В Перми создадут первое российское программное обеспечение для ускорения разработки оптических чипов
Команда ПГНИУ при поддержке Центра компетенций НТИ Фотоника разработает первое в России программное обеспечение для проектирования и моделирования фотонных интегральных схем (ФИС). Софт под названием Difra lab позволит ускорить процесс разработки ФИС, а также предоставит доступ к технологиям интегральной фотоники разработчикам телекоммуникационных и медицинских систем, приборов контроля инженерных объектов и окружающей среды.
Аналогов программного обеспечения Difra lab в России нет. Компании, которые занимаются разработкой и созданием фотонных интегральных схем, используют зарубежный софт. Появление российского программного обеспечения повысит независимость отечественных производителей и укрепит технологический суверенитет страны.
«Фотонные интегральные схемы используются в устройствах, окружающих нас в повседневной жизни. Это высокоскоростной интернет, томографы, системы контроля окружающей среды и инженерных объектов, список можно продолжать долго. Важно, что сокращение времени и упрощение процесса разработки ФИС сделает эти технологии и новые типы техники на их основе доступнее каждому жителю России», – рассказывает руководитель проекта Difra lab Борис Лихачев.
ЧТО ТАКОЕ ФОТОНИКА | Кремниевая фотоника — замена электроники?
Американская компания вживит работникам чипы для передачи данных
Имплантируемые микрочипы смогут заменить офисные карточки-ключи.
naked-science.ru
Разработчиками создан прототип программы, который уже способен проектировать виртуальные модели фотонных интегральных схем. Сейчас ПО работает так: пользователь определяет оптический материал, на котором будет создаваться ФИС, пошагово рассчитывает параметры отдельных элементов, затем «собирает» из этих элементов полнофункциональную оптическую систему на кристалле.
Такой процесс разработки ФИС может занимать от одной недели до шести месяцев, а не два года. В дальнейшем пользователю будет предоставлена возможность сборки системы на кристалле из уже созданных библиотек данных, а время разработки ФИС сократится до 1-3 дней.
Результат работы ПО Difra lab — набор топологических рисунков, которые затем используются производителем чипа ФИС в процессе его изготовления. Это позволяет заводам изготовителям автоматизировать процесс производства своих продуктов. Например, пользователям не придется проводить циклы расчетов, сравнения полученного результата с целевым, а программное обеспечение позволит осуществлять подбор геометрии, топологии, под целевые параметры пользователя.
«Difra lab поддерживает работу со всеми используемыми в данный момент оптическими материалами и элементами. Это позволяет изготавливать оптические чипы большому количеству компаний с различными технологиями производства. Моделирование отдельных оптических элементов ФИС и всей схемы позволит не только предсказать ее характеристики, но и определить пути их улучшения.
Фотоника — 2022
Для этого в ПО встроены технологии машинного обучения. За счет чего пользователь получает возможность разработать новое устройство, превосходящее аналоги, работающие на основе других физических принципах», – продолжил Борис Лихачев. Проект Пермских ученых стал победителем конкурса Фонда содействия инновациям Старт-1 (Архипелаг-2121). Итоговый вариант ПО появится до конца 2022 года.
Источник: naked-science.ru
Введение в фотонику
Физик Ильдар Габитов об использовании света для передачи информации, квантовых технологиях и курсах по фотонике
Фотоника — это область науки и техники, которая работает со световыми потоками, потоками фотонов. Фотоны — это частички света, кванты света. Фотоника в настоящее время — это наиболее бурно развивающаяся область науки и техники.
Примерно 35 % всей продукции в мире, которая производится, производится с применением фотонных технологий. Ведущие научные центры занимаются развитием фотонных технологий, и это стало возможным благодаря развитию новых методов, которые позволяют изготавливать устройства очень маленьких размеров. Успехи в фотонике возникли в основном благодаря успехам в области миниатюризации и в области новых материалов.
В последнее время благодаря успехам в области фотоники произошло несколько революций. Например, изобретение оптического волокна привело к революции в области информационных технологий. Ранее информация передавалась по электрическим кабелям, и в середине прошлого века эта технология достигла своего предела.
Дальнейшее увеличение скорости передачи информации с использованием электрических принципов, с использованием электронов стало невозможным. Поэтому потребовались какие-то новые принципы, и было изобретено оптическое волокно. Использование света для передачи информации, а точнее, оптических импульсов позволило фантастическим образом увеличивать объемы передаваемой информации.
