Фотоника

Введение

Установленные настоящим стандартом термины расположены в систематизированном порядке, отражающем систему понятий в области фотоники.

Для каждого понятия установлен один стандартизованный термин. Для стандартизованных терминов 2.3.3.5. 2.14.6.4 и 2.14.18 приведены в качестве справочных их краткие формы, которые разрешается применять в случаях, исключающих возможность их различного толкования.

Установленные определения допускается при необходимости изменять, вводя в них производные признаки, раскрывая значения используемых в них терминов, указывая объекты, относящиеся к определенному понятию. Изменения не должны нарушать объема и содержания понятий, определенных в настоящем стандарте.

Стандартизованные термины набраны полужирным шрифтом, их краткие формы, в том числе представленные аббревиатурой, и/или общепринятые условные обозначения — светлым.

Ill

Перспективы трудоустройства по профессии

Выпускник этого направления сможет рассчитывать на трудоустройство в исследовательские организации, предприятия, которые занимаются производством, внедрением либо эксплуатацией лазерных и фотонных устройств, оптоволоконной продукции. В том числе, востребованы бывшие студенты в компаниях, которые занимаются связями и телекоммуникациями. Это крупнейшие корпорации – Вымпел-КОМ и Мегафон, Ростелеком и МТС.

Кем работает такой специалист:

• научным сотрудником;
• инженером-конструктором;
• программистом;
• технологом.

Стартовая отметка оплаты труда молодого специалиста достаточно высокая. Начинающий электронщик сможет зарабатывать от 25 тысяч в отечественной валюте. Наработав определенный опыт, можно рассчитывать на зарплату от 50000. Высокий уровень оплаты предлагают не только корпорации-гиганты, но и исследовательские организации.

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.

Достижения и победы

Научно-практическая конференция рабочей группы № 3 «Лазерные технологии обработки материалов в промышленности» технологической платформы «Фотоника», организатором которой выступает АО «ЦТСС», традиционно вызвала большой интерес у участников выставки. Здесь были представлены доклады представителей научно-исследовательских организаций, вузов, производителей оптического и лазерного оборудования, отразившие новые достижения предприятий.
Докладчики затронули вопросы применения технологии прямого лазерного выращивания для изготовления крупногабаритных деталей и высокоточных заготовок («ИЛИСТ»), использования лазерных измерительных систем при испытаниях и монтаже машиностроительных изделий на кораблях, синтезирования антифрикционной поверхности трения крупногабаритных судовых гребных валов (АО «ЦТСС»), лазерной резки титана (ЗАО «РЦЛТ»), высокопрочной лазерной сварки алюминиевых сплавов (ИТПМ СО РАН, Новосибирск), особенностей выбора китайского лазерного технологического оборудования (ООО СП «Лазертех»)

Были обозначены перспективы применения для обработки материалов волоконных лазеров (НПО «ИРЭ-Полюс») и современных диодных лазеров (ООО «НПП «ИНЖЕКТ»).
Большое внимание в настоящее время уделяется вопросам стандартизации в области лазерных производственных технологий, поэтому выступление С. М

Шанчурова, председателя ПК 8 «Лазерные производственные технологии» вызвало особый интерес.
Также на конференции были вручены дипломы победителям конкурса Лазерной ассоциации на лучшую отечественную разработку 2018 года в области лазерной аппаратуры и лазерно-оптических технологий в номинации «Лазерные технологии в промышленности и энергетике». Дипломами отмечены: роботизированная технологическая установка лазерной наплавки FL-Clad-R‑6S2 ООО «НТО «ИРЭ-Полюс» (г. Фрязино) и автоматизированный технологический комплекс очистки АЛТКО‑01 ВР ООО «Новые технологии лазерного термоупрочнения» (г. Владимир).

