Каждая эпоха характеризуется бурным развитием какой-то технологии. В XVIII в. это был пар, потом двигатели внутреннего сгорания, электричество. Уже в наше время, то есть в конце XX – начале XXI века бурно развивалась вычислительная техника и оптоволоконные линии связи, как ее составные части. Текущее десятилетие отмечено бурным развитием фотоники. Что это и какие задачи перед ней стоят? Попробуем разобраться.
Предмет и рынки
Прежде всего, необходимо объяснить, что такое фотоника. Как следует из названия, это научная дисциплина и технология, занимающаяся фундаментальными и прикладными аспектами работы с оптическими сигналами, а также созданием на их базе устройств различного назначения. Многие из этих устройств, такие как разного рода трансиверы, межчиповые оптические интерконнекторы и оптические контроллеры уже активно и успешно применяются.
Функционал этих девайсов сводится к одному – существенному повышению скорости передачи данных. Уже сейчас при использование оптических решений скорость может составлять 100 ГБ/с на канал, а в ближайшем будущем планируется довести ее до 1 ТБ/с. Далее технологии должны позволить передавать уже терабайты данных в секунду на один канал.
Если представлять на уровне рядового пользователя, то фотоника по сути является аналогом электроники, только вместо электронов тут кванты электромагнитного поля – фотоны. В самом общем виде фотоника изучает генерацию, управление и детектирование фотонов в видимом и ближнем к нему спектре, а также осуществляет контроль и преобразование оптических сигналов от передачи информации через оптические волокна до создания новых сенсоров, которые модулируют световые сигналы в соответствии с малейшими изменениями окружающей среды.
Вот только есть одно «но». Дело в том, что при использовании традиционных методов передачи сигнала, на него можно воздействовать, изменять, оптические технологии не позволяют этого. Какой фотон вылетел из передатчика, точно такой же оказался в приемнике.
Несмотря на это ограничение, фотоника охватывает широкий спектр оптических, электрооптических и оптоэлектрических устройств и их разнообразных применений, например, высокоскоростной Интернет. Коренные области исследований фотоники включают волоконную и интегральную оптику, в том числе нелинейную оптику, физику и технологию полупроводниковых соединений, и высокоскоростные электронные устройства и т.д.
Уже сейчас индустрия фотоники представляет собой совокупность различных рынков, так или иначе использующих фотонные технологии. Эти рынки делятся на «базовые», которые непосредственно связаны с фотонными компонентами, такие как информационные технологии, энергетика, и «вертикальные» - биофотоника, освещение и прочие.
В 2017 г. совокупный объем рынка фотоники составил 724 млрд. долл и с тех пор демонстрирует уверенный рост. Средний темп роста продаж продукции фотоники на мировом рынке в последние 10 лет — 7% в год, в Китае — 20%.
Цели и задачи
Но какие задачи ставятся перед фотоникой в рамках функционирования этих рынков? Во-первых, это создание «информационного поля» над земной поверхностью, в зоне человеческой активности. С помощью него доступ к сети будет возможен из любой точки планеты. В результате будут решены проблемы, как научного порядка (исследование поверхности и атмосферы Земли), так и чисто практического, как, например, управления движением всех видов транспортных средств, прогнозирования погоды (в том числе для защиты от стихийных бедствий и минимизации их последствий), а также безопасности.
Во-вторых, оптические решения можно применять при создании систем обработки биологических данных, включая информацию о геномных (протеомных) процессах, нейронной активности мозга и т.д. Все это необходимо как для внедрения в медицинскую практику, так и для перспективных технологий, например, для достижения физического бессмертия или, по крайней мере, существенного увеличение продолжительности человеческой жизни.
Именно в эту отрасль прямо и косвенно сейчас инвестируются огромные средства. Но для решения подобных задач нужно оперировать просто гигантским объем данных, часто в режиме реального времени, без оптических технологий тут не обойтись.
В-третьих, фотоника поможет сменить парадигму материального производства, обеспечив получение первых технологических возможностей для высокого уровня кастомизации сложных технических продуктов и децентрализации производства.
В-четвертых, для социальной инженерии. Фотоника может применяться для моделирования цивилизационных кризисов и учета психологических, экономических, технологических факторов при анализе происходящих макропроцессов в человеческом обществе.
В ряде случаев по каждому из указанных аспектов уже существуют обширные теоретические разработки, практическая реализация которых тормозиться из-за того, что системы обработки данных достигли своего потолка.
Роль России в развитии фотоники
Развитие фотоники, как отдельной отрасли в России, может оказаться крайне важным фактором стимулирования экономики (точнее сферы высоких технологий), который хоть и не станет «локомотивом», но способен оказать благотворное влияние. Дело в том, что в силу известных причин наша страна практически пропустила этап развития современной вычислительной техники. Отдельные системы, выпускаемые для специальных целей, также требуют импортных комплектующих, и явно неконкурентоспособны за пределами чисто военных контрактов.
В области фотоники у России сейчас есть шанс опираясь, как на собственный научный потенциал, так и на международное сотрудничество, войти в новую технологическую кооперацию. Уже сейчас в России сосредоточено нескольких ключевых технологий для создания на их основе соответствующих центров компетенций.
И даже несмотря на то, что в настоящий момент показатели отечественного рынка фотоники не так впечатляют, как западные или восточные, однако при наличии определенных усилий, государственной поддержки, в том числе и через создание специальных кластеров, как это уже сделано на базе ОЭЗ «Технополис Москва», ситуация может изменится.
На базе ОЭЗ создан целый кластер фотоники, который объединяет множество компаний, ведущих самые передовые исследования в этой отрасли.
«Московский кластер фотоники является основной базой развития фотонных технологий в городе, обеспечивающих технологический суверенитет страны в этой области. Он поддерживает работу по переносу научных разработок в производство. Сегодня в кластер входят 40 участников, около половины из которых являются резидентами особой экономической зоны столицы», –рассказал руководитель Департамента инвестиционной и промышленной политики Владислав Овчинский.
Компаниями, входящими в кластер накоплен значительный опыт в проектировании элементов фотоники. В настоящее время осваивается производство мультиплексоров, модуляторов делителей, интерферометров и резонаторов. Получены первые образцы кристаллов отечественного оптического волноводного AWG мультиплексора, который обеспечивает прохождение сигнала в телефонных, а также локальных компьютерных сетях и сетях передачи данных.
И, таким образом, Россия, пропустив гонку «силиконовую» вполне способна принять активное участие в следующей гонке – оптической. И кто знает, может быть даже получить призовые места.
#ОЭЗ #ТехнополисМосква #особаяэкономическаязона #фотоника