Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

А.И. Цаплин

ФОТОНИКА И ОПТОИНФОРМАТИКА

Введение в специальность

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

УДК 536.7: 621.036 ББК 22.3

Рецензенты:

доктортехнических наук, профессор, заведующийкафедройприкладнойматематики В.П. Первадчук

(Пермскийнациональный исследовательский политехнический университет); кандидат технических наук, начальник

производственно-конструкторского отдела И.И. Крюков (Пермская научно-производственная приборостроительная компания)

Цаплин, А.И.

Ц25 Фотоника и оптоинформатика. Введение в специальность: учеб. пособие / А.И. Цаплин. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2012. – 399 с.

ISBN 978-5-398-00898-2

Рассматриваются система современного высшего технического образования, особенности обучения в вузе, фундаментальные основы инженерной деятельности.

Представлены исторические этапы зарождения фотоники и оптоинформатики, определена роль фотонов как носителей информации

и энергии на современном этапе. Приведены необходимые для понимания на квантовом уровне теоретические основы физики, научные

и нанотехнологические основы фотоники. Рассматриваются принципы работы лазеров, оптических волокон, перспективы и тенденции дальнейшего развития компьютеров на основе фотонов.

Предназначено для студентов вузов, обучающихся по направлению бакалаврской подготовки «Фотоника и оптоинформатика», профиль «Волоконная оптика».

УДК 536.7: 621.036 ББК 22.3

Предисловие..................................................................................................
Часть 1. Фундаментальные основы высшего образования..............
1. Особенности высшего технического образования..............................
1.1. Современная система высшего образования и его цели.............
1.2. Особенности обучения в вузе........................................................
2. Фундаментальные основы творческой деятельности..........................
2.2. Практическая деятельность человека
и современное естествознание.......................................................
2.3. Естественно-научные основы практической
деятельности человека....................................................................
2.4. Эволюция вселенной и общность законов природы....................
2.5. Деятельность специалиста и реальность.......................................
3. Фундаментальные основы дисциплин учебного плана......................
3.1. Особенности Федерального государственного
образовательного стандарта по направлению
«Фотоника и оптоинформатика» ...................................................
3.2. Математические и естественно-научные дисциплины................
3.3. Профессиональные дисциплины...................................................
3.4. Гуманитарные, социальные и экономические дисциплины.......
3.5. Основные требования бакалаврской подготовки.........................
Часть 2. Научные основы фотоники .....................................................
4. Элементы квантовой физики.................................................................
4.1. Связь фотоники и оптоинформатики с квантовой физикой..........
4.2. Этапы развития фотоники и оптоинформатики...........................
4.3. Основные представления квантовой механики............................
4.4. Квантовая модель атома.................................................................
4.5. Понятие о потенциальных ямах и барьерах.................................
4.6. Микрочастица в прямоугольной потенциальной яме..................
4.7. Туннельный эффект........................................................................
5. Элементы физики твердого тела...........................................................
5.1. Кристаллические решетки..............................................................
5.2. Дефекты кристаллического строения............................................

5.3. Элементы зонной теории................................................................
5.4. Энергетический спектр кристалла.................................................
5.5. Понятие эффективной массы электрона.......................................
5.6. Экситонные эффекты....................................................................
6. Физические основы оптики..................................................................
6.1. Электромагнитная природа света................................................
6.2. Основные явления волновой оптики...........................................
6.3. Основные явления квантовой оптики.........................................
7. Элементы нелинейной оптики.............................................................
7.1. Механизмы оптической нелинейности.......................................
7.2. Вынужденное рассеяние света.....................................................
7.3. Самофокусировка..........................................................................
7.4. Нелинейные эффекты в волоконных световодах.......................
7.5. Оптические солитоны...................................................................
Часть3. Физические инанотехнологические основыфотоники.......
8. Полупроводниковые квантовые структуры.......................................
8.1. Роль полупроводниковых структур в оптоэлектронике............
8.2. Твердотельные гетероструктуры.
Полупроводниковый гетеропереход...........................................
8.3. Квантоворазмерные структуры, их самоорганизация...............
8.4. Применение квантовых структур в приборах
оптоэлектроники...........................................................................
9. Основы нанотехнологий получения оптических материалов..........
9.1. Исторические аспекты..................................................................
9.2. Наноматериалы..............................................................................
9.3. Оптические метаматериалы.........................................................
9.4. Методы формирования наноструктур.........................................
9.4.1. Молекулярно-лучевая эпитаксия........................................
9.4.2. Нанолитография...................................................................
9.4.3. Сканирующая туннельная и атомно-силовая
микроскопия.........................................................................
9.5. Применение нанотехнологий в технике......................................
10. Лазеры..................................................................................................
10.1. Спонтанное и вынужденное излучение, поглощение..............
10.2. Принцип работы лазера..............................................................
10.3. Схемы накачки.............................................................................
10.4. Свойства лазерных пучков.........................................................
10.5. Типы лазеров................................................................................
10.6. Области применения лазеров.....................................................