Предисловие

• 1 РАЗРАБОТАН Федеральным государственным унитарным предприятием «Научно-исследовательский институт физической оптики, оптики лазеров и информационных оптических систем Всероссийского научного центра «Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова» (ФГУП «НИИФО-ОЛИОС ВНЦ «ГОИ им. С.И. Вавилова»)

• 2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 296 «Оптика и фотоника»

• 3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 27 сентября 2019 г. № 822-ст

• 4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. N9 162-ФЗ «О стандартизации в Российской Федерации». Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе «Национальные стандарты», а официальный текст изменений и поправок — в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регупированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)

Стандартинформ. оформление. 2019

Настоящий стандарт не может быть полностью или частично воспроизведен, тиражирован и распространен в качестве официального издания без разрешения Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии

Связь с другими полями

Классическая оптика

Фотоника тесно связана с оптикой . Классическая оптика задолго до открытия квантования света, когда Альберт Эйнштейн в 1905 году классно объяснил фотоэлектрический эффект . Инструменты оптики включают преломляющую линзу , отражающее зеркало , а также различные оптические компоненты и инструменты, разработанные на протяжении 15-19 веков. Ключевые принципы классической оптики, такие как принцип Гюйгенса , разработанный в 17 веке, уравнения Максвелла и волновые уравнения, разработанные в 19 веке, не зависят от квантовых свойств света.

Современная оптика

Фотоника связана с квантовой оптикой , оптомеханикой , электрооптикой , оптоэлектроникой и квантовой электроникой . Тем не менее, каждая область имеет несколько разные коннотации в научных и правительственных сообществах и на рынке. Квантовая оптика часто ассоциируется с фундаментальными исследованиями, тогда как фотоника используется для обозначения прикладных исследований и разработок.

Термин фотоника более конкретно означает:

• Свойства частиц света,
• Потенциал создания технологий устройств обработки сигналов с использованием фотонов,
• Практическое применение оптики и
• Аналогия с электроникой .

Термин оптоэлектроника означает устройства или схемы, которые выполняют как электрические, так и оптические функции, то есть тонкопленочный полупроводниковый прибор. Термин « электрооптика» вошел в употребление раньше и, в частности, охватывает нелинейные электрооптические взаимодействия, применяемые, например, в виде модуляторов объемного кристалла, таких как ячейка Поккельса , но также включает усовершенствованные датчики формирования изображения.

Новые поля

Фотоника также относится к развивающейся науке о квантовой информации и квантовой оптике . Другие новые области включают:

• Оптоакустика или фотоакустическая визуализация, при которой энергия лазера, доставляемая в биологические ткани, будет поглощаться и превращаться в тепло, что приводит к ультразвуковому излучению.
• Оптомеханика , которая включает изучение взаимодействия света и механических колебаний мезоскопических или макроскопических объектов;
• Оптика , в которой устройства объединяют как фотонные, так и атомные устройства для таких приложений, как точное измерение времени, навигация и метрология;
• Плазмоника , изучающая взаимодействие света и плазмонов в диэлектрических и металлических структурах. Плазмоны — это квантования плазменных колебаний ; при взаимодействии с электромагнитной волной они проявляются в виде поверхностных плазмонных поляритонов или локализованных поверхностных плазмонов .
• Поляритоника , которая отличается от фотоники тем, что фундаментальным носителем информации является поляритон . Поляритоны представляют собой смесь фотонов и фононов и работают в диапазоне частот от 300 гигагерц до примерно 10 терагерц .
• Программируемая фотоника , изучающая развитие фотонных схем, которые можно перепрограммировать для реализации различных функций таким же образом, как и в электронных ПЛИС.

Приложения

А морская мышь (Aphrodita aculeata), показывая красочные шипы, замечательный пример фотонной инженерии живого организма

Применение фотоники повсеместно. Включены все области от повседневной жизни до самых передовых наук, например обнаружение света, телекоммуникации, обработка информации, фотонные вычисления, освещение, метрология, спектроскопия, голография, лекарство (хирургия, коррекция зрения, эндоскопия, наблюдение за здоровьем), биофотоника, военная техника, лазерная обработка материалов, художественная диагностика (включая Инфракрасный Рефлектография, Рентгеновские лучи, Ультрафиолетовый флуоресценция, XRF), сельское хозяйство, и робототехника.

