Фотоніка: історія розвитку, основи, застосування й перспективи

Фотоніка — сучасна галузь науки і технологій, що вивчає генерування, контроль і виявлення світла (фотонів) та розробляє прилади на їх основі. Вона поєднує методи оптики та квантової фізики для застосування у зв’язку, медицині, енергетиці та багатьох інших сферах.

Історія розвитку фотоніки

Витоки фотоніки пов’язані з розвитком оптики та квантової теорії світла. Важливі віхи історії:

• Д. Максвелл (1831–1879) сформулював електромагнітну теорію світла, показавши, що світло – це електромагнітні хвилі.

• М. Планк (1858–1947) (1900) запропонував дискретні квантові енергії випромінювання: E=hν, заклавши основу розуміння фотона.

• А. Айнштайн (1879–1955) (1905) запровадив поняття фотона як кванта світла для пояснення ефекту фотоефекту.

• Теоретичні передумови лазера: у 1917 р. Айнштайн передбачив стимульоване випромінювання, а в 1958 р. Шоулоу і Таунс описали лазерний принцип.

1960 р. – спорудження першого робочого лазера Теодором Майманом (Тед Мейман, 1927–2007) у Hughes Research Lab [1]. Цей рубіновий лазер започаткував бурхливий розвиток оптичних технологій. У наступні роки важливі внески зробили Чарльз Таунс (1915–2015), Артур Шоулоу (1921–1999) та радянські фізики Н. Басов (1922–2001) і А. Прохоров (1916–2002) (теоретичні основи мазера/лазера, Нобелівська премія 1964). Жорес Алфьоров (1930–2019) і Жерар Бурже (1948) розробили напівпровідникові лазери.

Теодор Майман, конструктор першого робочого лазера. Зображення: https://ethw.org/File:Maiman.jpg

Сам термін «фотоніка» увів франц. фізик П’єр Айгрен (Pierre Aigrain) у 1967 р., що означає «науку про світло». Після 1980-х років фотоніка як галузь швидко розширилася, охоплюючи і інтегральні оптичні мікросхеми, і біомедичні застосування світла. Наприклад, Чарльз Као (1933–2018) у 1966–1969 рр. показав, що дуже чисте скло може передавати світло на великі відстані – це зробило можливим волоконно-оптичний зв’язок. За це відкриття він отримав Нобелівську премію 2009 р. [3]

Основи фотоніки

Фотон – це елементарний квант електромагнітного випромінювання, що не має маси спокою та має енергією E=hν і імпульс p=hλ (де hh – стала Планка, νν – частота, λλ – довжина хвилі)[3]. Світло має хвильові й частинкові властивості: у немонохроматичній суміші воно утворює інтерференційні та дифракційні картини, але при взаємодії з речовиною передається та поглинається порціями – фотонами.

Взаємодія світла з речовиною: фотони можуть поглинатися або випромінюватися атомами і молекулами при переходах електронів між рівнями, що лежить в основі оптичних спектрів і лазерних явищ. Світло також викликає фотоефект, фотонікс та інші явища. Поляризація і когерентність світла є ключовими поняттями: лазери дають когерентні промені зі стійкою фазою і поляризацією.

Сучасні напрями фотоніки

Сучасна фотоніка охоплює низку технологічних напрямів:

• Лазери. Виділяють газові, твердотільні, волоконні, напівпровідникові (лазери на основі напівпровідників) тощо. Лазери генерують інтенсивні монохроматичні когерентні промені. Їх використовують у системах зв’язку, вимірювань, обробці матеріалів (різання, зварювання металів лазером), у медицині (лазерна хірургія, корекція зору). Наприклад, понад 55 000 патентів пов’язані з лазерами в США, і сьогодні лазери застосовують в телекомунікаціях, діагностиці, промисловості, космосі, розвагах та інших сферах[1].

