Оптоэлектрониканың даму тарихы
Оптика – ежелгі ғылымдардың бірі. Оптикалық сәулеленуді екі үлкен тарихы бар этапқа бөлуге болады.
Бірінші этап негізінде көз арқылы басқарылатын сәулеленумен байланысты, оның көрінетін жарық қасиеті бар және классикалық оптиканың дамуына сәйкес келеді.
Табиғи жарыққа деген көзқарас танымның диалектілік сипаттамасын толықтырады. Ежелгі ұлы ойшылдар көру сәулелері көзден шығады деп ойлаған(Платон). Көзден шығатын көздік сәулелерді оқу негізінде Евклид, Птолемей және т.б. жалпақ және сфералық айналардан жарықтың шағылысу теориясын жасады және геометриялық оптиканың бастамасын тұрғызды. Ежелде көру сәулелерінің теориясына Эпикур мен Лукрецидің «слепка» фантастикалық теориясы қарама-қарсы қойылған, ол теорияда заттардан барлық бағытқа бағытталған сәулелер көзге түседі деп есептелінген. Кейін, бастапқыда Декарт, одан соң Ньтон қолдаған корпускулалық тұжырымдама пайда болды. Бұл теорияға сай, жарық өз алдына қандай да бір жарықтық сәуле траекториясымен қозғалатын ұсақ бөлшек жиынтығын көрсетеді. Бұл теорияны біртекті ортада жарықтың түзусызықты таралуы, айналардан жарықтың шағылысуы, екі ортаның шекарасында жарықтық сәуленең сынуы, сонымен қатар оның әртүрлі ортада таралуында қисық болуы секілді құбылыстар түсіндіреді. Осы уақытта (бір уақытта) Х.Гюйгенс аталған құбылыстардың жарықтық толқындар түсінігі негізінде интерпретациясын(талдап түсіндіру) ұсынды. Жарық өз алдына кеңістікте таралған толқын болып табылады. Жарық сәйлелері таза абстрактілі түсінік болып табылады және әдемі, ортогональді толқындық беттер болып анықталады. Ньютонның толқындық теорияға қарсы басты дәлелі әлемдік кеңістікте заттық ортаның(«эфир») болмауы. Периодтылықпен байланысты құбылыстар(Ньютон сақинасы) корпускулярлық теорияда бөлшектердің айналуымен түсіндірілді. Бір айналымда бөлшектер өтетін кеңістік әлдебір толқын ұзындығымен безбенделді(сопоставлялось). Ньютон полярлықты тек қатты бөлшектердің қасиеті деп санады. Ол иілу, дифракцияны жарықтық корпускулаға заттардың <<тебілу>> және <<тартылу>> әрекетімен талқылауға тырысты. XVIII ғасырда Ньютонның ізімен ғалымдардың көпшілігі корпускулярлық теорияға ығыса бастады, ал Гюйгенстің арқасында жақсы дамыған толқындық теория тек аз ғана өзінің артынан ерушілерін сақтап қалды.
Тек XVIII–XIX ғасырларда ағылшындық Т. Юнгпен интерференция және дифракция тиянақты зерттеле бастады, ал француздық О. Френель Гюйгенстің толқындық теориясы негізінде оларды толығымен теориялық түрде түсіндіріп берді. Одан өзге, Френель толқынның табиғаты туралы түсініктер жарықтың біртекті ортада түзусызықты таралуына қарама-қарсы емес екендігін көрсетіп берді. Толқындық теория XIX ғасырдың бірінші жартысында сапалық және сандық дәлдікпен жеңді. Д. Максвелл XIX ғасырдың соңына қарай,Френель толқындарына электромагнитті интерпретациясын берді және әртүрлі жарық толқындары ерекше электромагнитті ашылу екенін көрсетті. Г. Герц және А. С. Попов тәжірибелері экспериментті түрде мұны дәлелдеді.
Максвеллдің дифференциалды теңдеулер жүйесі түрінде таралған электромагнитті теориясы оптика және біздің жарық табиғаты туралы түсінігіміздің дамуындағы бірінші<<классикалық>> этабының шыңы болып табылады.
Екінші этап XX ғасырдың басындағы физика басынан кешкен революциялық түрлендірумен тығыз байланысты. Дәл жұту және шығару оптикалық спектрлерін оқу кванттық скачка және минималды жылдамдығы h болатын кванттық қозғалыс теорияларын енгізуге тура келді; Оларды 1990 жылы М.Планк қара дененің сәулелену спектрін түсіндіру үшін енгізген. Соның әсерінен [Дж*с] қозғалыс өлшеміне ие h тұрақтысы Планк тұрақтысы болып аталды. 1905 жылы Энштейн Планктың теориясы негізінде жаңа формада жарықтың корпускулярлық теориясын енгізді. Оның пайымдауынша, Е = hv энергиясының планктік кванттары реалды бөлшектер түрінде кездеседі, олар жарықтық кванттар немесе фотондар деп аталған. Осылайша, Энштейн бұрындары ашылған фотоэффектті түсіндіріп берді. Осы түсініктерді атомға қолданып, Нильс Бор 1913 жылы v сәулелену жиілігі мен Еn және Еm деңгейлер арасындағы энергиялар айырымы арасындағы қарапайым байланысты түсіндіріп берді:
Квантты электрониканың ары қарай дамуына 1917 жылғы А.Энштейннің жұмысы негіз болды, онда ол молекулалар жүйесінің термодинамикалық тепе-теңдігін қарастыру негізінде индуцирленген (индуцированное) сәулелену түсінігін енгізді. Индуцирленген (индуцированное) сәулеленуді кері жұтылуды(күшейту) бақылау үшін қолдану мүмкіндігін ең бірінші болып В.А.Фабрикант 1940 жылы көрсетті.