Так же, как приложения электроники резко расширились с момента первого транзистор была изобретена в 1948 году, уникальные применения фотоники продолжают появляться. Экономически важные приложения для полупроводник фотонные устройства включают оптическую запись данных, оптоволоконные телекоммуникации, лазерная печать (на основе ксерографии), дисплеи и оптическая накачка мощных лазеров. Потенциальные применения фотоники практически безграничны и включают химический синтез, медицинскую диагностику, передачу данных на кристалле, датчики, лазерную защиту и термоядерная энергия, чтобы назвать несколько интересных дополнительных примеров.

• Потребительское оборудование: штрих-код сканер, принтер, устройства CD / DVD / Blu-ray, устройства дистанционного управления
• Телекоммуникации: оптоволоконная связь, оптический понижающий преобразователь в СВЧ
• Лекарство: коррекция плохого зрения, лазерная хирургия, хирургическая эндоскопия, удаление татуировок
• Промышленное производство: использование лазеров для сварки, сверления, резки и различных методов модификации поверхности
• Строительство: лазерное нивелирование, лазерный дальномер, умные конструкции
• Авиация: фотонный гироскопы отсутствие мобильных частей
• Военный: ИК-датчики, управление и контроль, навигация, поиск и спасание, постановка и обнаружение мин
• Развлекательная программа: лазерные шоу, лучевые эффекты, голографическое искусство
• Обработка информации
• Датчики: ЛИДАР, датчики для бытовой электроники
• Метрология: измерения времени и частоты, дальномер
• Фотонные вычисления: распределение часов и связь между компьютеры, печатные платы, или в оптоэлектронных интегральные схемы; в будущем: квантовые вычисления

Микрофотоника и нанофотоника обычно включают фотонные кристаллы и твердотельные устройства.

Можно ли увидеть фотон

Я проводила эти эксперименты в комнате размером с туалет на восьмом этаже отделения психологии Университета штата Иллинойс, работая вместе с моим выпускником-консультантом Павлом Квятом и психологом Рансяо Фрэнсис Вонгом. Пространство было оборудовано специальными плотными шторами и закрытой дверью для достижения полной темноты. В течение шести лет я проводила бесчисленное количество часов в этой комнате, сидя в неудобном кресле, положа голову на подбородок для упора, сосредоточившись на тусклых, крошечных вспышках и ожидая крошечных вспышек от самого точного источника света, который когда-либо создавался для исследования человеческого зрения. Моя цель заключалась в том, чтобы подсчитать, как я воспринимаю вспышки света от нескольких сотен фотонов до всего лишь одного.

Будучи индивидуальными частицами света, фотоны принадлежат миру квантовой механики — месту, которое может показаться совершенно непохожим на известную нам Вселенную. Профессоры физики говорят студентам абсолютно серьезно, что электрон может быть в двух местах одновременно (квантовая суперпозиция) или что измерение одного фотона может мгновенно повлиять на другой фотон, который находится далеко и не имеет физического соединения (квантовая запутанность). Возможно, мы принимаем эти невероятные идеи так небрежно, потому что они никоим образом не вписываются в наше повседневное существование. Электрон может быть в двух местах одновременно, а футбольный мяч — нет.

Но фотоны — это квантовые частицы, которые люди могут воспринимать непосредственно. Эксперименты с отдельными фотонами могут привести к тому, что квантовый мир станет видимым, и нам не придется ждать — некоторые эксперименты уже можно провести с существующими технологиями. Глаз — это уникальное биологическое устройство измерения, и его использование открывает перед нами удивительную область исследований, в которых мы даже не знаем, что могли бы найти. Исследование того, что мы видим, когда фотоны находятся в состоянии суперпозиции, может изменить наше понимание границы между квантовым и классическим мирами, в то время как человек-наблюдатель даже сможет поучаствовать в испытании странных последствий квантовой запутанности.