  

   Лазерне світлове шоу – демонстрація інтенсивних лазерних променів фіолетового та синього кольорів Зображення: https://pixabay.com/photos/laser-show-light-laser-light-show-589727/

• 
  

• Оптичні волокна. Тонкі скляні або пластикові волокна, які передають світло за принципом повного внутрішнього відбиття. Інформація (мова, дані, відео) кодується у світлові імпульси. Основне досягнення: створення надчистих стекол з малими втратами світла. Застосування – магістральні і регіональні канали зв’язку, дата-центри, локальні мережі. У 1960–1970-х роках Чарльз Као довів, що при низькому загасанні волокон можна досягти зв’язку на сотні кілометрів[3]. Волоконно-оптичні лінії забезпечують сьогодні ~95% інтернет-трафіку.

  

  Оптоволоконні кабелі із зеленими й синіми світловими променями. Світлодіоди вводять світло в тонкі волокна для передачі даних.

• Інтегральна фотоніка (фотонні мікросхеми). Подібно до електронних мікросхем, фотонні мікросхеми (PIC, Photonic Integrated Circuits) поєднують лазери, світловоди, фотодетектори та інші елементи на одному чипі. Це відкриває шлях до швидших систем зв’язку та обчислень – наприклад, вбудованих оптичних інтерконектів для суперкомп’ютерів і навіть оптичних нейромереж та квантового комп’ютингу. Photonics21 виділяє нові ринки інтегрованої фотоніки у високопродуктивних обчисленнях, сенсорах для агропромисловості і безпеки, охороні здоров’я, автономному транспорті тощо[2].

• Квантова фотоніка. Вивчає властивості окремих фотонів та їх застосування. Фотони використовуються для квантових комунікацій (криптографія з розподілом квантових ключів), квантових комп’ютерів (логічні операції з фотонними кубітами) і точних вимірювань (квантова метролоґія). Сучасні дослідження спрямовані на надійні генератори одиничних фотонів, сплутані фотонні стани та інтеграцію фотонних елементів для квантових процесорів. Також цей напрям охоплює квантову оптику і квантові сенсори.

• Біофотоніка. Застосування фотонів у біології та медицині. До цього належать оптичні методи візуалізації (лазерна мікроскопія високої роздільної здатності, оптична когерентна томографія, ендоскопія зі світловодами) і терапії (лазерна хірургія, фотодинамічна терапія пухлин, оптомедицина). Наприклад, у діагностиці використовують флуоресцентні відмітки й лазерний доплерівський кровоплин для раннього виявлення хвороб. Як зазначають експерти, розвиток біофотоніки відкрив безліч можливостей: «починаючи з винаходу оптичного мікроскопа, медицина зазнала безліч трансформацій завдяки світлу»[4], а сьогодні фотонні рішення спонукають нові методи діагностики й терапії.

Інші перспективні напрями: фотонні кристали, метаматеріали, плзмоніка, терагерцова фотоніка, фотоніка «штучного інтелекту» тощо.

Застосування фотоніки

Промисловість: лазери використовують для різання, зварювання, гравірування матеріалів, вимірювання поверхонь (лазерні сканери) та контролю якості. Наприклад, лазерні різальні верстати дозволяють точно обробляти метали й пластики. 

Оптичні датчики (волоконні сенсори) контролюють деформації, температуру чи концентрації хімічних речовин у складних середовищах.

Медицина: високоточні лазери застосовують в офтальмології (корекція зору), стоматології, хірургії судин та тканин. Оптична візуалізація допомагає в діагностиці раку і дослідженні клітин. Волоконно-оптичні ендоскопи з високою роздільною здатністю дають можливість немінінвазивно «заглядати» в тіло.

Телекомунікації: фотоніка є основою сучасного зв’язку. Оптоволоконні канали передають Інтернет на величезні відстані; лазери високої стабільності забезпечують передачу даних з неймовірною швидкістю. Чисто оптичні маршрутизатори і розгалужувачі дозволяють мультиплексувати трафік. Як свідчить історія, поєднання лазерних джерел зі скляними волокнами зробило можливим глобальну оптичну мережу[3][1].