Нанофотоника
То, что мы сейчас имеем интернет, мобильные телефоны, все информационное пространство, кардинальным образом изменившее нашу жизнь, ― все это произошло благодаря оптическому волокну. Когда мы разговариваем по мобильному телефону, на самом деле сигнал доходит до приемно-передающей станции, а дальше он выпускается или принимается из оптического волокна. Оптическое волокно и оптические технологии сейчас широко используются в медицине, навигации, технологии, для сварки. Трудно перечислить все полезные применения оптических технологий, которые используются сейчас повсеместно.
Фотон — это квант света, поэтому фотонные технологии — это частный пример квантовых технологий. Наш центр и программа «Фотоника и квантовые материалы» включают в себя довольно широкий спектр предметов, посвященных фотонике. Это традиционные предметы: основы фотоники, нелинейная оптика, спектроскопия, технологические применения фотоники, квантовая оптика (фотоника).
Важно помнить, что фотоны — это кванты света, это часть квантового мира, часть квантовой механики. Поэтому программа включает то, что относится к квантовой механике и квантовым материалам. Важным элементом квантовой оптики является лазерная физика. Недавно возник новый предмет, который также входит в нашу программу, ― это нанооптика.
Важной темой исследований и технологических разработок являются квантовые технологии. Мотивации этих исследований две. Первая связана с тем, что происходит миниатюризация электронных устройств, а поскольку происходит миниатюризация электронных устройств, становится важным учитывать квантовые эффекты малых размеров.
Вторая мотивация связана с тем, что развитие технологии само по себе позволяет использовать удивительные свойства квантового мира ― использовать их для самого широкого спектра различных приложений. Прошлый век с технологической точки зрения был веком электроники. Вторая половина прошлого века была временем не просто электроники, а это был век квантовой электроники. Имеется в виду, что вначале электроника была дискретной, то есть электронные устройства представляли собой лампы, конденсаторы, различные индуктивности, которые собирались в единые электрические цепи, и мы имели телевизоры и радиоприемники. Постепенно возникли транзисторы, они превратились в микросхемы, и в конце концов появились микропроцессоры высокой степени интеграции.
Микропроцессоры высокой степени интеграции содержат громадное количество элементов. Современные процессоры, которые находятся в каждом компьютере или телефоне, содержат огромное количество транзисторов и отличаются исключительно высокой степенью надежности.
Но если бы мы попытались сделать устройство такого типа сложности из дискретных элементов, то такое устройство работать в принципе не смогло бы. Оно бесконечно перегорало бы и просто не могло бы функционировать: во-первых, лампы не могут так долго работать, а во-вторых, они потребляли бы огромное количество энергии, возникали бы проблемы с теплоотводом. Здесь очень хорошо работает философский закон, который каждый хорошо знает со школьной скамьи, — переход количества в качество. В этом случае высокая степень интеграции привела к очень широким функциональным возможностям, которые 15–20 лет назад невозможно было себе представить, ― я говорю о компьютерах и гаджетах, которые мы теперь носим в карманах.
«Задача квантовых технологий — научиться управлять светом при помощи света»
Что же произошло на рубеже веков, нынешнего и прошлого? Дальнейшая миниатюризация, а следует отметить, что на сегодняшний день современные технологии составляют 15 нанометров. Что такое нанометр? Нанометр — это 10-9 метра. Это один метр нужно поделить на величину, у которой единичка, а за ней следует 9 нулей — одна миллиардная от метра.
Очень маленькая величина и 15 нанометров — это очень мало. Следует выделение тепла. Несмотря на то что каждый транзистор выделяет небольшое количество тепла, их так много в единице объема, что общее выделение тепла становится заметным, и сейчас нет материалов, которые позволяют удалять это тепло. Кроме того, транзисторы нужно соединять проводами, и проводов становится так много, что паразитные индуктивности, емкости, сопротивления начинают ограничивать тактовую частоту и производительность процессоров, что мы и наблюдаем в последнее время: тактовая частота процессоров не растет.
Кроме того, возникает следующая проблема: число электронов, которые участвуют в единице логической операции, приближается к единице. То есть дальше наступает физическое ограничение. Мы же не можем изготавливать устройства, в которых половина или четверть электрона участвует в одной логической операции. Это бессмыслица.
Какой выход из этой ситуации? Люди пытаются вместо электронов использовать фотоны, тем более что есть замечательный пример, когда вместо электронов использовали оптические импульсы для передачи информации. Что пытаются делать люди сейчас — использовать фотоны не только для передачи, но и для обработки информации.