Зрительная система человека работает на удивление хорошо как квантовый детектор. Это сеть нервов и органов, от глазных яблок к мозгу, которая преобразует свет в изображения, которые мы воспринимаем. Люди и другие родственники среди позвоночных имеют два основных типа живых детекторов света: палочки и колбочки. Эти фоторецепторные клетки находятся в сетчатке, светочувствительном слое в задней части глазного яблока. Колбочки дают цветное зрение, но им необходим яркий свет для работы. Палочки могут видеть только в черно-белом, но настраиваются на ночное зрение и становятся наиболее чувствительными после получаса, проведенного в темноте.

Палочки настолько чувствительны, что их можно активировать одним фотоном. Один фотон видимого света переносит всего несколько электрон-вольт энергии. (Даже у летящего комара десятки миллиардов электрон-вольт кинетической энергии). Каскадная цепь реакций и обратная петля в палочке усиливает этот крошечный сигнал до измеримого электрического отклика на языке нейронов.

Мы знаем, что палочки способны улавливать даже один фотон, потому что электрический отклик палочки до одного фотона измерялся в лаборатории. Что оставалось неизвестным до недавних пор, так это вопрос: эти крошечные сигналы проходят через остальную зрительную систему и позволяют наблюдателю что-то видеть или же отфильтровываются в виде шума и теряются. Вопрос сложный, потому что нужных инструментов для проверки попросту не было. Свет, который испускается отовсюду, от Солнца до неоновых огней, это всего лишь случайный поток фотонов, словно дождь, падающий с неба. Нет никакого способа точно спрогнозировать, когда появится следующий фотон, или сколько конкретно фотонов появится в заданный временной интервал

Неважно, насколько тусклым будет свет, этот факт не позволяет убедиться, что человек-наблюдатель на самом деле видит лишь один фотон — он может видеть два или три

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. // Смотреть в формате djvu.
2. Elements of photonics. Volume I. In Free Space and Special Media. Keigo Iizuka. // John Wiley & Sons, Inc. 2002 г. // Смотреть в формате pdf.
3. Fundamentals of photonics. Bahaa E.A. Saleh, Malvin carl Teichh. // John Wiley & Sons, Inc. 1991 г. // Смотреть в формате djvu.

Оптоэлектроника

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

Волоконная и интегральная оптика

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

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. // Смотреть в формате pdf.
2. Волоконно-оптическая техника. Практическое руководство. В.Н. Цуканов, М.Я. Яковлев. // Москва. Инфра-инженерия. 2014 г. // Смотреть в формате djvu.

Ссылки

• Сайт кафедры Фотоники и оптоинформатики
• Сайт кафедры Компьютерной фотоники и видеоинформатики Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики
• Сайт кафедры Фотоники физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета
• Сайт кафедры Фотоники и Электротехники Харьковского Национального Университета Радиоэлектроники
• Образовательные материалы Лаборатории Лазерных Систем Новосибирского Государственного Университета
• Словарь терминов по фотонике . Сибирская Государственная Геодезическая Академия
• Журнал «Фотоника» Научно-технический журнал
• Проблемы рассеяния лазерного излучения в фотонике и биофотонике Квантовая Электроника, Специальный выпуск, Том 36, № 11-12, (2006)

Разделы справки

КристаллыОсновная статья: Кристаллы

Кристаллы — это твёрдые вещества, имеющие естественную внешнюю форму правильных симметричных многогранников, основанную на их внутренней структуре, то есть на одном из нескольких определённых регулярных расположений составляющих вещество частиц (атомов, молекул, ионов).

Кристаллы делятся по своим свойствам:

• Акустооптические и электрооптические кристаллы
• Двулучепреломляющие кристаллы
• Лазерные кристаллы
• Магнитооптические кристаллы
• Нелинейные кристаллы
• Сцинтилляционные кристаллы

ОптикаОсновная статья: Оптика

О́птика (от др.-греч. ὀπτική — оптика, наука о зрительных восприятиях) — раздел физики, рассматривающий явления, связанные с распространением электромагнитных волн видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов спектра. Оптика описывает свойства света и объясняет связанные с ним явления. Методы оптики используются во многих прикладных дисциплинах, включая электротехнику, физику, медицину (в частности, офтальмологию и рентгенологию). В этих, а также в междисциплинарных сферах широко применяются достижения прикладной оптики.

