Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

АСТРАХАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ ФИЗИКИ, МАТЕМАТИКИ

И ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

КАФЕДРА ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

Форма обучения очная

Курсовая работа

Состояние и тенденции развития фотоники

Филякина Виолетта Геннадьевна

Астрахань - 2021

Оглавление

• фотоника научный мировой
• Введение
• 1. Фотоника как наука
• 1.1 Сущность, история и основные задачи фотоники как науки
• 1.2 Сферы изучения фотоники и её разделы
• 1.3 Состояние развития фотоники
• 2. Практическое применение фотоники
• 2.1 Мировая практика применения фотоники
• 2.2 Применение фотоники в РФ
• 2.3 Тенденции развития фотоники
• 3. Перспективы развития фотоники
• Заключение
• Список использованной литературы


Введение

Новые люди, новые изобретения, новые разделы науки, а иногда даже новые науки - прекрасная сторона цикличности научного мира. Появление нового в физике - всегда грандиозно. Так, открытие когда-то лазера спасло спустя десятилетия миллионы жизней, а также «подарило» нам фотонику как отдельную науку. Физика может быть интересна, доказать это - одна из целей данной курсовой работы. Физика в 21 веке и врач, и друг, и враг. Нельзя говорить в целом о физике, это слишком глубокая и необъятная наука, правильнее было бы говорить об отдельных разделах физики. В этой работе поговорим о фотонике: что это, какие бывают виды, как она исцеляет и как разрушает.

Отсюда цель курсовой работы: оценить состояние развития фотоники, а также выявить её тенденции.

Для выполнения цели курсовой работы поставлены следующие задачи:

1. дать определение основным понятиям;

2. проследить историю появления и развития фотоники как науки;

3. охарактеризовать основные разделы фотоники;

4. оценить состояние развития фотоники на 2021 год;

5. рассказать о практическом применении фотоники в России и зарубежье;

6. выявить тенденции и перспективы развития фотоники.

Объект исследования - фотоника как наука, предмет исследования - состояние и тенденции развития фотоники.

Для написания курсовой работы были использованы компоненты системного и комплексного подходов:

1. аналитический метод, встречающийся во всех параграфах моей работы. Аналитический метод представляет собой систематизацию и анализ данных, детальное изучение каждого элемента данных;

2. сравнительный метод, позволяющий сопоставить одни данные с другими. Он особенно актуален во второй главе;

3. метод классификации, дающий возможность разделять системы на отдельные составные элементы, он применён в 1 главе;

4. метод индукции или метод «наведения» - теоретический метод, заключающийся в переходе от частных суждений к общему выводу;

5. метод синтеза, благодаря которому возможно объединение детальной информации в единое целое;

6. метод дедукции или метод «выведения» - метод, противоположный вышеназванному методу индукции. Представляет переход от общего к частному;

7. важный метод, без которого тема фотоники не смогла бы быть раскрытой, - статистический. Он предполагает работу со статистическими данными;

8. также не упустила возможности применить метод научной абстракции. Научная абстракция - мысленное абстрагирование от несущественных сторон, явлений и отыскание наиболее существенного в них.

Курсовая работа имеет практическую значимость, которая главным образом заключается в изучении фотоники, её развития и тенденций. Так как наука достаточно молодая, работ по ней не так много, и любой вклад важен.

Курсовая работа изложена на 30 страницах печатного текста: введения, трёх глав, заключения и списка использованной литературы. Данные представлены в 6 рисунках и 2 таблицах.



1. Фотоника как наука

1.1 Сущность, история и основные задачи фотоники как науки

фотоника научный мировой

Начнём с предыстории. В одной из базовых концепций оптики считается, что за последние несколько десятилетий наиболее грандиозными открытиями были изобретение лазера, конструирование полупроводниковых лазеров и создание оптоволокна, имеющего низкие потери [16]. Именно из первого открытия началась фотоника.

Фотоника как наука, если дать самое простое и наглядное объяснения, - это область науки и техники, изучающая использование таких устройств, как оптических компонентов, лазеров, электрооптики и т.д., для генерации, преобразования и детектирования сигналов.

Можно дать более сложное определение из википедии: фотоника - дисциплина, занимающаяся фундаментальными и прикладными аспектами работы с оптическими сигналами, а также созданием на их базе устройств различного назначения.

Фотоника - одно из самых молодых физических учений. Она сформировалась на базе нескольких наук: оптики, физики твёрдого тела, материаловедения, информатики, физики полупроводников и т.д. История фотоники началась в 1960-х годах, когда Теодор Мейман изобрёл лазер (по крайней мере, принято считать, что именно он первым изобрёл прототип современного лазера) [17]. Справедливости ради, необходимо сказать, что до него были другие учёные, скорее всего, на базе которых он основывался. Среди этих учёных были: химик Жорж Клойд, продемонстрировавший в 1910 году неоновую лампу, из которой было возможно сделать примитивный лазер, прикрути он боковые зеркала; далее в 1913 году Альберт Энштейн высказал гипотезу, что в недрах звёзд под излучение может генерироваться под действием вынуждающих фотонов; 1917 год дарит нам статью А. Энштейна «Квантовая теория излучения», в которой доказано, что такое излучение действительно существует, это излучение ещё и когерентно (имеет одинаковое направление, длину волны, фазу и поляризацию); в 1928 году наконец теория перешла к практике - Рудольф Ладенбург, директор отдела атомной физики Института физической химии и электрохимии Общества кайзера Вильгельма, с учеником Гапсом Копферманном провели эксперимент, при котором они наблюдали инверсию населенностей с неоновыми трубками [2]. К сожалению, опыт провалился, так как излучение было слишком слабым, чтобы отличить его от спонтанного излучения. Для успеха эксперимента оставалось ввести положительную обратную связь, то есть поместить её в резонатор; года шли, множество учёных пытались «покорить эту гору», но все попытки так и оставались личными достижениями учёных, всем не хватало лишь одного пазла - резонатора.

