kvm-mtv.ru → Путешествия

Развитие фотоники. Электроника зашла в тупик. Среда передачи данных

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. // .

) — 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

Фотоника - область науки и техники, связанная с использованием светового излучения (или потока фотонов) в системах, которые генерируют, усиливают, модулируют, распространяют и детектируют оптические сигналы.

Оптоинформатика - выделившаяся и доминирующая в последние годы область фотоники, в которой создаются новые технологии передачи, приема, обработки, хранения и отображения информации на основе фотонов.

Фотоника и оптоинформатика - это энергично развивающаяся высокотехнологическая отрасль, ежегодный доход от продаж устройств и систем которой составляет в мире десятки триллионов рублей.

Егор Литвинов, студент

Фотоника для меня - это искусство управления светом, искусство использования света во благо человека. Как и любое искусство, фотоника имеет множество образов, представлений и интерпретаций и каждый человек видит ее по-своему. Занимаясь подобным искусством, ты получаешь целый ряд инструментов, из которых можешь выбрать те, которые тебе нужны, научиться в совершенстве пользоваться ими и применить их, чтобы получить фотонику такой, какой ты ее видишь. Владение этим искусством может приносить вдохновение и просто удовольствие. А в стремлении получить что-то новое ты рискуешь быть захваченным полностью.


Татьяна Вовк, студент

Я учусь на образовательной программе "Физика и технология наноструктур", и логично было бы предположить, что область моих знаний и интересов -- это именно нанофотоника, наука о взаимодействии света с различными наноструктурами и частицами. Это действительно так: в качестве научной работы я провожу исследование об оптическом охлаждении нанокристаллов. Однако на третьем курсе преподаватель нашей группы по квантовой механике, Юрий Владимирович Рождественский (также мой научный руководитель), разбирал классическую задачу о состояниях электронов в поле тяжести Земли. Самым активным студентам он предложил рассмотреть эту задачу не возле Земли, а возле нейтронной звезды, обладающей мощным полем тяготения. Было очень здорово обнаружить, что с помощью этой задачи можно объяснить радиоизлучение от нейтронных звезд, по поводу которого у специалистов-астрофизиков до сих пор нет единого мнения. В результате мы с однокурсником и нашими руководителями опубликовали исследование в высокорейтинговом зарубежном журнале - The Astrophysical Journal! Такое признание научного сообщества очень ценно, ведь никто из нас до этого не занимался астрофизикой. Нам было очень интересно развиваться и получать результаты в совершенно другой области физики -- на "Физике наноструктур" для этого есть все необходимое. Наши руководители и преподаватели всегда приветствуют инициативу и с удовольствием "запускают процесс" научного творчества. При должном упорстве это приводит к порой удивительным результатам!


Максим Масюков, студент

Имея широкий кругозор, мне было довольно трудно выбрать мою будущую профессию. В основном мне были интересны три дисциплины: информатика, физика, математика, и для меня было важно, чтобы в процессе обучения данные три дисциплины были главенствующими. Участвуя в олимпиаде для школьников, я услышал о факультете Фотоники и Оптоинформатики Университета ИТМО. Изучив сайт и дисциплины подготовки, я понял, что это то, что мне нужно. Фотоника - одна из наиболее молодых и быстроразвивающихся отраслей науки. Загоревшись желанием внести свой вклад в научный прогресс, я поступил на данный факультет, и остался удовлетворен. Со 2 курса я занимаюсь научной работой, которая включает в себя изучение свежих иностранных статей в данной научной области, программирование, математические расчёты, компьютерное моделирование. Разносторонние знания гарантируют успех в будущей карьере.