В оптике основными темами рассматриваются:

• Волновые пластинки
• Материалы и покрытия
• Призмы
• Плоская оптика – новые статьи в ближайшее время
• Оптика из пластика – новые статьи в ближайшее время

ЛазерыОсновная статья: Лазеры

Ла́зер (от англ. laser, акроним от light amplification by stimulated emission of radiation «усиление света посредством вынужденного излучения»), или опти́ческий ква́нтовый генера́тор — это устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

По теме лазеры:

• Типы лазеров
• Преимущество VCSEL – новые статьи в ближайшее время
• Лазеры: понимание основ– новые статьи в ближайшее время
• История лазера– новые статьи в ближайшее время

УстройстваОсновная статья: Устройства

Рукотворный объект (прибор, механизм, конструкция, установка) со сложной внутренней структурой, созданный для выполнения определённых функций, обычно в области техники.

Устройство (радиотехника) — совокупность элементов, представляющих единую конструкцию (блок, плата). Может не иметь в изделии определенного функционального назначения.

Об устройствах подробнее:

• Физические принципы
• Фотометрический шар – новые статьи в ближайшее время
• Интерферометрия– новые статьи в ближайшее время

Перспективы развития фотоники

Наиболее важным событием стало совместное открытое заседание рабочей группы по фотонике при Минпромторге РФ, Научно-технического совета Лазерной ассоциации, Секретариата технологической платформы «Фотоника», Экспертного совета по фотонике при Государственной Думе, где прошла презентация долгосрочной стратегической программы по развитию фотоники в России. По информации директора департамента Минпромторга России Д. В. Капранова, в результате реализации Стратегии к 2030–35 году объем производства продукции фотоники должен вырасти до 250 млрд рублей в год, а доля экспорта составить не менее 40% от объема производимой продукции. Предполагается увеличение минимум в 4 раза числа предприятий, постоянно использующих технологии фотоники в производственной деятельности, и минимальный рост количества занятых в отрасли до 120 тыс. человек.

5.1.3 Вольт-амперные характеристики ФД

На рисунке 5.4 показаны вольт-амперные характеристики ФД в области прямого и обратного смещения p-n-перехода.

Рисунок 5.4 – Вольт-амперные характеристики фотодиода

Как видим, фототок может уже возникать за счёт вольтаического эффекта даже при нулевом смещении (конечно при наличии оптической мощности (P). Здесь изображены три ветви характеристики, соответствующие различным значениям оптической мощности на фоточувствительной площадке. Видно, что увеличение светового потока вызывает увеличение фототока. Следует отметить, что при отсутствии оптической мощности (P=0), ток через ФД не исчезает полностью. Этот ток называется темновым и обычно имеет значение I_T∼10-9−10-7. Величина его является важным параметром ФД, поскольку, как это будет ясно из дальнейшего изложения, I_T определяет значительную долю шумов оптического тракта. Фототок может значительно превышать темновой ток.

5.1.1 Принцип действия фотодиода

Существуют материалы, носители заряда в которых не проводят ток в отсутствие воздействия светового потока. Это происходит по ряду причин: либо носители заряда находятся в зоне, где они не могут принимать участие в проводимости (например, в заполненной валентной зоне), либо они блокированы потенциальным барьером, как в детекторе Шоттки, или захвачены связанными квантовыми состояниями. В основе работы ФД лежит эффект поглощения фотонов в полупроводниковом материале и рождение за счёт этого электронно-дырочных пар. Это происходит благодаря переходу электронов из валентной зоны на более высокий энергетический уровень в зону проводимости
Если на переход не подано внешнее напряжение и цепь разомкнута (рисунок 5.1), то освещение приводит к накопление фотоэлектронов в n-области и дырок в р-области. В результате образуется разность потенциалов U_ф , т.е. появляется фото-ЭДС. Если внешняя цепь замкнута, то возникает фототок. В таких условиях диод работает как фотоэлемент.