1954 жылы Н. Г. Басов және А. М. Прохоров нақты проект жасады, ал Ч. Таунс аммиак молекулаларына әсер ететін мазер ойлап тапты. Бұл кванттық принциптер бойынша жұмыс істейтін бірінші құрылғы, оның негізіне индуцирленген (индуцированное) сәулелену көмегімен электромагнитті тербелістерді күшейту құбылысы қойылған. Бұл жұмыс үшін кеңестік оқымыстыларға Н. Г. Басов және А. М. Прохоровқа Лениндік, кейін Нобельдік премияларды берді. Осылайша, 1954 жыл кванттық электрониканың жеке ғылым ретінде туған күні болуы мүмкін.
Радиодиапазонда(бірінші аммиакты мазер 1.25 см толқын ұзындығында жұмыс істеген) бастапқы дамыған әдістерді оптикалық диапазонда қолданған және 1960 жылы рубиндік лазерь жасалынған, ал 1961 жылы гелий және неон араласқан газ лазері пайда болды. Ғылым мен техника бірінші болып жарықтық толқындардың когерентті көзінде орын алды. Бұл бейсызық оптика, голография және т.б. жаңа ғылымдар аймағына серпіліс берді. Голография бойынша негізгі болып табылатын жұмыстар Д. Габоро және Ю. Н. Денисюкпен жасалынды.
Квантты радиофизика және квантты электрониканың дамуымен қатар, жартылайөткізгішті физика және жартылайөткізгішті электроника қарқынды дамыды. Бұл облыстағы жетістіктер эффективті шалаөткізгішті қабылдағыштар және жарық генераторларының жене де шалаөткізгішті оптоэлектрониканың негізін құрайтын құрылғылардың жасалуына алып келді. Оның дамуы осылайша болып келеді. 1873 жылы В.Смит селеннің қабаттарында ішкі фотоэффектті аша отырып, фотоөткізгіштікт және де жарықтану әсерінен кедергінің өзгеруін анықтады. Сыртқы фотоэффектті 1888 жылы А.Г.Столетов ашты. 1923 жылы О.В.Лосев электрлік токтың әсерінен карборунның(карбида кремния) кристалының жарқырауын бақылаған және де заманауи электролюминесцентті жарық көздеріне негіз болған бұл құбылысқа дұрыс анықтама берді. 1960 жылы Москвадағы АН СССР физикалық институтында шалаөткізгішті инжекциялық лазерьдің жұмыс принципі қарастырылды, ал 1962 жылы Ленинградтағы АН СССР физика-техникалық институтында эффективті рекомбинациялық сәулелену және арсенид галий кристалындағы мәжбүрлі сәулелену анықталды. Сонымен қатар, физика-техникалық институтта Ж. И. Алферов әріптестерімен бірге гетероөткелдерді алу және оларды эффективті қабылдағыштар мен жарық көздері базасында өте жақсы жұмыстар атқарды. 1968-1970 жылдары олармен бөлме температурасында үздіксіз режимде жұмыс істейтін төменөткізгішті лазерлер жасалынды. Оптикалық электрониканың дамуындағы маңызды момент эффективті оптикалық толқынжүргізгіш ретінде қолдануға мүмкіндік беретін аз шығынды(< 1 дБ/км) оптикалық талшық алу болды. Үздіксіз режимде жұмыс істейтін эффективті шалаөткізгішті лазерлерді алу және шығыны аз талшықты оптиканы жасау информацияны опто-талшықты байланыс сызықтары арқылы жіберудің жаңа жүйесінің жылдам дамуының тууына және опто-талшықты жіберу жүйесін жасалуына алып келді.
Ғылым тарихында опто-талшықты жіберу жүйесінің бес ұрпағын ерекшелеуге болады.
Брінші ұрпақты опто-талшықты жіберу жүйесі (1977–1980) толқын ұзындығы 0,8...0,9 мкм диапазонды қолданған және жылдамдығы 45 Мбит/с цифрлік ағын жасауға мүмкіндік берген.
Екінші ұрпақты опто-талшықты жіберу жүйесі (1980–1983) жұмысшы ретінде 1,31 мкм толқын ұзындығын қолданған, ал цифрлік ағынды жасау жылдамдығы 500 Мбит/с болады.