Но на этом пути есть огромные проблемы: электрон имеет заряд, поэтому электроном можно управлять электрическим или магнитным полем, а фотон нейтрален. Кроме того, электрон очень маленький (я уже упоминал, что технологические размеры у Samsung или Apple сейчас 10-15 ), а фотон большой. Длина волны, которая используется в современной телекоммуникации, ― 1500 нанометров.
Это очень много по сравнению с 15 нанометрами. То есть фотон нельзя поместить в такой маленький размер. Поэтому что сейчас пытаются сделать — это гибридные технологии: совместить электронику и фотонику. Но на этом пути огромные проблемы, потому что технологии несовместимы. К сожалению, фотонные технологии, во-первых, трудно печатать, во-вторых, их нет, и это огромная проблема на сегодняшний день.
Поэтому, во-первых, у нас в Сколково ведутся исследования в этой области. Во-вторых, мы ведем преподавательскую работу и вводим курсы по электронике, фотонике и гибридизации. В частности, у нас имеются курсы по новым квантовым материалам ― это графены, углеродные нанотрубки, различные эффекты, которые в твердых телах, в частности в полупроводниках, возникают, связанные с электроникой. Это основы квантовой электроники, явления сверхпроводимости и многое другое, что связано с квантовой механикой, с современными материалами, в частности с метаматериалами и плазмониками, включая различные квантовые эффекты. И курсы, которые включают в себя современные методы, направленные на гибридизацию фотоники и электроники.
Ильдар Габитов
кандидат физико-математических наук, профессор, директор центра фотоники и квантовых материалов Сколковского института науки и технологий, профессор факультета математики University of Arizona, ведущий научный сотрудник Институт теоретической физики им. Л. Д. Ландау РАН
Источник: sk.ru
Введение в фотонику
Физик Ильдар Габитов об использовании света для передачи информации, квантовых технологиях и курсах по фотонике
Написать нам
Над материалом работали
Ильдар Габитов
кандидат физико-математических наук, профессор, директор центра фотоники и квантовых материалов Сколковского института науки и технологий, профессор факультета математики University of Arizona, ведущий научный сотрудник Институт теоретической физики им. Л. Д. Ландау РАН
Источник: postnauka.ru
Наука о свете: чем занимаются специалисты в области фотоники
Хотите разработать суперсовременный микроскоп, вырастить нанокристалл, который лечит от рака, или основать свою высокотехнологичную компанию? Тогда вам стоит заинтересоваться наукой о свете и том, как управлять им — фотоникой. Специально для вас мы поговорили с тремя учеными из Университета ИТМО, которые посвятили этой науке жизнь.
Анастасия Шартогашева
Во-первых, мы выяснили, какие задачи стоят сегодня перед физиками и инженерами — что надо изобрести, понять и открыть; об этом читайте в блоках «Над чем работаем». Во-вторых, учёные рассказали нам о том, как складывались их судьбы и карьеры; об учебе за границей и работой в международных проектах с участием российских вузов, о том, ждёт ли специалистов по фотонике рынок; обо всем этом читайте под заголовками «Кем быть». Оказалось, что среди задач, стоящих перед нашими героями, найдутся задачи и для любителей экспериментов, и для теоретиков, и для тех, кто хочет держать в руках результаты своей работы, и даже для тех, кто мечтает не об университетской кафедре, а о бизнесе, связанном с высокими технологиями.
Над чем работаем: строим новый интернет
«Каждые 4 года в 50 раз увеличивается количество передаваемой информации, 10% всей электроэнергии, которую производит человечество, уходит на поддержку интернета и связи, и эти цифры будут только расти», — рассказывает завкафедрой световых технологий и оптоэлектроники, директор мегафакультета фотоники Университета ИТМО Владислав Бугров. По его словам, чтобы интернет рос и развивался, нужна «кровеносная система» — устройства хранения и передачи информации. Те, которыми мы пользуемся сейчас, далеко не совершенны. Их постоянно необходимо дорабатывать: уменьшать их размеры, при этом и увеличивая скорость передачи данных без потерь.
Университет ИТМО
Аспирант в научно-исследовательском центре интегральной фотоники и радиофотоники в процессе проведения СВЧ-характеристик быстродействующего фотоприемника ик-диапазона.