Рисунок 5.1 – Процесс перехода электрона в зону проводимости

Для регистрации потока фотонов необходимы условия, при которых электронно-дырочные пары не рекомбинируют за счёт перехода электрона обратно в валентную зону. Эти условия в ФД создаются внутренним электрическим полем перехода. Известно, что в области перехода концентрация электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне меньше, чем в прилегающих полупроводниках n- и p-типа, соответственно. Поэтому область в окрестности перехода называется обеднённым слоем. Именно здесь вероятность поглощения фотона велика, а среднее время, за которое созданная электронно-дырочная пара рекомбинирует, может быть сделано большим.
Процессу разделения подвергаются носители заряда, генерируемые в обеднённой области перехода и прилегающей к ней областях размером, примерно равным диффузионной длине неосновных носителей. Только с расстояния, меньшего диффузионной длины, неосновной носитель в процессе движения успевает пересечь границу перехода за время жизни.
Неосновные носители, генерируемые в р- и n-областях на большом расстоянии от границы перехода, вследствие рекомбинации не попадают в обеднённую область, где сосредоточено электрическое поле перехода.
На рисунке 5.2 показана зонная диаграмма энергетических уровней электрона при обратном смещении.

Рисунок 5.2 – Зонная диаграмма энергетических уровней электронов для р-n-перехода при обратном смещении U

Обеднённый слой не имеет свободных носителей, поэтому его сопротивление очень велико, и практически всё падение напряжения приходится на область контакта. В результате электрические силы очень велики в области контакта и пренебрежимо малы в других областях.
За счёт напряжения смещения U возникает дополнительное ускоряющее электрическое поле, которое действует на электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне и перемещает носители, появившиеся при поглощении фотона, улучшая тем самым характеристики фотодиода. В результате электроны дрейфуют в n-область, а дырки – в p-область, где вероятность их рекомбинации мала. Величина приложенного напряжения напрямую связана с напряжённостью электрического поля, а, следовательно, и с кулоновской силой, действующей на заряженные частицы.
В конечном итоге напряжение смещения U определяет скорость их движения через обеднённую область. Эта скорость должна быть выбрана так, чтобы время пролёта частиц до внешних контактов ФД было бы существенно меньше, чем среднее время рекомбинации. Тогда практически все электронно-дырочные пары, появившиеся вследствие поглощения фотонов, участвуют в формировании фототока. Те носители, которые достигают обеднённой области быстро проходят её под действием сильного электрического поля, возбуждая при этом ток во внешней цепи. Данный ток возникает со сдвигом во времени по сравнению с поглощением фотона. Сдвиг во времени определяется первоначальным медленным диффузионным движением носителей по направлению к обеднённой области.
В идеальном фотодиоде весь падающий свет поглощается в обеднённом слое, и все рождающиеся носители собираются на контактах. Тогда фототок под действием оптической мощности P определяется из выражения

где Р – оптическая мощность;E_ф– фото-ЭДС;e – заряд электрона.
На практике, конечно, часть падающего света отражается.

Технологии в области электроники§41. Фотоника

Фотоника — наука, изучающая системы, в которых носителем информации являются фотоны (фотон — это квант (неделимая порция какой-либо величины) электромагнитного поля, нейтральная элементарная частица с нулевой массой; подробности вы узнаете на уроках физики в старших классах). Фотоника, по сути, является аналогом электроники, использующим вместо электронов фотоны. Передача сигналов с помощью фотонов через оптические волокна связана с существенно меньшими потерями энергии и, следовательно, с возможностью качественной передачи большего количества информации. (Оптика — раздел физики, в котором исследуют процессы излучения света, его распространение в различных средах и взаимодействие света с веществом.) Оптическое волокно — это нить из прозрачного материала (стекла, пластика) со светонепроницаемой оболочкой, используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения (рис. 128, а).

Рис. 128. Пучок оптических волокон (а); лазерное излучение с различной длиной волны (б)

Фотоникой как перспективным направлением развития науки и техники занимаются учёные во многих странах, в результате чего возникли новые направления её развития: микроволновая фотоника, оптоинформатика, компьютерная фотоника и др.