В итоге, первый работающий лазер получился у сотрудника Hughes Aircraft - Теодора Меймана, его секрет был в выборе рубина в качестве активной среды. Это было великое открытие, мотивировавшее тысячи учёных оставить свои исследования и заняться ценным и практически полезным делом, которое на тот момент было почти не изучено.

Бурное расширение науки пришлось на активное расширение Интернета в 1980-м году.

Многие открытия последних десятилетий в области физики, химии, техники, оптики и других сфер были сделаны благодаря этой молодой науке. Для наглядности предлагаю рассмотреть рисунок 1 [13].

Рисунок 1. Распространение света в волокне



Термин фотоника впервые можно увидеть в работе А.Н. Теренина «Фотоника молекул и красителей». Термин «фотоника» - производное от слова фотон, напрямую означает науку, рассматривающую процессы и явления, в которых носителями информации служат фотоны. Наглядное содержание фотонного модуля можно увидеть на рисунке 2 [18].

Рис. 2. Содержание фотонного модуля

Основные задачи фотоники:

1. разработка, производство и применение лазерного оборудования, медицинской и военной техники;

2. биологические, физические, химические и другие исследования;

3. оптические вычисления;

4. мониторинг экологической обстановки;

5. медицинская диагностика и терапия;

6. развитие термоядерной энергетики;

7. оптические гироскопы и т.п.

Итак, в пункте 1.1 данной курсовой работы было показано развитие фотоники и её становление как обособленной науки. Также были даны несколько определений фотоники: фотоника как наука, рассматривающая процессы и явления, в которых носителями информации служат фотоны; фотоника как область науки и техники, изучающая использование таких устройств, как оптических компонентов, лазеров, электрооптики и т.д., для генерации, преобразования и детектирования сигналов; фотоника как дисциплина, занимающаяся фундаментальными и прикладными аспектами работы с оптическими сигналами.

1.2 Сферы изучения фотоники и ее разделы

В.С. Кирчанов, доцент кафедры общей физики ПНИПУ, автор таких работ, как «Наноматериалы и нанотехнологии», «Супергрупповой подход к модели Хаббарда» и «Концепции современного естествознания» определяет фотонику как технологию и как область науки и техники. В любом определении в основе лежит использование таких устройств, как оптические компоненты, лазеры, электрооптики и т.д. для генерации, преобразования и детектирования оптических сигналов.

Отсюда, область изучения фотоники охватывает:

1. процессы генерации фотонов источниками когерентного излучения при помощи лазеров и некогерентного излучения при помощи люминесцентных источников (напр., светодиодов);

2. процессы распространения оптического излучения в свободном пространстве (напр., линзы, диафрагмы, изображающие системы) или в оптических волокнах;

3. электрооптические, электроакустические и др. методы модуляции оптического излучения;

4. взаимодействие оптического излучения с нелинейными средами;

5. детектирование оптического излучения.

Как мы видим выше, область изучения фотоники обширна, а значит, есть потребность в делении на разделы. В данной курсовой работе поговорим про самые актуальные в 21 веке разделы фотоники: кремниевая фотоника, световодная фотоника и интегральная фотоника [19].

Начнём с кремниевой фотоники, её называют будущим вычислительных технологий [3]. Проблема, поставленная в основе данного раздела, состоит в замедлении технологического прогресса. Так, эмпирический закон Мура, выведенный более 50 лет назад, гласит, что производительность процессоров должна удваиваться каждые 2 года [29]. Закон Мура соблюдался до недавнего времени, когда развитие процессоров подошло к технологическому пределу (рис. 3) [28].

Рис. 3. Хронология появления новых процессоров в период 1971-2011 гг.

В современном мире необходимо производить высокопроизводительные вычисления и передачу большого объёма данных, но сейчас мир нуждается в поднятии пропускной способности каналов передачи информации. Сделать это невозможно с помощью привычных методов, отсюда - мировой переход на оптическую передачу данных. Прогресс остановился, когда переход на следующий уровень остановился из-за физических свойств кремния - полупроводника с непрямой запрещённой зоной, также кремний плохо поглощает и плохо излучает свет. Здесь мы видим следующую проблему - кремний приходится заменять другими полупроводниковыми материалами, которые плохо совместимы с остальными элементами фотонной интегральной схемы. Решение этой проблемы приведёт к революции в фотонике и зависящих от неё областях знания. Для прорыва необходимо осуществить успешное объединение в маленьком чипе лазерного излучателя, модулей и детекторов света, этот чип позволит создать каналы передачи информации с терабитной пропускной способностью, а также выведет IT-технологии на новый уровень.

Чем может похвастаться кремниевая фотоника сейчас? Как минимум, оптическими трансиверами, созданными на базе кремниевой фотонной технологии, со скоростью передачи данных 100 Гбит/с и более [8]. Пример оптического трансивера от Intel можно увидеть на рисунке 4 [4].

Рис. 4. Оптический трансивер от Intel

В абзаце о кремниевой фотонике была упомянута фотонная интегральная схема. Так что логичнее дальше рассказать об интегральной фотонике. Устройства интегральной фотоники - основа современного телекома, которому необходимо развитие. Используя фотон в качестве базовой частицы для приборов фотоники, возможно получить интегральные схемы с быстродействием на несколько порядков больше, чем у современных электронных интегральных схем и процессоров, при этом элементы интегральной фотоники могут быть использованы в производстве на основе известных и хорошо изученных технологий интегральной электроники как на основе кремния, так и на основе гетероструктур [12]. В случае гибридных электронно-фотонных схем долю фотонных интегральных компонентов можно наращивать по мере освоения технологий их создания [20].

Итак, оптимальные сочетания преимуществ показаны выше, из этого можно утверждать, что фотонно-электронные и фотонно-интегральные схемы наиболее перспективны в области альтернативы интегральной электроники [7]. Работы в области интегральной фотоники очень актуальны для российской науки и экономики.