Начинающим молодым ученым или тем, кто сейчас только стоит перед выбором, предстоит придумать, например, как лучше всего пустить по оптоволокну радиоволны Wi-Fi, создать лазеры, испускающие не пучки фотонов, а один-единственный квант света (это позволит сэкономить электричество) а еще — защитить соединение. «Однофотонные источники — большое дело: с ними на свет появятся однофотонные сети, из которых невозможно украсть информацию так, чтобы вы об этом не узнали. Сейчас источники выпускают в сеть множество фотонов, и если кто-то подключается к вашему каналу, вы только чуть-чуть теряете в его мощности. Если же фотон, несущий сообщение, один, его пропажу нельзя не заметить; однофотонные источники на основе линейных материалов — квантовых нитей, то есть цепочек атомов — позволят построить такие сети, в которых ваше сообщение получит только адресат», — рассказывает Бугров.
Владислав Бугров, доктор физ.-мат. наук, заведующий кафедрой световых технологий и оптоэлектроники, руководитель подразделения международной лаборатории «Наноматериаловедения и наномеханики», директор мегафакультета фотоники Университета ИТМО. Автор более 80 научных статей и четырех десятков патентов; преподает, занимается исследованиями (главное направление — улучшение свойств нитридных полупроводниковых гетероструктур и приборов, созданных на их основе), несколько лет руководил заводом по производству светодиодных приборов.
Кем быть: инженером и бизнесменом
«Фотоника и оптоэлектроника — довольно молодые отрасли, и отчасти поэтому на рынке преобладают не огромные старые корпорации, а десятки маленьких и средних компаний, которые создают отдельные компоненты. Ситуация едва ли не уникальная: российский рынок практически контролируется отечественными организациями. Многие студенты и аспиранты уходят в такой бизнес, потому что это очень интересно; там вы и творите, и являетесь авторами, и даже продаете всё сами, но для этого нужно быть высококвалифицированным инженером», — рассказывает Бугров. Речь идет о рынках компонент телекоммуникационных систем и светодиодных систем, датчиков, камер наблюдения; отсутствие стандартов в этой области дает свободу для тех, кто предлагает оригинальные технологические решения.
Над чем работаем: заглядываем в клетку
В мире очень маленьких вещей все иначе, чем в мире больших, к которому мы привыкли. Фотон, который не сдвинет и песчинки здесь, в наномире может быть хоть стрелой подъемного крана, хоть катком, хоть регулировщиком движения.
Валентин Миличко занимается как раз нанофотоникой: он собирает из света и светочувствительных частиц инструменты и новые материалы, с которыми, например, можно строить сверхмощные микроскопы: без таких материалов они работать не будут. «Один из проектов, над которыми я работаю, посвящен оптически активным наночастицам — производным метал-органических каркасов, второй — диэлектрическим наночастицам для визуализации молекулярных процессов и управления ими», — рассказывает Миличко. Недавно ему и коллегам удалось показать, что кремниевые наночастицы могут быть источниками белого света.
Еще они способны вдвое-втрое увеличить частоту направленного на них излучения, что делает их отличным материалом для лазеров, а также служить крошечными термометрами. Причем работать в этом качестве наночастицы могут в диапазоне температур от абсолютного нуля до 1600К в расплавленном металле. Такие материалы находят применение от металлургии до клеточной медицины, в химической промышленности и производстве сверхточной оптики. Каждый день коллеги Валентина решают частные вопросы большой науки, число которых не собирается уменьшаться.
Валентин Миличко, выпускник ДВФУ, кандидат физ.-мат. наук. Сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов и Международного исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО. Физик-экспериментатор, автор семидесяти публикаций в зарубежных рецензируемых журналах. Раз в несколько лет берется за новые проекты. «Я не понимаю тех ученых, которые стабильно идут по одному пути, решают только одну, пусть и глобальную проблему всю свою жизнь, — говорит он, — ведь твой опыт в области, например, физики полупроводников или информатики может пригодиться тем, кто занимается, например, фотокатализом или клеточной биологией».
Кем быть: экспериментатором
Валентин утверждает, что физики-теоретики строги и суровы, а экспериментаторы (а еще биологи и химики) — в основном ребята дружелюбные и деликатные (сам Валентин предпочитает жёсткий характер теоретиков — говорит, что «в мире науки надо уметь кусаться»). Но главным в деле все-таки считает не склад характера, а творческий потенциал. «Нашу работу невозможно расписать по шагам, стандартизировать. Сегодня ты сделал наночастицу для компактных лазеров, как требует от тебя техническое задание, а завтра, если ты сумел выйти за рамки, твоя частица поможет избавиться от раковой опухоли», — говорит молодой учёный.