В настоящее время фотоника применяется в различных областях деятельности человека:
— телекоммуникации — это комплекс технических средств, предназначенных для передачи информации на расстояние (радио, телефонная связь, телевидение, Интернет и др.);
— лазерное производство (лазер — устройство, преобразующее энергию различного вида в узконаправленный поток излучения — лазерный луч; применяется в научных исследованиях, в промышленности для обработки различных материалов, в бытовой технике и др.) (рис. 128, б);
— биологические и физические исследования;
— наблюдения за изменением климата Земли и экологический мониторинг;
— медицинская диагностика (исследование сущности болезни и состояния заболевшего человека) и терапия (лечение, оздоровление).

В настоящее время активно развивается нанофотоника, изучающая физические процессы, возникающие при взаимодействии фотонов с очень малыми нанометровыми объектами. Направлениями развития нанофотоники являются:
— исследования квантовых слоёв, нитей и точек;
— разработка сверхпроводниковых источников электромагнитного излучения;
— создание светодиодов на органической основе;
— разработка органических лазеров;
— конструирование наноэлементов для солнечной энергетики;
— разработка нанооптических волокон;
— миниатюризация фотонных устройств и их встраивание в сложные системы;
— создание наноразмерных лазеров и др.

Квантовый компьютер — вычислительное устройство, которое для передачи и обработки данных использует принципы квантовой механики. В отличие от обычного компьютера, который обрабатывает информацию последовательно, квантовый компьютер может выполнять одновременно 50—60 тыс. операций.

Полноценный квантовый компьютер как реальное техническое устройство пока не существует. Однако уже созданы его отдельные элементы. показавшие положительные результаты: квантовый процессор решил тестовую задачу за 0,5 с, а процессор Intel — за 30 мин (выигрыш но скорости в 3600 раз). Для таких компьютеров уже создан высокоуровневый язык программирования.

Практическая работа № 30

Сборка электрических цепей со светодиодом и сенсором

1. C помощью учебного электротехнического конструктора соберите электрическую цепь, показанную на рисунке 129.

Рис. 129. Схемы электрических цепей (для практической работы № 30): а — принципиальная; б — монтажная

2. Замкните выключатель — светодиод будет светить, а лампа — нет.

3. Приложите к сенсорной пластине палец, смоченный водой, — светодиод погаснет, а лампа загорится. Почему это происходит?

4. Выполнив модификацию схемы, показанной на рисунке 129, соберите с помощью конструктора электрическую цепь, в которой сенсор будет управлять включением светодиода, а лампа будет светить постоянно.

Запоминаем опорные понятия

Фотоника, оптическое волокно, нанофотоника, квантовый компьютер.

Самостоятельная работа

Работа с информацией.

Узнайте, выполнив поиск в Интернете и других источниках информации, в каких ещё областях деятельности человека, кроме рассмотренных в параграфе, применяется фотоника и нанофотоника. Сохраните информацию в форме описания, схем, фотографий и др.

Проверяем свои знания

1. Что такое фотоника? Чем она отличается от электроники?

2. Для какой цели служит оптическое волокно?

3. Что такое нанофотоника?

Степень: Академический бакалавр Прикладной бакалавр

Наиболее распространенные экзамены при поступлении:

• Русский язык
• Математика (профильный) — профильный предмет, по выбору вуза
• Информатика и информационно-коммуникационные технологии (ИКТ) — по выбору вуза

Современная фотоника – это наука, без которой сложно было бы представить окружающую действительность. Благодаря ей и оптоинформатике человек пользуется многочисленными достижениями: лазерными и голографическими системами, светодиодами, светотехникой, сенсорами, новейшим биомедицинским оборудованием. Все эти и другие аспекты изучает специальность 12.03.03. Фотоника и оптоинформатика.

Наука не стоит на месте: в этой сфере постоянно наблюдается развитие, а потому квалифицированный специалист всегда на вес золота. Между прочим, направление находится под прицелом лучших умов человечества: ежегодно по нему проходят мероприятия международного уровня, которые о многом скажут одним своим названием: Photonics Europe, Optoinformatics, Photonics West.