И, напоследок, краткая информация о не менее важном разделе фотоники - световодной фотонике. Этот раздел связан с созданием новых и заменой старых систем измерения физических величин, от акустических, электромагнитных и механических до тепловых и, безусловно, оптических [5]. Из конкретных примеров можно перечислить разработку гироскопов и создание волоконно-оптических устройств [6].

Итак, в пункте 1.2. данной курсовой работы были определены области изучения фотоники, а также самые перспективные направления - кремниевая фотоника, интегральная фотоника и световодная фотоника.

1.3 Состояние развития фотоники

В данном пункте курсовой работы следует говорить по отдельности о состоянии развития каждого раздела фотоники. Начнём со световодной фотоники. Этот раздел стремительно развивается как в общемировой научной практике, так и в российской. Разработкой и созданием современных волокно-оптических устройств занимаются специалисты Лаборатории сборки и юстировки устройств световодной фотоники ИТМО под руководством профессора и резидента Технопарка ВУЗа Игоря Мешковского и руководителя лаборотории Станислава Аксарина. Данная лаборатория организована в 2015 году, в год необходимости России в целенаправленной лаборатории по сборке и юстировке устройств (простыми словами, это стыковка оптических волокон с интегрально-оптическими волноводами) [9]. Лаборатория была создана для конкретной цели - создания волокно-оптических датчиков интерференционального типа, эти датчики высокоточные и к их сборке предъявлены очень высокие требования [14]. К моменту создания лаборатории уже была заложена научно-техническая база, также были начаты исследования в области микросборки волоконных элементов, разработано техническое оборудование. Сегодня световодная фотоника идёт в сторону повышения точностных параметров волоконно-оптических гироскопов, это даст высокоточные навигационные системы для передвижения по земле, акваториям, воздуху и космосу.

НИЦ СФ с основания занималась разработкой конструкции и технологией изготовления волоконно-оптических гироскопов по заказу «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», разработанные гироскопы выпускаются предприятием серийно. На данный момент лаборатория занимается проработкой гироскопов и их отдельных узлов для повышения точностных характеристик.

Следующие важные исследования этой работы заключаются в создании морской гидроакустической буксируемой косы для сейсморазведки - волоконно-оптического кабеля большой протяжённостью до нескольких километров, состоящий из массива точечных датчиков на основе волокна, которые все вместе работают как большая распределённая антенна, принимающая акустические волны, отражённые от дна и от глубинных слоёв земли. Обработка данных с этой косы позволит построить геологический срез дна - данные необходимы для георазведки, поиска месторождений нефти, газа и полезных ископаемых, особенно нужных в труднодоступных районах крайнего севера на подледных шельфах.

Также лаборатория развивает взаимодействие со студентами, чтобы состояние развития световодной фотоники показывало положительную динамику.

Далее обозначим состояние развития интегральной фотоники. В настоящий момент эта область знания находится в стадии зарождения и представляет собой результат синтеза достижений нескольких научных направлений: полупроводниковая электроника, фотоника как наука о лазерах, классическая и волноводная оптика [21]. Полупроводниковая электроника к началу 21 века исчерпала свои технологические возможности и не смогла обеспечивать экспоненциальный рост производительности интегральных схем, поэтому сейчас наука нуждается в интенсивном развитии интегральной фотоники. Компании и правительство уже отдали за это сотни миллионов долларов за разработку новых фотонных компонентов и систем, объединяющих стойки компьютерных серверов в дата-центрах с использованием оптоволокна, которые на практике выполняют свою функцию, но на этом фотоны остановились [22]. Так, например, для «достижения технологического превосходства в оптически насыщенных системах» Сколтеху понадобилось 27 млрд. рублей. Для развития интегральной фотоники планируется постройка центра национальной кооперации при Сколковском институте науки и технологий. Создание этого центра позволит РФ достичь технологического превосходства в оптически-насыщенных информационных, сенсорных и квантовых системах поколения 2025-2035 годов.

В Сколтехе считают, что интегральная фотоника будет развиваться такими же высокими и качественными темпами, как микроэлектроника во второй половине 20 века [11]. По расчётам института, полный возврат инвестиций в 27 млрд. руб. благодаря новым открытиям возможен не позднее 2030 года, а значит, у проекта быстрый срок окупаемости и высокая экономическая привлекательность.

Станислав Страупе, старший сотрудник Центра квантовых технологий физического факультета МГУ, заявляет, что на интегральной фотонике, её разработках можно и нужно зарабатывать. Это можно объяснить тем, что основа современного телекома, как было сказано в пункте 1.2., построена на интегральной фотонике, а телеком неизбежно будет развиваться, т.к. потоки данных, которые нужно распределять и обрабатывать постоянно растут и этот процесс непрерывен и необратим. Постоянно будут увеличиваться требования к пропускной способности каналов и скорости обработки информации [15]. По прогнозам, устройства, удовлетворяющие эту потребность, будут развиваться и находить применение в самых разных областях.

По информации из пресс-релиза Сколтеха, в настоящее время у России есть уникальная возможность занять место на рынке фотонных интегральных схем. Есть два исхода российских исследований в этой области-либо институт обеспечит себя принципиально новыми технологиями, внедряемыми «Ростехом», «Росатомом» и РЖД, либо придётся проводить новые исследования, но в любом исходе отставание России в области технологий интегральной фотоники будет невелико.

Теперь о состоянии развития кремниевой фотоники. Её считают источником следующей информационной революции. 12 августа 2021 года стало известно о создании в России программного обеспечения, которое позволяет сократить время создания оптических чипов с двух лет до полугода. Этк систему назвали Difra lab, её разработали специалисты Пермского государственного национального университета, который упоминался в пункте 1.2., при поддержке Центра компетенций НТИ «Фотоника». Аналогов такой программы в России нет. Difra lab предназначен для проектирования и моделирования фотонных интегральных схем (ФИС). Софт, по словам разработчиков, позволяет ускорить процесс разработки ФИС, а также предоставит доступ к технологиям интегральной фотоники разработчикам телекоммуникационных и медицинских систем, приборов контроля инженерных объектов и окружающей среды [23].