Оборона і безпека: Сучасне оборонне обладнання неможливо уявити без фотоніки[2]. Фотоелектронні датчики, інфрачервоні камери нічного бачення, лазерні далекоміри й системи наведення – все це фотонні пристрої. Власне Photonics21 підкреслює, що «найсучасніше військове обладнання не може працювати без хоча б одного фотонного пристрою»[2]. Також розробляють лазери як засоби протиракетної оборони і безпілотних систем, а також волоконно-оптичні системи зв’язку для захищених каналів.

ІЧ-камери надають оперативну та надійну інформацію в різних умовах виконання завдань, що робить їх незамінним інструментом у військовій сфері

Енергетика: фотоніка сприяє «зеленим» технологіям. По-перше, фотоелектричні системи (сонячні панелі) безпосередньо перетворюють сонячні фотони у електрику. По-друге, надсучасне ефективне світлодіодне освітлення (SSL) значно зменшує енергоспоживання у порівнянні з лампами розжарювання. Крім того, фотоніка забезпечує оптичний моніторинг і керування енергетичними системами: наприклад, оптоволоконні датчики контролюють стан вітряків чи турбін, а «розумні» оптичні сенсори оптимізують мережі енергопостачання[5].

Фотоніка: перспективи й виклики XXI століття

Фотоніка вважається ключовим технологічним напрямом XXI ст. (Key Enabling Technology). Вона проникає у все нові сфери: оптичний інтернет, квантові інформаційні мережі, біомедицина, автономні системи. За словами редактора журналу Frontiers in Photonics, «фотоніка — це наука про приборкання світла: генерація, детекція, керування, маніпуляція і використання світла задля блага людства»[4].

Найбільші перспективи пов’язані з інтеграцією фотонних і електронних технологій, розвитком квантових оптичних обчислень, а також з «зеленими» технологіями. Водночас стоять значні виклики:

• Мініатюризація й інтеграція. Необхідні надійні технології виробництва фотонних чипів, їхня варта та сумісність з електронними. Як і у мікроелектроніці, важко поєднати багато оптичних елементів на обмеженій площі через втрати і теплові ефекти.

• Квантові обмеження. Для квантової фотоніки важливі ефективні джерела поодиноких фотонів і детектори з майже стовідсотковою чутливістю. Стабільна квантова пам’ять та обробка інформації на фотонних кубітах — науковий виклик.

• Матеріали та метаматеріали. Для ідеальних фотонних компонентів потрібні нові матеріали (наприклад, фотонні кристали і метаматеріали), здатні керувати світлом на нанорівні. Виклик – створити їх надекономічним способом.

• Конкуренція з електронікою. Електронні мікросхеми все ще дешевші у виробництві, тому фотонні рішення повинні значно перевершувати їх по продуктивності (навіть при вищій ціні) аби стати домінуючими, особливо у застосунках споживчої електроніки.

Проте переваги фотоніки очевидні: вона дозволяє підвищити пропускну здатність мереж (оптоволокно у десятки разів більша швидкість за кабельну передачу), створювати нові види обчислень (оптичні нейромережі, квантові комп’ютери) і значно знижувати енергоспоживання ( світлодіоди vs лампи розжарювання). Експерти відзначають, що фотоніка стане «однією з рушійних сил цифрової трансформації та «зеленої» економіки»[4][5]. З огляду на це, майбутні дослідження будуть спрямовані на подолання технологічних бар’єрів (цифрові фотонні платформи, симулятори світла, безпечні квантові канали) і розв’язання глобальних проблем – від розширення зв’язку до чистої енергії та високоефективної медицини.

Список використаних джерел: 

1. Engineering and Technology History Wiki. Milestones: First Working Laser, 1960 (2010) URL: ethw.org

2. Photonics21. Photonics: an essential technology for defence (Технічний звіт, 2023) URL: photonics21.org

3. Nobel Prize Outreach. Charles K. Kao – Facts, NobelPrize.org (2009) URL: nobelprize.org.

4. H. de Boisanger. Grand Challenges in Photonics: Route to Light. Frontiers in Photonics, (2021)URL: frontiersin.org

5. PhotonHub-EU. Photonics in Climate, Mobility & Energy (Стаття, 2023) URL: photonhub.eu