как среда передачи при достижении прозрачности,	годов. В 1980-м AT&T объявила об амбициозном проекте воло-
обеспечивающей затухание (определяет потери при передаче	конно-оптической системы, связывающей между собой Бостон и
сигнал) менее 20 дБ/км (децибел на километр). Они пришли к	Ричмонд. Реализация проекта воочию продемонстрировала ско-
выводу, что высокий уровень затухания, присущий первым во-	ростные качества новой технологии в серийных высокоскорост-
локнам (около 1000 дБ/км), связан с присутствующими в стекле	ных системах, а не только в экспериментальных установках. По-
примесями. Был также указан путь создания пригодных для те-	сле этого стало ясно, что в будущем ставку надо делать на воло-
лекоммуникации волокон, связанный с уменьшением уровня	конно-оптическую технологию, показавшую возможность ши-
примесей в стекле.	рокого практического применения.
В 1970 году Роберт Маурер со своими коллегами из	По мере развития технологии столь же быстро расширя-
Corning Glass Works получил первое волокно с затуханием ме-	лось и крепло производство. Уже в 1983 году выпускался одно-
нее 20 дБ/км. К 1972 году в лабораторных условиях был достиг-	модовый волоконнооптический кабель, но его практическое ис-
нут уровень в 4 дБ/км, что соответствовало критерию Као и	пользование было связано со множеством проблем, поэтому на
Хокхэма. В настоящее время лучшие волокна имеют уровень	протяжении многих лет полностью использовать такие кабели
потерь в 0.2 дБ/км.	удавалось лишь в некоторых специализированных разработках.
Не менее крупный успех был достигнут в области полу-	К 1985 году основные организации по передаче данных на
проводниковых источников и детекторов, соединителей, техно-	большие расстояния, компании AT&T и МО, не только внедри-
логии передач, теории коммуникаций и других связанных с во-	ли одномодовые оптические системы, но и утвердили их в каче-
локонной оптикой областях. Все это вместе с огромным интере-	стве стандарта для будущих проектов.
сом к использованию очевидных преимуществ волоконной оп-	Несмотря на то, что компьютерная индустрия, техноло-
тики обусловило в середине и конце 70-х годов существенные	гия компьютерных сетей и управление производством не столь
продвижения на пути создания волоконно-оптических систем.	быстро, как военные и телекоммуникационные компании, брали

на вооружение волоконную оптику, тем не менее и в этих областях также производились экспериментальные работы по исследованию и внедрению новой технологии. Наступление эры информации и возникшая в связи с этим потребность в более производительных телекоммуникационных системах только подхлестнули дальнейшее развитие волоконно-оптической технологии. Сегодня эта технология находит широкое применение и вне области телекоммуникаций.

Например, компания IBM, лидер в производстве компьютеров, объявила в 1990 году о выпуске нового быстродействующего компьютера, использующего контроллер канала связи с дисковыми и ленточными внешними накопителями на основе волоконной оптики. Это стало первым применением волоконной оптики в серийном оборудовании. Внедрение волоконного контроллера, получившего название ESCON, позволило передавать информацию с большей скоростью и на большие расстояния. Предшествующая модель контроллера на основе медных проводников имела скорость передачи данных 4,5 Мб/сек с максимальной длиной линии передачи в 400 футов. Новый контроллер работает со скоростью 10 Мб/сек на расстоянии в несколько миль.

В 1990 году Линн Моллинар продемонстрировал возможность передачи сигнала без регенерации со скоростью 2,5 Гб/сек на расстояние около 7500 км. Обычно волоконнооптический сигнал необходимо усиливать и периодически восстанавливать его форму - примерно через каждые 25 км. При передаче волоконно-оптический сигнал теряет мощность и искажается. В системе Моллинара лазер работал в солитонном режиме и использовалось самоусиливающее волокно с добавками эрбия. Солитонные (в очень узком диапазоне) импульсы не рассеиваются и сохраняют свою первоначальную форму по мере распространения по волокну. В то же самое время японской компанией Nippon Telephone & Telegraph была достигнута скорость 20 Гб/сек, правда, на существенно более короткое расстояние. Ценность солитонной технологии заключается в принципиальной возможности прокладки по дну Тихого или Атлантического океана волоконно-оптической телефонной системы, не требующей установки промежуточных усилителей. Однако с

1992 года солитонная технология остается на уровне лабораторных демонстраций и не находит пока коммерческого применения.