Российские компании, которые занимаются разработкой и созданием фотонных интегральных схем, до появления Difra lab использовали зарубежные ПО. Появление российского программного обеспечения повысит независимость отечественных производителей и укрепит технологический суверенитет страны.

Создание фотонных интегральных схем на оптических чипах включает в себя определение оптического материала, расчет параметров отдельных элементов и последующую «сборку» из этих элементов оптической системы на виртуальном кристалле. База данных Difra lab будет постепенно пополняться готовыми проектами, благодаря чему сборка на кристалле и может сократиться до трех дней.

Итак, в пункте 1.3. данной курсовой работы было оценено состояние развития фотоники и её разделов. Каждый рассмотренный раздел фотоники (интегральный, световодный и кремниевый) показал устойчивое развитие, новые значимые открытия и инвестиционную привлекательность.

Таким образом, в 1 главе были рассмотрены: история становления фотоники, как обособленной науки, также было выявлено, что в основе фотоники лежат такие области знания, как оптика, физика твёрдого тела, материаловедение, информатика, физика полупроводников и т.д., были перечислены основные исследования и эксперименты, которые привели к такому положению фотоники. Далее были даны несколько основных определений фотоники, основные задачи, обозначены области изучения и выведенные исходя из них разделы фотоники. По каждому разделу был проведён анализ состояния развития, а по каждому пункту курсовой работы был сделан вывод.



2. Практическое применение фотоники

фотоника научный мировой

2.1 Мировая практика применения фотоники

Применение фотоники обширно, это стало понятно ещё с введения данной курсовой работы. Жизнь современного общества немыслима без достижений фотоники. Фотонные интегральные схемы применяют в устройства повседневной жизни: высокоскоростной интернет, томографы, системы контроля окружающей среды и инженерных объектов. А как насчёт гонки суперкомпьютеров? Первый суперкомпьютер создала Национальная лаборатория США, дальше в игру вступил МГУ, сейчас суперкомпьютеры есть почти у всех развитых государств и крупных корпораций. Всё фотоника!

Создание сенсорных экранов стало возможно благодаря созданию волоконно-оптических датчиков - сенсоров. Система COMSOL Multiphysics позволяет моделировать любую физическую (и в том числе оптическую) систему. Использование фотоники в качестве коммуникационной среды микросхем позволяет технологам одновременно избавить новые чипы от влияния переходных процессов в медных проводниках и значительно уменьшить риск перегрева. У фотона есть преимущество перед электроном - фотоны невесомы, не создают сопротивления и не теряют свет [10].

Где ещё применяется фотоника [26]:

1. в записи и обработке оптических данных;

2. в отображении информации;

3. в оптической накачке мощных лазеров;

4. в телекоммуникациях (связь посредством оптоволокна, оптические конверторы с понижением частоты;

5. в вычислении посредством фотонных компьютеров: распределение синхросигналов и коммуникация между компьютерами, печатными платами, или в пределах оптоэлектронных интегральных схем;

6. в бытовой аппаратуре;

7. в освещении;

8. в лазерной печати, основанной на ксерографии;

9. в сканерах штрих-кодов и принтерах;

10. в CD/DVD/Blu-Ray устройствах;

11. в медицине: мониторинг здоровья, диагностика, коррекция зрения, лазерная хирургия, хирургическая эндоскопия, удаление татуировки, камней в почках и т.д.;

12. в промышленности: сварка с помощью лазера, сверление отверстий, резка и обработка поверхностей различными методами;

13. в робототехнике;

14. в сельском хозяйстве;

15. в химическом синтезе;

16. в термоядерной энергетике;

17. в строительстве: лазерное нивелирование, лазерные дальномеры, интеллектуальные конструкции;

18. в авиации; фотонные гироскопы без подвижных деталей;

19. в военной технике: системы лазерной обороны, ИК-датчики, управление, навигация, поисково-спасательные операции;

20. в метрологии: измерение времени, частоты и расстояний;

21. в спектроскопии;

22. в залегании и обнаружении пластов в шахтах;

23. в индустрии развлечений: лазерные шоу, голографическое искусство, игрушки, лазер-тэг.

Таким образом, в пункте 2.1. данной курсовой работы были перечислено множество областей применения фотоники в мировом опыте. Многие исследования так и остались теорией, но, справедливости ради, практика фотоники обширна и очень важна для современного мира. Лидерами применения фотоники в мировом хозяйстве являются США, ЕС, Китай и Россия. У каждой страны есть свои отраслевые направленности в сфере развития и применения трудов фотоники.

2.2 Применение фотоники в РФ

Наша страна - пионер в создании квантовой электроники и лазерной техники, она имеет мощнейший потенциал в развитии фотоники, а также, что немаловажно, большой опыт в проведении разработок этой области. В России сегодня более 900 организаций, работающих по тематике фотоники: академические институты, ВУЗы, научно-технические центры, отраслевые НИИ, КБ и НПО, производственные объединения, крупные предприятия, медицинские учреждения и малые предприятия. Также более 500 центров предоставления услуг по лазерной обработке материалов, лазерной косметологии и проч.

По территории страны разработчики технологий и оборудования фотоники распределены неравномерно. Центры максимальной концентрации организаций и предприятий отрасли (по числу юрлиц) - Москва (40%), Санкт-Петербург (14%), Новосибирск (6%), Московская область (5%) и Поволжье (Нижегородская, Самарская, Саратовская области и Татарстан - ?вместе около 8%), в общей сложности такие предприятия и организации есть в 57 регионах страны.