11. Оптические волокна............................................................................
11.1. Общие сведения...........................................................................
11.2. Типы оптических волокон..........................................................
11.3. Материалы для изготовления оптических волокон.................
11.4. Технология изготовления оптических волокон.......................
11.5. Механическая прочность оптических волокон........................
11.6. Принцип работы волоконного оптического гироскопа...........
Часть 4. Основы оптоинформатики и вычислительного
эксперимента ............................................................................................
12. Основы оптоинформатики.................................................................
12.1. Предмет и задачи информатики.................................................
12.2. История информационных технологий.....................................
12.3. Понятие об информации.............................................................
12.4. Измерение количества информации. Энтропия.......................
12.5. Архитектура компьютера...........................................................
12.6. Предельные возможности электронной
компьютерной техники...............................................................
12.7. Оптические системы обработки информации..........................
13. Основы математического моделирования
неравновесных теплофизических процессов в фотонике.....................
13.1. Роль тепло- и массообмена в фотонике....................................
13.2. Виды теплообмена. Законы молекулярного тепло-
и массообмена.............................................................................
13.3. Перенос тепла теплопроводностью...........................................
13.4. Основы вычислительного эксперимента в теплофизике.........
Заключение................................................................................................
Список литературы...................................................................................

ПРЕДИСЛОВИЕ

Развитые страны сегодня находятся в состоянии перехода от «индустриального» человеческого общества к «обществу информационному», отличительная особенность которого состоит в создании и непрерывном усовершенствовании сложных «интеллектуальных сетей» – систем быстрого, эффективного и экономичного предоставления информационных услуг массовому пользователю. Увеличение объема и скорости передачи информации в высокопроизводительных интеллектуальных сетях требует разработки соответствующих технических средств, среди которых оптика и оптические методы передачи сигналов играют важнейшую роль.

Фотоника и оптоинформатика – это новое, стремительно развивающееся в России направление подготовки на базе оптики, математики и компьютерных технологий, это обработка и передача информации и энергии с помощью квантов электромагнитного поля – фотонов. Оптоволоконные системы с высокой скоростью передачи данных, голографические запоминающие устройства сверхбольшой емкости, многопроцессорные компьютеры с оптической межпроцессорной связью, в которых свет управляет светом, – вот далеко не полный перечень объектов фотоники и оптоинформатики. Для решения широкого класса задач в различных областях науки и техники – от физики и химии до биологии и медицины активно используются лазерные технологии. С помощью лазерного излучения производятся различные технологические операции, исследования, измерения и диагностика.