Информационная эра Четыре процесса, связанные с манипулированием ин-

формацией, основаны на применении электроники: 1.Сбрр

2. Хранение

3. Обработка и анализ

4. Передача

Для реализации этих процессов используется достаточно современное оборудование: компьютеры, электронные офисы, разветвленные телефонные сети, спутники, телевидение и т.д. Оглянувшись вокруг, можно обнаружить массу подтверждений наступления новой эры. Ежегодный прирост услуг в области информационной индустрии составляет сейчас около 15%.

Ниже приводятся факты, свидетельствующие о важности

и перспективности электроники в современной жизни.

В США в 1988 году насчитывалось 165 миллионов телефонных аппаратов, тогда как в 1950-м их было только 39 миллионов. Кроме того, услуги, предоставляемые телефонными компаниями, стали гораздо разнообразнее.

С 1950 по 1981 годы протяженность проводов телефонных систем возросла с 147 миллионов миль до 1.1 миллиарда.

В 1990 году общая протяженность оптических волокон в телефонных системах США составила около 5 миллионов миль. К 2000 году она возрастет до 15 миллионов миль. При этом возможности каждого волокна соответствуют возможностям нескольких медных кабелей.

В 1989 году в США было продано около 10 миллионов персональных компьютеров. Еще в 1976 году персональных компьютеров не было вообще. Сейчас это обычный элемент оборудования любого офиса и промышленного производства.

В настоящее время в США через персональный компьютер и обычную телефонную сеть открыт доступ к тысячам компьютерных баз данных.

Факсимильные сообщения (факсы) стали преобладать в деловой переписке.

Первая телефонная система на волоконно-оптическом	Телекоммуникации и компьютеры
кабеле, установленная в 1977 году, позволяла передавать ин-	До недавнего времени существовало четкое разграниче-
формацию со скоростью 44,7 Мб/сек и проводить переговоры	ние между тем, что составляло часть телефонной системы, и
одновременно по 672 каналам. Сегодня система Sonet, являю-	тем, что относилось к компьютерной системе. Например, теле-
щаяся стандартной системой в оптической телефонии, позволяет	фонным компаниям было запрещено участие на рынке компью-
передавать информацию с максимальной скоростью 10 Гб/сек,	терной технологии. Сегодня запрет формально остается в силе,
что примерно в 200 раз превосходит возможности первой опти-	но действие его в существенной мере ослаблено. Компьютеры
ческой системы. Предполагается достижение и стандартизация	могут теперь передавать данные по телефонным линиям, а те-
существенно более высоких скоростей, которые пока не доступ-
ны на современных электронных компонентах.	компьютерному) сигнал перед передачей. Телефонные и ком-
Во всех приведенных выше примерах фигурируют ис-	пьютерные компании все чаще конкурируют на рынке инфор-
точники информации и средства их объединения. Под информа-	мационных технологий.
цией здесь можно понимать как содержание телефонного разго-	Причины, приведшие к ослаблению данного запрета, по-
вора с другом, так и любой проект. Средства передачи инфор-	нятны. Развитие электронной технологии подразумевает тесное
мации из одного места в другое важны с точки зрения обладания	взаимодействие ее различных направлений. Различие между
полным объемом информации в любом месте страны. В каче-	компьютерной и телефонной технологиями ослабло еще более в
стве примера передачи информации можно привести как теле-	1982 году после распада компании AT&T, самой крупной кор-
фонный разговор с абонентом, находящимся па другом конце	порации в мировом масштабе. Информационная сеть становится
страны, так и разговор между соседними офисами, разделенны-	единой системой. Сейчас все труднее определить, за какую
ми парой дверей. Телефонные компании все более широко ис-	часть сети ответственны телефонные компании, какая часть сети
пользуют одинаковые цифровые технологии, как для передачи	принадлежит компьютерным компаниям, а какая находится в
	собственности домовладельца.
вычно, но с точки зрения цифровых технологий передачи ин-	Развитие кабельной сети в США, вместе с включением
	передачи компьютерных данных в сферу услуг, оказываемых
	телефонными компаниями, являются лучшим доказательством
цифровые импульсы или числа, вид которых в точности соот-	преимуществ, связанных с наступлением информационной эры.
ветствует компьютерным данным. Такого рода преобразования	Ранее телефонные компании обеспечивали двустороннюю связь
звукового сигнала в цифровой позволяют телефонным компани-	между абонентами, называемую POTS (Plain Old Telephone Ser-
ям с меньшими искажениями передавать разговор. В большин-	vices - обычные старые телефонные услуги). В настоящее вре-
стве новых телефонных систем используется именно цифровая	мя появилось множество других услуг, таких как автоматиче-
технология. В 1984 году около 34% центральных телефонных	ский "дозвон", автоответчик и т.д. (эти услуги называют PANS
станций использовали цифровое передающее оборудование. К	Pretty Amazing New Services - просто удивительные новые
1994 году эта величина возросла до 82%. Волоконная оптика	услуги). Телефонные компании нацелены на создание интегри-
исключительно удобна для цифровых телекоммуникаций. По-	рованных цифровых сетей (Integrated Services Digital Network,
вышение требований к эффективности, надежности, скорости и	ISDN), предназначенных для передачи по телефонной сети го-
экономичности передачи данных обеспечивается характеристи-	лоса, данных и видеоизображения. Такого рода сети представ-
ками волоконно-оптических систем.	ляют возможность передать любого вида информацию куда
	угодно и в любое время.