Фотоника в большинстве случаев не является единственной специализацией для российских исследовательских институтов и крупных предприятий. Среди них лишь участники Оптического холдинга «Швабе» ГК «Ростех» и несколько частных компаний могут быть отнесены к числу чисто «лазерно-оптических» организаций. Только для малых предприятий, работающих в области фотоники, эта тематика практически всегда является единственной профильной. В некотором смысле российская фотоника - ?это отрасль, состоящая в значительной части из малых предприятий.

Росстат не ведет учёта в части фотоники, поэтому все нижеследующие оценки - ?это данные опросов, проведенных Лазерной ассоциацией. Около 230 российских организаций являются производителями лазерной, оптической и оптоэлектронной продукции, более 60% из них - ?малые предприятия. Общий объем производства продукции фотоники в России за 2017 год составил более 74 млрд руб. Основной вклад в этот объем (примерно 84%) внесли большие предприятия (с числом занятых в производстве фотоники более 100 человек). На малые предприятия пришлось около 14%, остальное - ?результат производственной деятельности отдельных НИИ, КБ и университетских НТЦ, которые также занимаются выпуском продуктов фотоники. В России находится отделение одной из крупнейших компаний мировой лазерной индустрии - ?американской корпорации IPG. Это НТО «ИРЭ-Полюс» в подмосковном Фрязино с числом работающих около 1,8 тысяч человек и многомиллионными оборотами. Их данные в нижеследующих оценках объемов производства и экспорта российской фотоники не учитывались.

Производством продукции фотоники на российских предприятиях занимаются в общей сложности около 38,5 тысяч человек, средняя выработка на человека в год составила в 2017 году 2 млн руб., что существенно меньше, чем в европейской фотонике (в Западной Европе средняя выработка на предприятиях лазерно-оптической специализации уже в 2014 году была равна 160 тыс. евро?/?чел.). Однако на целом ряде отечественных малых и средних предприятий лазерно-оптической специализации выработка была весьма близка к европейскому уровню, а на некоторых и заметно превосходила его (до 12-15 млн руб.?/?чел. год). Доля экспорта в общем объеме продаж продукции фотоники российского производства составила в 2017 году 20%. В 2015-2017 годах существенных изменений в суммарном объеме производства фотоники (в денежном исчислении) в отрасли не произошло.

Более 90% всех моделей гражданской продукции фотоники, предлагаемых сегодня российскими производителями,? - ?это изделия малых предприятий. Именно они формируют внутренний рынок. Большим предприятиям принадлежит основная доля в общем объеме производства, но они много работают по гособоронзаказу, там другая продукция, другие цены и другие цели. Открытый рынок фотоники в России создается малыми предприятиями. Единой организационно-управленческой структуры в российской фотонике нет. Как самостоятельная отрасль и единый субъект промышленной политики фотоника в России не существует. Крупнейшим объединением предприятий и организаций этой специализации является Оптический холдинг (АО «Швабе») госкорпорации «Ростех». Имеется также несколько предприятий в составе холдинга «Росэлектроника» той же госкорпорации и объединенные общим руководством своей госкорпорации «лазерные» центры ГК «Росатом», ?но каждое из этих объединений включает лишь весьма малую долю российских организаций, создающих продукцию фотоники.

Единственными общеотраслевыми структурами являются действующая с 1990?года Лазерная ассоциация и созданная в 2011 году технологическая платформа «Инновационные лазерные, оптические и оптоэлектронные технологии - ?фотоника», координатором которой является Лазерная ассоциация. Но это некоммерческие научно-технические организации, которые своей информационно-аналитической, организационной и консультативной деятельностью эффективно содействуют развитию и практическому освоению фотоники в России, но не осуществляют никаких управленческих функций. Обладая большим научно-промышленным потенциалом в области фотоники, Россия сегодня, к сожалению, существенно уступает развитым странам по масштабам практического ее использования, что наносит стране заметный экономический ущерб и замедляет ее модернизацию.

О масштабе потерь можно судить по таким, например, оценкам: 1) использование в машиностроении, на транспорте, в сельхозтехнике и др. технологий локального лазерного упрочнения поверхности стальных деталей с целью повышения износостойкости стальных деталей и соответственно их ресурса может обеспечить экономический эффект порядка 100 млрд руб. (за счет снижения расходов на ремонт, запчасти, борьбу с последствиями аварий, вызванных разрушением изношенных узлов и т.?д.); 2) лазерные агротехнологии могут до 1,5 раз поднять урожайность овощных культур и в 2-3 раза удлинить сроки сохранности сорванных плодов (ягоды, яблоки и др.) без принятия каких-либо дополнительных специальных мер, они незаменимы в органическом земледелии; 3) оптоволоконная сенсорика может обеспечить постоянный и не требующий энергетики и трудозатрат контроль состояния всех ответственных сооружений - ?мосты, нефтехранилища, башни, трубопроводы и др.? - ?экономя многомиллионные средства, затрачиваемые на ремонтно-восстановительные работы и устранение последствий техногенных катастроф.

Причинами недоиспользования потенциала фотоники в России являются, во-первых, слабый спрос на инновации в отечественной экономике, не позволяющий отечественной фотонике развиваться за счет чисто рыночных факторов, и, во-вторых, наличие ряда проблем у предприятий и организаций, занятых созданием технологий и оборудования фотоники. Такие проблемы требуют для своего преодоления участия государства.

