Устройства на основе фотоники со временем почти полностью заменят привычную нам электронику, уверены ученые. Беспроводная связь со скоростью десятки терабит в секунду, обработка данных со скоростью десятки гигабит в секунду, голограммы, создающие объемные изображения "в воздухе" – таковы лишь самые ближайшие цели современной фотоники. О передовых российских разработках, ускоряющих развитие этой области, РИА Новости рассказали ученые Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ" (НИЯУ МИФИ).

Фотоника – направление науки и техники, работающее с процессами испускания света, его регистрации и изменением его свойств. Техника на основе фотоники – это не только привычные оптическая связь и лазерные диски, но и множество других перспективных устройств. 21 век – век фотоники, уверены ученые Лаборатории фотоники и оптической обработки информации кафедры лазерной физики Института лазерных и плазменных технологий (ЛаПлаз) НИЯУ МИФИ.

По их словам, в перспективе 10-20 лет фотоника обеспечит и революцию в развитии старых технических систем, и появление принципиально новых. В первую очередь появятся общедоступная цифровая связь со скоростью терабиты в секунду, системы обработки данных с пропускной способностью на уровне десятков гигабит в секунду, а также гигапиксельные дисплеи – как двумерные, так и трехмерные, голографические.

Ключевые преимущества фотонной техники в информативных свойствах света. Как объяснили ученые НИЯУ МИФИ, оптические сигналы обладают в тысячи раз большей собственной частотой колебаний, чем радиосигналы, а, значит, их параметры можно менять намного быстрее. Благодаря этому диапазон частот, передаваемых световым сигналом, чрезвычайно широк – через один оптический канал можно передать, например, разом сигнал всех радиодиапазонов.

"При передаче света можно формировать двух- и трехмерные пространственные распределения, представляющие данные, тогда как электрический сигнал, идущий по проводнику, – одномерный. За счет этого фотонные системы, при прочих равных, могут обладать на несколько порядков большими быстродействием и энергоэффективностью, чем их электронные предшественники, используемые нами сегодня", – сообщил профессор НИЯУ МИФИ Ростислав Стариков.

Голографическое видео – реальность завтрашнего дня

Уже сейчас технологии формирования светового сигнала позволяют записывать и воспроизводить голографического видео. Однако, по словам ученых НИЯУ МИФИ, такие системы пока весьма недешевы и несовершенны, и для их массового внедрения необходимо решить ряд проблем. В частности, есть сложности с быстрым воспроизведением голограмм, а также с их передачей по существующим сетям цифровой связи.

Интеллектуальные методы передачи и быстрого воспроизведения трехмерного видео с цифровых голограмм разрабатываются на кафедре лазерной физики НИЯУ МИФИ при поддержке РНФ, проект №20-79-00291. Работы в этой области, уверены ученые, сделают коммерческие голографические системы трехмерного видео привычными уже к середине 2030-х годов.

"Мы предложили и успешно опробовали новый метод двоичного представления цифровых голограмм, позволяющий перекодировать их в более подходящем для передачи виде, а также новые методы их сжатия, почти на порядок превосходящие аналоги и обеспечивающие при этом приемлемый уровень потерь качества итоговых изображений", – отметил руководитель исследований на этом направлении, молодой специалист, доцент НИЯУ МИФИ, Павел Черемхин.

Другим перспективным направлением является микроволновая фотоника, или радиофотоника, исследующая возможности передачи и обработки радиосигналов с помощью света. Такие системы далеко обходят обычные радиосистемы по помехозащищенности, шумовым и массогабаритным характеристикам, а главное – имеют чрезвычайно широкую полосу сигналов, свыше 100 гигагерц.

Существующие экспериментальные образцы радиофотонных систем демонстрируют скорость обработки сигналов, недостижимую для обычных электронных средств. Например, аналого-цифровые преобразования они выполняют в тысячу раз быстрее существующей электроники.

Сейчас и в мире, и в России, широко внедряются фотонные линии передачи радиосигналов, обладающие огромной информационной емкостью, сообщили ученые НИЯУ МИФИ. В перспективе неизбежно появление устройств, в которых свет используется и для обработки радиосигналов – фотонных радаров, а в дальнейшем – и активной фазированной антенной решетки (АФАР) на основе фотоники, которая позволит на большом удалении с высокой точностью отслеживать цели любого типа.

На кафедре лазерной физики НИЯУ МИФИ под руководством профессора Старикова успешно проводятся теоретические и экспериментальные исследования в области аналого-цифровых систем микроволновой фотоники. В частности, недавно специалисты Лаборатории оптической обработки информации кафедры создали фотонную систему для аналого-цифровой обработки радиосигналов сантиметрового диапазона.

На базе этого прибора специалисты НИЯУ МИФИ совместно с учеными других российских организаций создали первую в России и одну из первых в мире радиотехнических систем с элементами микроволновой фотоники, уже успешно прошедшую полевые испытания. Как объяснили ученые, подобные устройства намного легче и энергоэффективнее электронных аналогов.

В перспективе оптико-цифровые системы, использующие параллельную обработку пространственных оптических сигналов, смогут обеспечить скорость работы с данными вплоть до 100 гигабит в секунду – например, при распознавании изображений или кодировании информации. Исследования в области обработки двумерных оптических сигналов, проводимые в НИЯУ МИФИ, сосредоточены на создании дифракционных и голографических систем, использующих когерентное лазерное и некогерентное излучение.

"Наш коллектив успешно разрабатывает методы высокоскоростного и высокоточного формирования заданных информативных световых распределений, которые позволят представлять огромные массивы информации практически без ошибок и потерь", – сообщил Ростислав Стариков.

В частности, в настоящее время на кафедре лазерной физики НИЯУ МИФИ под руководством профессора Николая Евтихиева в рамках проекта РНФ №19-19-00498 разрабатывается оптико-цифровая дифракционная система нового типа, предназначенная для кодирования информации. Уже создана и протестирована система кодирования двоичных данных, по словам создателей, обеспечивающая скорость работы на уровне десятков гигабит в секунду.

Другие исследования специалистов кафедры направлены на создание высокоскоростных интеллектуальных систем распознавания визуальных образов. По словам ученых, на данный момент, экспериментально показаны возможности распознавания мегапиксельных изображений со скоростью свыше десяти тысяч кадров в секунду, что в сотни раз превышает потенциальные возможности электронных аналогов.