Үшінші ұрпақтың жіберу жүйесін (1983–1990) лазерлерді сәулелендіргішретінде зерттеген, олардың толқын ұзындығы 1,31 және 1,55 мкм, цифрлік ағынды жасау жылдамдығы 2 Гбит/с.
1989–1994 жылдары төртінші ұрпақты опто-талшықты жіберу жүйесі қарқынды түрде жүргізілді. Олар 1,55 мкм толқын ұзындығында жұмыс жасады, цифрлік ағынды жасау жылдамдығы 10 Гбит/с. Опто-талшықты жіберу жүйесінің төртінші ұрпағының құрамына талшықты оптикалық күшейткіштер кіреді.
1994 жылдан бастап, кеңжолақты бесінші ұрпақтың опто-талшықты жіберу жүйесі шыға бастады. Олардың жұмыс толқындары 1,53...1,61 мкм диапазонында болады. Жүйелер спектралдық тығыздауды және бірнеше жарық көздерін қолданады. Цифрлік ағынды жасайтын жылдамдығы 10 Гбит/с арналарды біріктіру қарастырылуда. Бесінші ұрпақты көпканалды опто-талшықты жіберу жүйесінде 1 Tбит/с өнімділікке шейін жеткізілуде. Жылдамдықты арттыру бойынша жұмыстар жалғасуда.
Опто-талшықты жіберу жүйесінің дамуы барлық кеңжолақты технологияның ену үдеуіне сәйкес келеді. Бұл 1.2-суретте келтірілген.
Европалық конференцияның ХХIХ докладында Маурицио Дечина оптикалық байланыс бойынша (ЕСОС-2003) болашақ он жылдықтағы байланыс желілерінің дамуын және информациялық қызметтерді қарастырды. Бәрінен бұрын, информациялық қажеттілік ретінде экспоненциалды өсу характерлік сипаты болып қалады.
1.2-сурет. Радиожелілердің және магистралды,қалалық опто-талшықты даму.
Соңғы үш он жылдықта SDN (Synchronous Digital Hierarhy-синхронно-цифрлық иерархия) технологиясы бойынша магистралды цифрлық желілердің активті дамуы бақылануда. Ол дегеніміз-ақпаратты жіберу жылдамдығын 155 Мбит/с-тан 10 Гбит/с-қа дейін қамтамасыз ететін транспортты телекоммуникациялық желілердің технологиялары. Соңғы онжылдық арналарды спектралды тығыздау үшін қолданылатын WDM (Wave+
length division multiplexing —толқын ұзындығы бойынша бөлшектеуі бар мультиплексирлеу) технологиясына ену сипатталуда; 3,2 Тбит/c жылдамдыққа қол жеткізілді.
ОТН (Optical Transport Hierarchy — оптикалық трансформаторлық иерархия) – иілгіш мультисервистік оптикалық желілердің стандарты жасалынған жіне енгізілуде.
PON (Passive optical network — пассивті оптикалық жүйелер) желілері жасалынған және де енгізілуде, жылдамдығы 10...100 Гбит/c.
Ethernet (IEEE 802.3 стандартының синонимі) - CSMA/CD коллизияларына рұқсат бар ортаға кездейсоқ әдістері бар мәліметтерді жіберу желісі. G-Ethernet (Gigital Ethernet) – компьютерлік желілердегі ақпаратты жіберудің ақпараттық желілері (жылдамдығы 1...10 Гбит/c), және де FDDI (Fiber Distributed Data Interface) — локалдық желілердегі ақпаратты жіберудің орналасқан талшықты интерфейсі (жылдамдығы 100 Мбит/c).
Сонымен қатар, гибридті талшықты-коаксиалды желілер және AON (All-Optical Networks) толық оптикалық желілер қолданылуда.
Байланыс желілерінің дамуы техникалық көрсеткіштердің сәйкес өсуімен қорғалады, ол көрсеткіштерге процессорлар қуаты, жады көлемі, ақпаратты алмасу жылдамдығы және т.б. жатады. Осы уақытта интернет-протоколдарды қолдану үшін арналған барлық информациалық-телекоммуникациялық қызметтерді аудару, соңымен қатар қазіргі уақыттағы приложениялар(дыбыстар, видео) маңызды момент болады.
Глобалдық және қалалық байланыс желілерінің транспорттық деңгейінде ақпаратты жіберудің оптикалық(фотондық) технологияларын ашық түрде доминирлейді (будут доминировать). Байланыс желілерінің дамуы талшықты оптиканың толық және альтернатив түрінде қолданылуы мүмкін оптикалық технологиялардың және әртүрлі сымсыз технологиялардың конкуренциясымен анықталады. Сымсыз байланыс технологияларының жылдам дамуына Wi-Fi,Ultra Wide Band, Ad Hoc Networks, Sensor networks, RFID және т.б. жатады.