Проведенные в 2015 и 2018 годах Лазерной ассоциацией опросы российских предприятий и организаций, работающих в области фотоники, выявили наиболее важные проблемы, которые следует считать общеотраслевыми:

* фотоники нет в официальном перечне приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в России и списке критических технологий, что формально запрещает прямую бюджетную поддержку проектов по фотонике и делает эту тематику втростепенной для органов исполнительной власти, отвечающих за инновационную активность, особенно в регионах [1];

* слабый спрос на оборудование, реализующее технологии фотоники, в отраслях реального сектора экономики, что обусловлено как финансовой слабостью большинства предприятий, так и отсутствием в стране ясно сформулированной промышленной политики, на которую можно было бы ориентироваться разработчикам инноваций, а также недостаточной осведомленностью руководителей и специалистов о реальных возможностях современной фотоники и ее роли в технической инфраструктуре индустриально развитой страны,

* обусловленное отсутствием программы освоения технологий фотоники в стране отсутствие целевой госпрограммы развития отрасли, в рамках которой могли бы получить поддержку приоритетные для страны работы в области фотоники - в частности, по элементной базе, импортозамещению, по перспективным технологиям, подготовке кадров и др.;

* отсутствие нормативных документов, предусматривающих и регламентирующих использование технологий фотоники в промышленности, сельском хозяйстве, медицине и др. отраслях, что мешает практическому освоению этих технологий в стране.

* отсутствие координации в поддержке проектов НИОКР по фотонике и ее применениям различными институтами развития, отсутствие гласного анализа использования результатов таких проектов в интересах отечественной экономики.

А еще три отмеченные проблемы характерны для всего отечественного научного ремесла: 1) отсутствие у предприятий отрасли возможности получать долговременные кредиты под разумный с точки зрения реальной доходности производства лазерно-оптической техники процент; 2) чрезмерная налоговая нагрузка на предприятия и организации, создающие инновационную продукцию, в т.?ч. продукцию фотоники; 3) наличие труднопреодолимых препятствий для участия малых предприятий в реализации госзаказа и программ инновационного развития госкорпораций.

Технологии фотоники играют определяющую роль в переходе к информационному обществу, цифровой экономике, расширению доступной каждому человеку культурной среды, обеспечению мобильности и доступа к информационно-образовательным ресурсам [25].

Особое место в этом перечне занимает оборонная фотоника, без которой невозможны современная армия и системы обеспечения безопасности. Организация разработки и производства такого оборудования в объемах, необходимых для развития отечественной экономики и обеспечения безопасности, является важнейшей задачей государства.

В основном, что не удивительно, в России фотонику применяют в промышленном и военном секторах, а также в медицине и сельском хозяйстве. В эти сектора в принципе идёт прицел всего развития науки в РФ.

Итак, области наиболее активного использования фотоники в Российской Федерации:

1. обработка материалов в промышленности;

2. бесконтактные измерения и диагностика (техническое зрение);

3. запись, хранение, обработка, передача информации;

4. диагностика и лечение заболеваний человека и животных;

5. задание направлений и управление движением;

6. визуализация информации, дисплеи, световые шоу;

7. скрытая маркировка документов и изделий, распознование изображений;

8. биостимуляция в растениеводстве и животноводстве;

9. дистанционное зондирование, картирование рельефов;

10. энергетика;

11. исследовательское оборудование для естественных наук;

12. обеспечение безопасности людей и объектов;

13. военные применения.



2.3 Тенденции развития фотоники

В докладе «Оптика и фотоника: ключевые технологии для нашей нации» состояние сбора данных о расходах, занятости и продажах в области фотоники в США было охарактеризовано как «прискорбное». Так, Северо-Американская система классификации промышленности (North American Industry Classification System - NAICS) не включает отдельного кода, объединяющего информацию по фотонике. Производители оптических и фотонных компонентов в США используют более 250 кодов NAICS для отражения своей продукции в статистике. После этой публикации SPIE запустила проект по регулярным исследованиям фотонной индустрии по всему миру. Отличительной особенностью данного проекта является то, что информация о фотонных рынках собирается на основе микроуровневых исследований - эксперты SPIE собирают информацию о компаниях, участвовавших в различных тематических выставках, связанных с фотонными технологиями, по всему миру.

Таким образом, мы видим здесь потребность в сборе обособленной и структурированной информации о рынке фотоники, а отсюда и первая тенденция - движение в сторону удовлетворения этой потребности.

Динамику и структуру мирового рынка фотоники по оценкам OIDA можно увидеть на рисунке 5 [24].

Рис. 5. Динамику и структуру мирового рынка фотоники по оценкам OIDA, млрд. долларов

Здесь мы видим тенденцию рынка к стабильности. Только в период 2011-2012 гг. можно наблюдать небольшой спад. Дальше - рост: рост производства, рост прибыльности рынка.

Далее рассмотрим более детально структуру мирового рынка фотоники (рисунок 6) [27].

Рисунок 6. Отраслевая и региональная структура мирового рынка фотоники по оценкам OIDA (млрд. долл.)

Третья тенденция состоит в том, что основная потребность производста состоит в дисплеях и LED-экранах, а основные страны-поставщики - Япония, США, Европа, Корея, Тайвань и Китай. Страны Азии попали в этот список из-за дешёвой рабочей силы и круглосуточной работы заводов.

Чтобы не оценивать «на глаз», ниже представлении таблица, отражающая структуру мирового рынка фотоники (таблица 1) [30].



Таблица 1. Структура мирового рынка фотоники

Очень интересна и разносторонняя четвёртая тенденция: уменьшение доли дисплеев и IT-технологий: на 4 и 6 процентов соответственно. Значительное увеличение показывает фотовольтаика, а стабильностью хвастаются остальные показатели - безопасность и оборона, производственные и коммуникационные технологии, источники света и т.д.

Можно отметить наличие существенной специализации стран на определенных сегментах рынка фотоники. Так, Тайвань, Южная Корея, Япония и Китай специализируются на таких рынках массовой продукции, как дисплеи, освещение и фотовольтаика. США, европейские страны, а также Япония, в большей степени специализируются на менее массовых и более высокотехнологичных сегментах, таких как оптические компоненты, измерения и машинное зрение, оборона и безопасность, медицина и науки о жизни, производственные технологии. Сегменты коммуникаций и IT развиваются как в передовых азиатских, так и в европейских странах и США.

Из всего вышесказанного следует, что в перечисленных странах, в отличие от России, фотоника занимает приоритетное направление развития.