Решение задач получения искусственных материалов, кристаллов, имеющих рекордно низкие оптические потери при передаче информации и энергии, стало возможным с достижениями успехов в нанотехнологиях. Нанотехнология – ключевое понятие начала XXI века, символ новой, третьей научно-

технической революции. С позиций сегодняшнего дня целью нанотехнологий является создание наносистем, наноматериалов, наноустройств, способных оказать качественное воздействие на развитие цивилизации. Первая часть сложного слова нановообще означает одну миллиардную (10–9 ) чего-либо. Нанотехнология – совокупность методов изготовления и обработки изделий, имеющих протяженность 1–100 нм (хотя бы

в одном измерении). Нанометровый диапазон измерений размеров открывает новые свойства и подходы к изучению вещества. В этом диапазоне меняются многие физические и химические свойства и нигде так близко не сходятся физика, химия и биология. Напомним, что 1 нм = 10–9 м = 10–3 мкм = 10 Å. Атом имеет размер порядка 0,1 нм, неорганические молекулы ~1 нм, вирусы – от 10 до 500 нм; бактерии ~1000 нм. Десятичные кратные и дольные приставки и множители в международной системе единиц представлены в таблице.

Широкое применение в различных областях современной техники находят различные волноводные структуры. Уже сегодня волоконно-оптические технологии определяют уровень развития таких важных сфер государственной деятельности, как экономика, образование и безопасность.

Оптимизация технологических процессов получения оптических волокон, лазерной обработки материалов предполагает наряду с экспериментальными исследованиями и применение методов математического моделирования.

Целью курса «Фотоника и оптоинформатика. Введение

в специальность» является ознакомление студентов с современной системой высшего технического образования, его основными задачами, организационными и методическими особенностями обучения в вузе, с документами, которые регламентируют учебу студентов, а также фундаментальными, общетехническими и профессиональными основами выбранной специальности, спецификой будущей работы выпускника, перспективами его трудоустройства.

		Обозначение	Десятичная	Обыкновенная запись
			10 –24
				0,000000000000000000000001
			10 –21	0,000000000000000000001
			10 –18	0,000000000000000001
			10 –15	0,000000000000001
			10 –12
			10–9
			10–6
			10–3
			10–2
			10–1
			1012
			1015	1000000000000000
			1018
				1000000000000000000
			1021	1000000000000000000000
			1024	1000000000000000000000000

Пособие состоит из четырех частей. Первая часть посвящена фундаментальному и гуманитарному аспектам бакалаврской подготовки, без которых невозможно сформировать широкообразованного, системно мыслящего, ориентированного на многоаспектную творческую деятельность специалиста, способного с максимальной эффективностью продолжить углубленное образование ввыбранном направлении. Такой подход соответствует национальной доктрине образования в Российской Федерации и макропеременам в современном высшем образовании, связанным с переходом кэкономике, основанной на знаниях.

Во второй части пособия рассматриваются научные основы фотоники с элементами квантовой физики, оптики, обсуждается и дополняется информация, полученная студентами в кур-

сах физики и химии средней школы и позволяющая осмыслить эти основы.

Третья часть посвящена научным и нанотехнологическим аспектам фотоники, путям и перспективам ее развития. Показано, что нанотехнологии – это одно из наиболее быстро развивающихся направлений получения оптических материалов. В свою очередь, достижения нанотехнологий обязаны применению устройств и систем, в которых генерируются, усиливаются, модулируются, распространяются и детектируются оптические сигналы.

Основы оптоинформатики – технической науки, занимающейся проблемами передачи, хранения и обработки информации, рассмотрены в четвертой части. Показано, что волновая и корпускулярная природа света обуславливает многочисленные преимущества фотона как носителя информации перед электроном в современных компьютерах. На примере теплофизических задач в фотонике рассмотрены основы вычислительного эксперимента.

Учебное пособие предназначено для студентов первого курса бакалаврской подготовки по направлению «Фотоника и оптоинформатика» в Пермском национальном исследовательском политехническом университете.

