— Мария Вилевна, что такое фотоника и когда она возникла? Как связаны лазер и фотоника?
— Фотоника — современное заманчивое слово. Однако не все знают, что такое фотоника. Фотоника — самая современная область науки. Она началась с изобретением лазера в 1960-х годах, а также — с изобретения полупроводникового лазерного диода в 1970-х, и получила дальнейшее развитие в связи с созданием оптических волокон с малым затуханием, а также с созданием волоконно-оптических систем связи, которые использовали световые методы для передачи информации. Без сомнения, эти изобретения сформировали современную картину цифрового мира и создали базис для революции телекоммуникаций в конце XX-го века. Без волоконно–оптических систем связи (и без фотоники тоже) не было бы Интернета в современном виде.
Исторически начало употребления в научном сообществе термина «фотоника» связано с выходом в свет в 1967 работы академика Александра Николаевича Теренина «Фотоника молекул красителей». Тремя годами раньше по его инициативе на физическом факультете Ленинградского государственного университета была создана кафедра биомолекулярной и фотонной физики, которая с 1970 года называется кафедрой фотоники. Александр Николаевич определил фотонику как «совокупность взаимосвязанных фотофизических и фотохимических процессов».
Сейчас в мировой науке принято 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 (Денвер, США, 1970). Сейчас (с 2001 года) термин «фотоника» также охватывает огромную область наук и технологий, в том числе:
- лазерное производство,
- биологические и химические исследования,
- медицинская диагностика и терапия,
- нанотехнологии для передачи оптических сигналов,
- оптические вычисления.
То есть фотоника — это огромный раздел науки и технологий, который включает в себя и оптику, и нанотехнологии, и передачу сигналов и многое другое.
И начало фотоники было положено изобретением лазера, за что трое ученых — Александр Прохоров и Николай Басов из СССР, и американец Чарльз Таунс — получили Нобелевскую премию в 1964 году. А продолжил их дело и получил первый полупроводниковый лазер, работающий при комнатной температуре, тоже наш соотечественник, замечательный ученый Жорес Алферов, работа которого также была отмечена Нобелевской премией в 2000-м году. Так что без работ советских ученых у нас не было бы лазеров и Интернета в том виде, в каком мы к нему привыкли.
— Какие возможности перед человечеством открыло появление лазера?
— Лазер или оптический квантовый генератор – источник когерентного монохроматического излучения. Это означает, что лазер создает очень узкий световой пучок, который может проходить огромные расстояния без уширения. С другой стороны, высокая монохроматичность говорит о том, что световой пучок содержит очень узкий диапазон частот, что приводит к существенному уменьшению искажений передаваемого сигнала из-за дисперсии. Уже эти два обстоятельства делают лазер идеальным источником сигнала для передачи информации. Однако в обычной среде или в атмосферном тракте оптический сигнал испытывает сильное затухание. Поэтому именно изготовление оптических волокон с очень малым затуханием позволило использовать все преимущества полупроводниковых лазеров. Так что появление современного высокоскоростного Интернета обусловлено наличием неразрывной пары, состоящей из полупроводникового лазера и современного оптического волокна.
— Фотонику многие называют электроникой будущего. Вы согласны с этим?
— Я бы не сказала, что фотоника — это электроника будущего. Во-первых, потому, что электроника и фотоника просто используют разные принципы для передачи энергии. Электроника использует движение электронов и их взаимодействие с электромагнитным полем, а фотоника использует световые кванты для передачи информации. А во-вторых, фотоника уже сейчас окружает нас в многочисленных приборах, экранах смартфонов, ноутбуков, оптоволокно опутало весь земной шар, поэтому фотоника — это уже прекрасное наступившее настоящее.
— Какие российские ИТ-компании сегодня используют в своей работе возможности фотоники?
— Так как полупроводниковые лазерные диоды используются практически везде — для передачи информации по оптическому волокну в сети Интернет, квантовые точки применяются в экранах ноутбуков и сотовых телефонов — то можно без преувеличения сказать: фотоника есть вокруг нас практически везде и ее достижения используются также практически всеми компаниями в России и за рубежом.
— Какой вклад отечественные специалисты внесли в развитие технологий фотоники?
— Наши советские и российские ученые по праву считаются основоположниками фотоники. Я уже упоминала об Александре Николаевиче Теренине, Александре Прохорове, Николае Басове и Жоресе Алферове. Но это еще не все. В 1938 году советский ученый Валентин Фабрикант впервые показал возможность усиления света на основе вынужденного излучения и сформулировал теорию квантового усиления, которая лежит в основе работы всех оптических квантовых генераторов света или лазеров. А советский физик Владлен Летохов был основоположником теории «оптического пинцета», за который в 2018 года была присуждена Нобелевская премия, правда не Летохову, а другим ученым. Поэтому мы гордимся нашими учеными, внесшими фундаментальный вклад в развитие фотоники.
— Какие разделы фотоники изучают студенты ПГУТИ?
— Во время обучения студенты ПГУТИ осваивают такие интереснейшие разделы науки и техники, используемые в фотонике, как
- квантовая связь;
- информационная безопасность инфокоммуникационных и квантовых сетей;
- физические основы квантовой информатики;
- оптоинформатика и нелинейная волоконная оптика;
- оптические транспортные сети;
- цифровая обработка сигналов;
- современные транспортные технологии;
- мультисервисные сети связи и коммутационные платформы;
- методы и средства измерений в волоконно-оптических и квантовых коммуникациях;
- проектирование, строительство и эксплуатация оптических сетей связи;
- квантовая оптика;
- радиофотонные системы связи.
После получения диплома ПГУТИ студенты обладают такими навыками, как
- построение информационных оптических систем;
- разработка новых устройств в области фотоники и оптоинформатики;
- построение лазерных систем;
- владение квантовыми, оптическими технологиями;
- расчетные, конструкторские, измерительные работы и тестирования в сфере фотоники и оптоинформатики;
- проведение экспериментальных исследований.
— В каких профессиях, связанных с ИТ, нужны знания фотоники?
— Да практически во всех. В телекоммуникационных компаниях (Ростелеком), в компаниях сотовой связи (МТС, Мегафон, Билайн); программистам, схемотехникам; инженерам (инженер ВОЛС, инженер телекоммуникаций, инженер-конструктор оптико-электронных приборов и другие); научным сотрудникам; специалистам в крупнейшем российском центре фотоники и оптического приборостроения в Санкт-Петербурге.
— Каковы, на ваш взгляд, перспективы развития фотоники в ближайшие десятилетия?
— Фотоника неразрывно связана с лазерами, а это не только передача информации по оптоволокну, но и космическая лазерная коммуникация, не только лазерная резка, сварка, лазерный термоядерный синтез, но и нанолитография для создания компьютерных процессоров, а также непрерывное внедрение фотонных технологий в полупроводниковую промышленность, связанное с внедрением искусственного интеллекта. Фотоника развивается настолько бурно, что в ближайшее время, несомненно, появятся новые интересные фотонные устройства, использующие всю мощь нанотехнологий.
Автор: Татьяна Плотникова
Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.