Раз речь пошла о России, следует привести статистику структуры продаж в таблице 2 [30].



Таблица 2. Структура продаж отечественной продукции в основных секторах фотоники

Таким образом, российский рынок фотоники представляет собой крайне ограниченный сегмент мирового рынка, структура спроса отечественного рынка смещена в сторону сегмента безопасности и обороны.

Отдельного внимания заслуживает тема конкурентоспособности российских компаний, работающих в области фотоники. Несмотря на то, что на внутреннем рынке во многих областях доминируют зарубежные производители, многие малые компании, работающие в области фотоники, демонстрируют высокую экспортную активность, что свидетельствует о наличии в России конкурентоспособных разработок.

Итак, в пункте 2.3. были отмечены тенденции развития фотоники, такие как становление фотоники как приоритетной области знаний, в которую можно и нужно инвестировать; появление крупных частных исследований и качественной инфрографики на эту тему; стабильное увеличение объёма рынка; основная потребность производства состоит в дисплеях и LED-экранах (хоть их доля стремительно уменьшается, они продолжают занимать наибольший удельный вес); основные страны-поставщики - Япония, США, Европа, Корея, Тайвань и Китай, у каждой страны есть отраслевые особенности, которые были перечислены выше; Россия также занимает долю в этом рынке и вносит свой значительный вклад.

Таким образом, во второй главе были подняты проблемы практического применения фотоники как в общемировой, так и в отечественной практике, а также выявлены тенденции рынка фотоники.



3. Перспективы развития фотоники

Из перспектив развития фотоники в первую очередь следует назвать симбионты квантовой физики и фотоники: квантовая оптика и квантовая информатика. Для усиления оптических сигналов используются оптические усилители. В оптических линиях связи используются легированные эрбием оптоволоконные усилители, полупроводниковые оптические усилители, усилители на эффекте Рамана и оптические параметрические усилители. Очень перспективной областью является исследование квантовых точечных полупроводниковых оптических усилителей.

Также идёт развитие оптомеханики, занимающейся излучением влияния на свет механических вибраций мезоскопических или макроскопических объектов. 21 век обещает быть плодотворным на создание устройств, объединяющих фотонные и атомные приборы для служб хранения времени, навигации и метрологии. Следующая перспектива - развитие поляртоники, в которой фундаментов являются поляртоны - смеси фотонов и фононов, работающие в диапазоне частот от 300 Гц до примерно 10 ТГц.

Свет может проходить через любую прозрачную среду. Для направления света по нужному пути можно использовать стекловолокно или пластиковое оптоволокно. В системах оптической связи оптоволокно позволяет передавать данные на расстояния свыше 100 км без усиления, в зависимости от скорости цифрового потока и вида применяемой для передачи модуляции. Очень перспективным направлением исследования является разработка и производство специальных структур и материалов с заданными оптическими свойствами - фотонных кристаллов, фотонно-кристаллического оптоволокна и метаматериалов.

Наука занимается также исследованиями фотонных приборов для применения в системах оптической связи. Данная область исследований фокусируется на внедрении фотонных устройств, подобных высокоскоростным фотонным сетям, и объемлет исследования оптических регенераторов, улучшающих качество оптических сигналов.

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.

Итак, в 3 главе были выделены основные перспективы развития фотоники - симбионты квантовой физики и фотоники: квантовая оптика и квантовая информатика, исследование квантовых точечных полупроводниковых оптических усилителей, развитие оптомеханики и поляртоники, разработка и производство специальных структур и материалов с заданными оптическими свойствами - фотонных кристаллов, фотонно-кристаллического оптоволокна и метаматериалов и увеличение минимум в 4 раза числа предприятий в России, постоянно использующих технологии фотоники в производственной деятельности.



Заключение

Фотоника - очень важная наука, без которой современный мир не мыслит своё нормальное существование, это было доказано в моей курсовой работе, а значит, её практическая ценность доказана.

В ходе анализа было установлено:

1. Фотоника - это область науки и техники, изучающая использование таких устройств, как оптических компонентов, лазеров, электрооптики и т.д., для генерации, преобразования и детектирования сигналов.

2. Началом фотоники как обособленной науки принято считать открытие лазера Теодором Мейманом в 1960 г.

3. Термин фотоника впервые можно увидеть в работе А.Н. Теренина «Фо-тоника молекул и красителей».

4. Самые перспективные разделы фотоники - кремниевая фотоника, интегральная фотоника и световодная фотоника.

5. Каждый рассмотренный раздел фотоники (интегральный, световодный и кремниевый) показал устойчивое развитие, новые значимые открытия и инвестиционную привлекательность.

6. В основе фотоники лежат такие области знания, как оптика, физика твёрдого тела, материаловедение, информатика, физика полупроводников и т.д.

7. В России сегодня более 900 организаций, работающих по тематике фотоники.

8. Фотоники нет в официальном перечне приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в России и списке критических технологий, что формально запрещает прямую бюджетную поддержку проектов по фотонике и делает эту тематику втростепенной для органов исполнительной власти, отвечающих за инновационную активность, особенно в регионах.

9. Тенденции развития фотоники: становление фотоники как приоритетной области знаний, в которую можно и нужно инвестировать; появление крупных частных исследований и качественной инфрографики на эту тему; стабильное увеличение объёма рынка; основная потребность производства состоит в дисплеях и LED-экранах (хоть их доля стремительно уменьшается, они продолжают занимать наибольший удельный вес); основные страны-поставщики - Япония, США, Европа, Корея, Тайвань и Китай, у каждой страны есть отраслевые особенности.

10. Основные перспективы развития фотоники - симбионты квантовой физики и фотоники: квантовая оптика и квантовая информатика, исследование квантовых точечных полупроводниковых оптических усилителей, развитие оптомеханики и поляртоники.

Все вышеперечисленные выводы свидетельствуют о важности фотоники в научном мире и необходимости её развития.