Волоконно-оптическая альтернатива

Обсуждаемая в этой главе глобальная сеть требует эффективной среды для передачи информации. Традиционные технологии, основанные на применении медного кабеля или микроволновой передаче, имеют недостатки и существенно уступают по характеристикам волоконной оптике. Например, медные кабели характеризуются ограниченной скоростью передачи информации и подвержены влиянию внешних полей. Микроволновая передача, хотя и может обеспечить достаточно высокую скорость передачи информации, требует использования дорогостоящего оборудования и ограничивается зоной прямой видимости. Волоконная оптика позволяет передавать информацию с существенно более высокими скоростями по сравнению с медными кабелями и имеет гораздо более приемлемую стоимость и меньше ограничений, чем микроволновая технология. Возможности волоконной оптики только начинают реализовываться. Уже сейчас волоконно-оптические линии превосходят по своим характеристикам аналоги, основанные на медном кабеле, и нужно учитывать, что технологические возможности медных кабелей имеют меньший потенциал развития, чем начинающая развиваться волоконно-оптическая технология. Волоконная оптика обещает стать неотъемлемой частью информационной революции, равно как и частью всемирной кабельной сети.

Волоконная оптика будет влиять на жизнь каждого человека, порой практически незаметно. Приведем несколько примеров незаметного вхождения волоконной оптики в нашу жизнь:

ния в ваш дом по кабелю; соединение электронного оборудования в вашем офисе с

оборудованием в других офисах; соединение электронных блоков в вашем автомобиле;

управление производственным процессом в промышленности.

Волоконная оптика является новой технологией, только начинающей свое развитие, но уже доказана необходимость ее применения как среды передачи для различных прикладных за-

дач, а характеристики волоконной оптики позволят в будущем существенно расширить область ее применения.

1.2. Проблемы электронных ЭВМ.

Первые серийные универсальные ЭВМ на транзисторах были выпущены в 1958 году одновременно в США, ФРГ и Японии. В Советском Союзе первые безламповые машины «Сетунь», «Раздан» и «Раздан 2» были созданы в 1959-1961 годах. В 60-х годах советские конструкторы разработали около 30 моделей транзисторных компьютеров, большинство которых стали выпускаться серийно. Наиболее мощный из них - «Минск 32» выполнял 65 тысяч операций в секунду. Появились целые семейства машин: «Урал», «Минск», БЭСМ. Рекордсменом среди ЭВМ второго поколения стала БЭСМ 6, имевшая быстродействие около миллиона операций в секунду - одна из самых производительных в мире.