Владимир Борисов, аспирант

Фотоника, если хотите, это оптика XXI века. Почему же не продолжать называть её оптикой? Дело в том, что за последние 50-60 лет наука, изучающая физику света, шагнула настолько далеко вперед, что её едва ли можно сопоставить с общепринятой оптикой. Тут и нелинейные эффекты, и сверхвысокие плотности мощности, и сверхкороткие импульсы. Тут, конечно же, разнообразные квантовые эффекты и их применения. Словом, передний край оптической науки. И, поскольку такая наука уже ничем не напоминает старушку-оптику, то ей и нашлось новое слово - «Фотоника».
Фотоника - наука во многом прикладная. До фотоники никто и подумать не мог, насколько свет может быть полезен в нашей жизни. Сейчас мы движемся к тому, что все больше и больше новейших технологий используют свет. Мы уже умеем передавать информацию на огромные расстояния со скоростью света. А скоро научимся шифровать её так, что никто не сможет нас «подслушать». Мы идем к тому, чтобы лечить разные серьезные болезни при помощи световых технологий. Сейчас во время сложнейших операций, хирурги используют лазерные скальпели для совершения максимально точных надрезов. А представьте себе, что в скором времени достижения фотоники позволят нам вообще не делать надрез, чтобы удалить опухоль или залатать артерию. Благодаря фотонике, исследование дальнего космоса для нас - не такая уж недостижимая цель. А если ученые, в том числе и на нашем факультете, хорошо постараются, то фотоника в скором времени подарит нам настоящую шапку-невидимку и, быть может, световой меч. Ну и, конечно же, не стоит забывать о квантовом компьютере - одной из вершин современной науки, достижение которой невозможно без фотоники.
Словом, фотоника сейчас находится в авангарде современной науки. Она сочетает в себе возможность исследовать ещё неизученные вопросы, а также применять свои знания на благо общества. Пожалуй, это та область физики, где пытливый студент может максимально раскрыть свой потенциал, наилучшим образом реализовавшись в качестве ученого.


Ярослав Грачёв, к.ф.-м.н., ассистент, выпусник факультета

Фотоникой в настоящее время называют оптику в её современном аспекте. Факультет занимается развитием актуальных направлений оптики c применением современных информационных технологий, а это:
- и работа с лазерным импульсным излучением высокой энергии и сверхкороткой длительности;
- и, наоборот, использование низкоэнергетического излучения терагерцового диапазона электромагнитных волн для бесконтактной, неразрушающей диагностики и визуализации объектов с распознаванием веществ;
- и голография, включая как изобразительную голографию, так и создание и обработку трехмерных цифровых копий объекта в реальном времени.
Для меня работав этой области науки стала отличной возможностью для приобретения практических навыков конструкторской и экспериментальной деятельности. А человек с практическими умениями и знаниями всегда востребован.


Ольга Смолянская, к.ф.-м.н., руководитель лаборатории "Фемтомедицины" Международного института Фотоники и оптоинформатики

Термин «Фотоника» впервые прозвучал в 1970 году на 9-м Международном конгрессе по скоростной фотографии в США, г. Денвер. И на первом этапе под «фотоникой» понималась область науки, изучающая оптические системы, в которых носителями информации являлись фотоны. В связи с развитием лазерных технологий и изобретением лазерных диодов и волоконно-оптических систем связи в понятие «фотоника» вошли оптические телекоммуникации. Сегодня «фотоника» - это: оптические и квантовые системы связи;передача, запись и хранение информации; медицинская диагностика и терапия (биофотоника); разработка и производство лазеров; биологические и химические исследования различных объектов; экологический мониторинг; световой дизайн и т.д.
Биофотоника связана с фотобиологией и с медицинской физикой. Поэтому, с одной стороны, биофотоника занимается диагностикой и изучением биологических молекул, клеток и тканей. С другой стороны, она использует свет для воздействия на биологические ткани, например, в хирургии и терапии. Биофотоника изучает разные аспекты взаимодействия биологических объектов и фотонов. Поэтому область применения биофотоники - это, в первую очередь, здоровье человека. Специалисты в области биофотоники также занимаются созданием источников света медицинского назначения, детекторов, систем визуализации и математической обработки оптических сигналов.


Мария Жукова, аспирант

Фотоника - это наука о свете, это технологии его создания, преобразования, применения и обнаружения. Свет всегда играл важную роль в жизни человека - задумайтесь, благодаря ему мы ориентируемся в пространстве, видим друг друга. Сначала люди научились создавать искусственные источники света для обеспечения комфортного существования, а теперь мы имеем огромное количество высокотехнологических устройств, которые используются в многочисленных и разнообразных областях техники.
Фотоника включает в себя применение лазеров, оптики, кристаллов, волоконной оптики, электрооптических, акустооптических устройств, камер, сложных интегральных систем. Фотоника сегодня - это, как научные исследования, так и реальные разработки в областях: медицины, альтернативной энергетики, быстрых вычислений, создания высокопроизводительных компьютеров, новых материалов, телекоммуникации, экологического мониторинга, безопасности, аэрокосмической промышленности, стандартов времени, искусства, печати, прототипирования, и практически всего, что нас окружает.
На сегодняшний день в России, как и во всем мире, все больше и больше компаний и крупный производственных предприятий начинают создавать и использовать новые технологии, связанные с фотоникой. Фотоника открывает широкие возможности и перспективы развития в научной академической среде, а также в области реальных разработок. Это область знания, несомненно, будет развиваться из года в год!


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.

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

© 2024 kvm-mtv.ru - Эзотерика. Рептилии. Путешествия. Саморазвитие. Камни