Над чем работаем: предсказываем кристалл
И снова речь пойдет про очень маленькие вещи, на этот раз — о нанокристаллах. Юрий Бердников рассчитывает свойства не существующих пока ни в природе, ни в лаборатории структур из нескольких атомов (или нескольких десятков атомов). «Представьте, как ведет себя капля воды в океане — и сравните с ее поведением в тонком капилляре; о такой же разнице идет речь, когда мы говорим о нанокристаллах и кристаллах привычных масштабов, крупинках соли или алмазах», — объясняет Бердников. Когда длина грани кристалла сравнима с длиной волны видимого света, кристаллы обретают очень странные и часто полезные свойства, которые сильно зависят от взаимного расположения атомов в кристалле и его геометрии; они ложатся в основу очень маленьких полупроводниковых приборов — транзисторов светодиодов, лазеров.
Университет ИТМО
Сотрудники факультета лазерной и световой инженерии в научно-исследовательском центре интегральной фотоники и радиофотоники за разработкой волоконно-оптического усилителя.
Казалось бы, бери и выращивай кристаллы, а потом изучай свойства, но на самом деле, по словам учёного, все происходит в обратном порядке: свойства сначала рассчитывают теоретически, и только потом проверяют предсказания на готовых образцах. Работу Бердникова можно сравнить с работой конструктора самолетов, который раз за разом прогоняет модель через виртуальный тест. Строить сотни самолетов для испытаний слишком дорого и сложно, поэтому разные погодные условия, потоки ветра и даже попадающих в турбины птиц моделируют с помощью специальных программ, и только потом приступают к строительству опытных образцов. Выращивать нанокристаллы — тоже сложное и дорогое занятие; оборудование для него стоит миллионы долларов, на строительство лабораторий уходят годы, поэтому, прежде чем что-то сделать, нужно проверить все на модели. Кроме того, моделирование позволяет создавать материалы с заранее заданными свойствами, нужными спектрами поглощения и отражения, которые необходимы для конкретных компонент разных устройств — детекторов, лазеров, светодиодов транзисторов.
Юрий Бердников, кандидат физ.-мат. наук, доцент кафедры современных функциональных материалов, сотрудник Международной научной лаборатории физики эпитаксиальных (нарощенных на поверхности подложки) наноструктур Университета ИТМО. Закончил магистерскую программу Ecole Politechnique во Франции и вернулся в Россию работать над рядом международных проектов по выращиванию кристаллов. Считает, что в этом деле важнее всего задавать правильные вопросы, получать правильные ответы и уметь общаться с коллегами: «В современной науке прорывы не делаются в одиночку».
Кем быть: математиком
К «предсказанию кристаллов» Юрий шел долго: еще в школе заинтересовался точными науками и техникой, а на первых курсах понял, что любит те области физики, в которых есть место статистике и связанной с ней математике. К защите диплома стало понятно, что нужно заниматься электроникой и фотоникой. Потом была французская магистратура, где Юрий познакомился с кучей направлений науки о наноматериалах. Сейчас Юрий занимается большим международным (с участием десяти европейских вузов, в том числе Университета ИТМО) проектом по изучению свойств нанокристаллов.
В 2018 году в Университете ИТМО откроется прием на 19 очных программ магистратуры в области фотоники. Узнать о них подробнее и выбрать интересующую специальность для продолжения обучения можно здесь.
Источник: www.techinsider.ru
Фотоника Портрет
Хоть iPhone и iPad обладают встроенными средствами для быстрого редактирования фотографий, назвать их многофункциональными сложно. «Фотоника Портрет» – это небольшое приложение, которое позволит отредактировать ваши снимки в несколько тапов по экрану.
Особенности:
- изменить цвет кожи, глаз, губ, не изменяя при этом общую гамму;
- «отбелить» зубы, не увеличивая общей яркости и контраста изображения;
- убрать «жирный блеск», чтобы добиться идеального тона;
- добавить один из 30 различных фильтров, которые даже из неудачной фотографии позволят получить качественный профессиональный снимок;
- избавиться от «шума», увеличить резкость или настроить сглаживание пикселей;
- загрузить полученные фото в свою ленту новостей.
Одно из ключевых преимуществ приложения «Фотоника Портрет» – частые обновления апплета, которые открывают доступ к более интересным фильтрам и эффектам. А благодаря интегрированной панели тонкой настройки гаммы пользователь сможет и сам создавать новые спецэффекты. В последней версии программы также добавлена функция корректировки фотографий «на лету». Особенно полезной она будет любителям делать селфи.
Источник: soft-ok.net