ЧАСТЬ 1. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

1. О СОБЕННОСТИ ВЫСШЕГО ТЕХНИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ

1.1. Современная система высшего образования и его цели

Система высшего образования страны включает около 1000 высших учебных заведений, из них более 500 – государственные. По статусу вузы делятся на классические университеты, технические университеты, академии и институты. По профилю – на многопрофильные и узкопрофильные, например сельскохозяйственные, медицинские и т.д. Мощную и дорогостоящую систему образования страна содержать бы не стала, если бы эта система не обеспечивала решение важнейших государственных задач, а именно:

– повышение безопасности страны (в самом широком смысле);

– подготовкаспециалистовдлявсехнаправленийэкономики;

– повышение интеллектуального уровня населения. Безопасность любой страны обеспечивается в основном

уровнем образованности населения. Так было во все времена; особенно это важно в условиях ускоренного развития наукоемких производств, наукоемких видов техники и вооружения. Великий китайский мыслитель Конфуций около 2500 лет назад назвал образованность населения одним из условий преуспевания государства. Правительство США неизменно обосновывает все мероприятия по развитию и улучшению системы образования интересами безопасности страны. В последних документах правительства Российской

Описание

Данное направление требует четырехлетнего обучения на дневном отделении для получения диплома бакалавра. Этого времени будет достаточно для того, чтобы освоить:

• аналитические методы и способы решения задач выбранного направления;
• математическое моделирование, применяемое при изучении объектных свойств и разработке порядка действий;
• компьютерное макетирование фотонных и оптоинформационных объектов, необходимое, чтобы изучить и оптимизировать параметры, используя для этого передовые технологии тестирования и конструирования;
• создание обособленных программных блоков, проведение их регулировки и настройки;
• изучение объектов, используя для этого установленную методику и обработку окончательных достижений;
• тестирование новых материалов, явлений, устройств и систем;
• наладку и регулирование работы агрегатов, приборов и систем фотоники и оптоинформатики для проведения научных экспериментов;
• расчеты показателей количественных затрат оптических заготовок, материалов и инструментов;
• выбор стандартной аппаратуры, приборов и предварительное вычисление экономической эффективности на технологических процессах;
• применения контрольных методик качества изготавливаемых изделий;
• обеспечение соблюдения безопасности в сфере экологии при выполнении технических процессов;
• планирование, координирование и организацию трудового распорядка в производственных подразделениях.

Кем работать

Бакалавры смогут работать научными сотрудниками, инженерами-конструкторами или программистами. Выгодные перспективы развития имеют позиции специалистов по фотонике и оптоинформатике. Нередко и технологи на различных предприятиях имеют подобную квалификацию. В настоящее время большой спрос на эту специальность обеспечивают организации телекоммуникаций и связи. Без выпускников не обходится и производство лазерной техники, фотонных устройств и волоконной оптики. Многие бывшие студенты стремятся попасть на работу в научные центры, опыт работы в которых позволит в дальнейшем претендовать на более высокие должности и позиции в зарубежных организациях.

Направление: «Фотоника и оптоинформатика» (12.03.03)

В Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А.Бонч-Бруевича (СПбГУТ) на факультете Многоканальных телекоммуникационных систем с 2012/2013 учебного года осуществляется обучение по перспективному направлению подготовки бакалавров «Фотоника и оптоинформатика». Для того чтобы понять, что это за направление и кем работают в дальнейшем выпускники, необходимо понять значение терминов, входящих в название данного направления.

Что такое «фотоника»?

Фотоника - область науки и техники, связанная с использованием светового излучения (или потока фотонов) в оптических элементах, устройствах и системах, в которых генерируются, преобразуются и распространяются оптические сигналы. Все перспективные информационные технологии основываются сегодня на принципах фотоники. Это означает, что фотоника имеет широкое поле для своего применения: от преобразования оптических сигналов и передачи информации через оптические волокна до создания новых сенсоров, которые регистрируют световые потоки в соответствии с малейшими изменениями окружающей среды. Специалисты этого направления занимаются разработкой оптических телекоммуникационных систем, оптических голографических запоминающих устройств, оптических компьютеров и фотонных кристаллов.

Что такое «оптоинформатика»?

Оптоинформатика - область фотоники, в которой создаются новые технологии передачи, приёма, обработки, хранения и отображения информации на основе фотонов. По существу, без оптоинформатики немыслим современный Интернет. Объектами изучения оптоинформатики являются материалы, устройства, методы и технологии, предназначенные для обработки, отображения и хранения информации на основе главных материальных носителей - фотонов.