Все поставленные задачи были выполнены: в 1 главе были даны определения фотоники, описана её история становления как науки, определены терминология и учёные, работавшие в прошлом и работающие сейчас на эту тему. Также в 1 главе были поставлены задачи и цели фотоники как науки, обозначены области знания, которые охватывает фотоника и, исходя из этого, были выведены основные разделы фотоники. Во 2 главе мы поговорили о практическом применении фотоники в общемировой и отечественных практиках, были приведены примеры компаний и разработак, а так же выявлены тенденции исходя из объёмных статистических данных. В 3 главе были перечислены перспективы развития фотоники.

Цель данной курсовой работы также была выполнена, так как были оценены состояние развития фотоники и её тенденции.



Список использованной литературы

1. Дорожная карта по развитию фотоники в Российской Федерации в 2013-2020 гг. // Пояснительная записка. - Министерство промышленности и торговли Российской Федерации. 33 с.

2. Уилсон М. Американские учёные и изобретатели / Пер. с англ. В. Рамзеса; под ред. Н. Тренёвой. - М.: Знание, 2014. - С. 27-34. - 136 с. - 100000 экз.

3. Барабаненков М.Ю. Кинетика химической стадии ионно-лучевой модификации кремния и мезоскопические эффекты в ионно-модифицированных структурах / Диссертационная работа на соискание учёной степени доктора физико-математических наук. - Черноголовка, 2001. - 351 с.

4. Батушев В.А. Электронные приборы: Учебник для вузов. - 2-е, перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 2020. - 383 с.

5. Зи, С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах. Кн. 2. / С. Зи; пер. с англ. - 2-е перераб. и доп. изд. - М.: Мир, 2014. - 456 с.

6. Зи, С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах. Кн. 1. / С. Зи; пер. с англ. - 2-е перераб. и доп. изд. - М.: Мир, 2014. - 456 с.

7. Петров Л., Удовик А. Кто изобрёл… интегральную схему? // Электронные компоненты. 2013. №8. С. 10-11.

8. Тим Джексон Inside Intel. История корпорации, совершившей технологическую революцию XX века = Iside Intel. The unauthorized history of the world's most successful chip company. - М.: Альпина Паблишер, 2013. - 328 с.

9. Хансперджер Р. Интегральная оптика: Теория и технология / Пер. с англ. - М.: Мир, 1985. - 379 с.

10. Рольф Ландауэр «Необратимость и выделение тепла в процессе вычислений», Перевод И.О. Чередникова, А.Г. Холмской, опубликован в «Квантовый компьютер и квантовые вычисления. Том 2», 1999, ISBN 5-7029-0338-2, С. 9-32

11. H. Iwai Roadmap for 22 nm and beyond // Microelectronic Engineering. - Elsevier, 2009. - Vol. 86, fasc. 7-9. - P. 1520-1528

12. Алферов Ж.И., Гетеропереходы в полупроводниках и приборы на их основе, в кн.: Наука и человечество, M., 1975

13. Welch D., Joyner C., Lambert D. et al. III-V photonic integrated circuits and their impact on optical network architectures // Optical Fiber Telecommunications / Ed. by I.P. Kaminow, T. Li, A.E. Willner. - Academic Press, 2018. P. 343-379

14. Никоноров Н.В., Шандаров С.М. Волноводная фотоника / Учебное пособие, курс лекций. СПбГУ ИТМО, 2018. - 143 с.

15. Интегральная оптика: Пер. с англ. / Под ред. Т. Тамира. - М.: Мир, 1978. - 344 с.

16. Кондиленко И.И., Коротков П.А., Хижняк А.И. Физика лазеров. - Киев: Вища школа, 1984. - 232 с.

17. Звелто О. Принципы лазеров. - М.: Мир, 1990. - 559 с.

18. Zhores I. Alferov The double heterostructure: concept and its applications in physics, electronics and technology / Nobel Lecture, December 8, 2020. - 29 p.

19. Душутин Н.К., Моховиков А.Ю. Из истории физики конденсированного состояния // Иркутский государственный университет, 2014. - С. 157.

20. Салех Б., Тейх М. Оптика и фотоника. Принципы и применения. Пер. с англ.: Учебное пособие. В 2 т. Т. 1 / Б. Салех, М. Тейх - Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2012. - 760 с.

21. Маркузе Д. Оптические волноводы / пер. с англ.; под ред. В.В. Шевченко. - М.: Мир, 1974. - 567 с.

22. Введение в интегральную оптику: Пер с англ. / Под ред. М. Барноски. - М.: Мир, 1977. - 367 с.

23. Miller S.E. Integrated Optics: An Introduction: The Bell System Technical Journal. - 1969. - Vol. 48, №7. - P. 2059-2069.

24. M. Watanabe, A. Tooi. Formation of SiO2 Films by Oxygen-Ion Bombardment. Jap. J. Appl. Phys., vol. 5, p. 737-8,1966.

25. P.V. Pavlov, E.V. Shitova. The Structure of Oxide Films Obtained by Oxygen Ion Bombardment of a Silicon Surface. Soviet Physics Doklady, Vol. 12, p. 11, 1967.

26. Lasky J.B. Wafer bonding for silicon-on-insulator technologies / Appl. Phys. Lett. - 1986, V.48, No 1. - P. 78-80.

27. Rong, H. et al. Low-threshold continuous-wave Raman silicon laser, Nature Photon, 2017. - 1, P. 232-237.

28. Xu.Q et al., Micrometer - scale silicon electrooptic modulator, Nature, 435, 325 - 327, 2015

29. А. Скоробов, «Закон Мура» // Сайт математико-механического факультета УрГУ, 2015

30. SOI Technology: IBM's Next Advance In Chip Design - Обзорная статья о КНИ и общих принципах функционирования современных цифровых микросхем. - http://www.ibm.com.

Размещено на Allbest.ru