Приоритет в изобретении интегральных схем, ставших элементной базой ЭВМ третьего поколения, принадлежит американским ученым Д. Килби и Р. Нойсу, сделавшим это открытие независимо друг от друга. Массовый выпуск интегральных схем начался в 1962

году, а в 1964 начал быстро осуществляться переход от дискретных элементов к интегральным. Упоминавшийся выше ЭНИАК размерами 9x15 метров в 1971 году мог бы быть собран на пластине в 1,5 квадратных сантиметра. В 1964 году фирма IBM объявила о создании шести моделей семейства IBM (System 360), ставших первыми компьютерами третьего поколения. Модели имели единую систему команд и отличались друг от друга объемом оперативной памяти и производительностью.

Начало 70-х годов знаменует переход к компьютерам четвертого поколения - на сверхбольших интегральных схемах

(СБИС). Другим признаком ЭВМ нового поколения являются резкие изменения в архитектуре.

Техника четвертого поколения породила качественно новый элемент ЭВМ - микропроцессор или чип (от английского слова chip). В 1971 году пришли к идее ограничить возможности процессора, заложив в него небольшой набор операций, микропрограммы которых должны быть заранее введены в постоянную память. Оценки показали, что применение постоянного запоминающего устройства в 16 килобит позволит исключить 100-200 обычных интегральных схем. Так возникла идея микропроцессора, который можно реализовать даже на одном кристалле, а программу в его память записать навсегда.

К середине 70-х годов положение на компьютерном рынке резко и непредвиденно стало изменяться. Четко выделились две концепции развития ЭВМ. Воплощением первой концепции стали суперкомпьютеры, а второй -персональные ЭВМ. Из больших компьютеров четвертого поколения на сверхбольших интегральных схемах особенно выделялись американские машины «Крей-1» и «Крей-2», а также советские модели «Эль- брус-1» и «Эльбрус-2». Первые их образцы появились примерно

в одно и то же время - в 1976 году. Все они относятся к категории суперкомпьютеров, так как имеют предельно достижимые для своего времени характеристики и очень высокую стоимость. К началу 80-х годов производительность персональных

компьютеров составляла сотни тысяч операций в секунду, производительность суперкомпьютеров достигала сотен миллионов операций в секунду, а мировой парк компьютеров превысил 100 млн.

вышла знаменитая теперь статья Гордона Мура (Gordon Moore)

«Переполнение числа элементов на интегральных схемах»

(«Cramming more components onto integrated circuits»), в которой тогдашний директор отдела разработок компании Fairchild Semiconductors и будущий сооснователь корпорации Intel дал прогноз развития микроэлектроники на ближайшие десять лет, предсказав, что количество элементов на кристаллах электронных микросхем будет и далее удваиваться каждый год. Позднее, выступая в 1975 году перед аудиторией конференции International Electron Devices Meeting, Годрон Мур отметил, что за прошедшее десятилетие количество элементов на кристаллах действительно удваивалось каждый год, однако в будущем, когда сложность чипов возрастёт, удвоение числа транзисторов в микросхемах будет происходить каждые два года. Это новое предсказание также сбылось, и закон Мура продолжает в этом виде (удвоение за два года) действовать и поныне, что можно наглядно видеть по следующей таблице (рис. 1.4.) и графику

Если судить по последнему технологическому скачку, который удалось совершить Intel за последний год, подготовив двуядерные процессоры с удвоенным количеством транзисторов на кристалле, а в случае с переходом от Madison к Montecito - так вообще учетверяющему это количество, то закон Мура возвращается, пусть и ненадолго, к своему первоначальному виду - удвоение числа элементов на микросхеме за год. Можно рассмотреть следствие закона для тактовой частоты микропроцессоров, хотя Гордон Мур неоднократно утверждал, что его закон относится только к числу транзисторов на кристалле и отражает