Фотоника и оптоинформатика в СПбГУТ

Изучение фотоники и оптоинформатики в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А.Бонч-Бруевича открывает перед студентами широкие перспективы и возможности как в обучении, так и в дальнейшем трудоустройстве.

Фотоника и оптоинформатика находятся в постоянном развитии и все больше проникает в отрасль связи и телекоммуникаций. Быстрое внедрение волоконно-оптических систем связи требует совершенствования производства полупроводниковых лазеров, оптических усилителей и модуляторов, приемников излучения и устройств коммутации, а также появления оптических средств обработки и хранения информации, качественно новых датчиков физических величин и прецизионных методов измерений. В связи с этим постоянно увеличивается спрос на специалистов в области высоких технологий, в частности, в области фотоники и оптоинформатики, волоконной и интегральной оптики, телекоммуникаций, оптических систем безопасности, способных участвовать в проведении научных исследований. Обучающиеся по данному направлению востребованы в высокотехнологичных отраслях лазерной техники, волоконной оптики, фотонных устройств, нанотехнологий и квантовых вычислений.

Бакалавров по направлению «Фотоника и оптоинформатика» (12.03.03) выпускает кафедра Линий связи (ЛС) факультета многоканальных телекоммуникационных систем СПбГУТ.

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.

Условия поступления

Основная задача курса - не просто передать студенту солидный багаж знаний, но и научить его аналитическому мышлению . Эта специальность предполагает любовь к точным наукам, которую придется проявить еще на этапе поступления в вузы Москвы. Какие предметы сдают будущие студенты:

• профильная математика;
• русский язык;
• информатика и ИКТ.

Будущая профессия

Выпускнику бакалавриата предстоит связать свою жизнь с фотонами. Они используются в увлекательном труде над новейшими разработками и усовершенствовании существующих инструментов: материалов, технологий, аппаратуры. С их помощью можно передавать и принимать, хранить и обрабатывать информацию. Это могут быть такие конкретные задачи, как минитюаризация оптического устройства и его интеграция. Специалисты работают над изобретением новых материалов и систем. Они умеют мыслить широко и, по сути, идти впереди планеты, предлагая уникальные продукты будущего: системы искусственного интеллекта, оптические компьютеры.

Куда поступать

Для освоения такой востребованной и перспективной профессии можно подавать документы в следующие вузы:

Срок обучения

Окончив 11 классов, можно поступать на очное отделение, чтобы пройти обучение за четыре года. Также направление можно освоить, выбрав заочную, смешанную либо вечернюю форму. Тогда предстоит учиться пять лет.

Дисциплины, входящие в курс обучения

Будущий бакалавр познакомится с такими предметами в процессе обучения:

• основы фотоники и оптоинформатики;
• оптическая физика и материаловедение;
• физика твердого тела;
• электроника, электротехника и микропроцессоры и техника на их основе;
• нанотехнологии и материалы;
• волновая фотоника и нелинейная оптика;
• компьютерная и инженерная графика;
• прикладная голография;
• программирование.

Приобретаемые навыки

Молодой специалист будет компетентен в следующих вопросах:

• нанотехнологии и материалы, фотоника и оптоинформатика: разработка новинок;
• создание лазеров, лазерных и построение информационных оптических систем;
• квантовые, оптические технологии, искусственный интеллект и разноплановая работа с такими понятиями и инструментами;
• расчетные, конструкторские, измерительные работы и тестирования в сфере оптоинформатики и фотоники;
• экспериментальные исследования.

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.

Преимущества обучения в магистратуре

Чтобы претендовать на достойную зарплату и проявить собственные таланты в этой перспективной сфере, стоит освоить магистерскую программу. Она предполагает более глубокое погружение в специальные дисциплины и наработку практического опыта.

В процессе обучения студент занимается тестированиями, производит устройства, анализирует их работу и контролирует качество. Он экспериментирует над объектами с тем, чтобы улучшить показатели. Обязательно изучаются все современные наработки не только отечественной науки, но и мирового опыта. Также в процессе обучения студент работает с документацией, изучает юриспруденцию в сфере патентного законодательства и интеллектуальной собственности.