Фотоника и оптоинформатика
.pdfМинистерство 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
2012
УДК 536.7: 621.036 ББК 22.3
Ц25
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
иэнергии на современном этапе. Приведены необходимые для понимания на квантовом уровне теоретические основы физики, научные
инанотехнологические 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
ISBN 978-5-398-00898-2 |
© ПНИПУ, 2012 |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Предисловие .................................................................................................. |
6 |
Часть 1. Фундаментальные основы высшего образования.............. |
10 |
1. Особенности высшего технического образования.............................. |
10 |
1.1. Современная система высшего образования и его цели............. |
10 |
1.2. Особенности обучения в вузе ........................................................ |
12 |
2. Фундаментальные основы творческой деятельности.......................... |
14 |
2.1. Направления творческой деятельности......................................... |
14 |
2.2. Практическая деятельность человека |
|
и современное естествознание....................................................... |
17 |
2.3. Естественно-научные основы практической |
|
деятельности человека.................................................................... |
20 |
2.4. Эволюция вселенной и общность законов природы.................... |
27 |
2.5. Деятельность специалиста и реальность....................................... |
33 |
3. Фундаментальные основы дисциплин учебного плана ...................... |
40 |
3.1. Особенности Федерального государственного |
|
образовательного стандарта по направлению |
|
«Фотоника и оптоинформатика» ................................................... |
40 |
3.2. Математические и естественно-научные дисциплины................ |
42 |
3.3. Профессиональные дисциплины ................................................... |
45 |
3.4. Гуманитарные, социальные и экономические дисциплины....... |
50 |
3.5. Основные требования бакалаврской подготовки......................... |
53 |
Часть 2. Научные основы фотоники..................................................... |
56 |
4. Элементы квантовой физики................................................................. |
56 |
4.1. Связь фотоники и оптоинформатики с квантовой физикой.......... |
56 |
4.2. Этапы развития фотоники и оптоинформатики........................... |
58 |
4.3. Основные представления квантовой механики............................ |
66 |
4.4. Квантовая модель атома................................................................. |
71 |
4.5. Понятие о потенциальных ямах и барьерах ................................. |
74 |
4.6. Микрочастица в прямоугольной потенциальной яме.................. |
77 |
4.7. Туннельный эффект ........................................................................ |
81 |
5. Элементы физики твердого тела ........................................................... |
83 |
5.1. Кристаллические решетки.............................................................. |
83 |
5.2. Дефекты кристаллического строения............................................ |
89 |
3
5.3. Элементы зонной теории................................................................ |
93 |
5.4. Энергетический спектр кристалла................................................. |
96 |
5.5. Понятие эффективной массы электрона....................................... |
99 |
5.6. Экситонные эффекты.................................................................... |
100 |
6. Физические основы оптики.................................................................. |
104 |
6.1. Электромагнитная природа света................................................ |
104 |
6.2. Основные явления волновой оптики........................................... |
111 |
6.3. Основные явления квантовой оптики ......................................... |
119 |
7. Элементы нелинейной оптики............................................................. |
123 |
7.1. Механизмы оптической нелинейности....................................... |
123 |
7.2. Вынужденное рассеяние света..................................................... |
127 |
7.3. Самофокусировка.......................................................................... |
128 |
7.4. Нелинейные эффекты в волоконных световодах....................... |
130 |
7.5. Оптические солитоны................................................................... |
133 |
Часть3. Физические инанотехнологические основыфотоники....... |
138 |
8. Полупроводниковые квантовые структуры ....................................... |
138 |
8.1. Роль полупроводниковых структур в оптоэлектронике............ |
138 |
8.2. Твердотельные гетероструктуры. |
|
Полупроводниковый гетеропереход........................................... |
139 |
8.3. Квантоворазмерные структуры, их самоорганизация............... |
144 |
8.4. Применение квантовых структур в приборах |
|
оптоэлектроники........................................................................... |
158 |
9. Основы нанотехнологий получения оптических материалов.......... |
178 |
9.1. Исторические аспекты.................................................................. |
178 |
9.2. Наноматериалы.............................................................................. |
189 |
9.3. Оптические метаматериалы ......................................................... |
212 |
9.4. Методы формирования наноструктур......................................... |
218 |
9.4.1. Молекулярно-лучевая эпитаксия........................................ |
220 |
9.4.2. Нанолитография................................................................... |
224 |
9.4.3. Сканирующая туннельная и атомно-силовая |
|
микроскопия......................................................................... |
226 |
9.5. Применение нанотехнологий в технике...................................... |
231 |
10. Лазеры.................................................................................................. |
236 |
10.1. Спонтанное и вынужденное излучение, поглощение.............. |
237 |
10.2. Принцип работы лазера.............................................................. |
240 |
10.3. Схемы накачки............................................................................. |
241 |
10.4. Свойства лазерных пучков......................................................... |
242 |
10.5. Типы лазеров................................................................................ |
245 |
10.6. Области применения лазеров..................................................... |
255 |
4
11. Оптические волокна............................................................................ |
270 |
11.1. Общие сведения........................................................................... |
270 |
11.2. Типы оптических волокон.......................................................... |
281 |
11.3. Материалы для изготовления оптических волокон................. |
293 |
11.4. Технология изготовления оптических волокон ....................... |
295 |
11.5. Механическая прочность оптических волокон........................ |
298 |
11.6. Принцип работы волоконного оптического гироскопа........... |
300 |
Часть 4. Основы оптоинформатики и вычислительного |
|
эксперимента............................................................................................ |
305 |
12. Основы оптоинформатики................................................................. |
305 |
12.1. Предмет и задачи информатики................................................. |
305 |
12.2. История информационных технологий..................................... |
308 |
12.3. Понятие об информации............................................................. |
318 |
12.4. Измерение количества информации. Энтропия....................... |
326 |
12.5. Архитектура компьютера........................................................... |
334 |
12.6. Предельные возможности электронной |
|
компьютерной техники............................................................... |
349 |
12.7. Оптические системы обработки информации.......................... |
353 |
13. Основы математического моделирования |
|
неравновесных теплофизических процессов в фотонике..................... |
373 |
13.1. Роль тепло- и массообмена в фотонике .................................... |
373 |
13.2. Виды теплообмена. Законы молекулярного тепло- |
|
и массообмена ............................................................................. |
375 |
13.3. Перенос тепла теплопроводностью........................................... |
378 |
13.4. Основы вычислительного эксперимента в теплофизике......... |
382 |
Заключение................................................................................................ |
391 |
Список литературы................................................................................... |
393 |
5
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-
6
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
водном 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
вспециальность» 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.
7
Наимено- |
Обоз- |
Обозначение |
Десятичная |
Обыкновенная запись |
|
начение |
междуна- |
||||
вание |
русское |
родное |
запись |
|
|
|
|
|
|
||
йокто |
и |
|
10–24 |
|
|
у |
0,000000000000000000000001 |
|
|||
зепто |
з |
z |
10–21 |
0,000000000000000000001 |
|
атто |
а |
а |
10–18 |
0,000000000000000001 |
|
фемто |
ф |
f |
10–15 |
0,000000000000001 |
|
пико |
п |
|
10–12 |
|
|
p |
0,000000000001 |
|
|||
нано |
н |
n |
10–9 |
0,000000001 |
|
микро |
мк |
|
10–6 |
|
|
m |
0,000001 |
|
|||
милли |
м |
m |
10–3 |
0,001 |
|
санти |
с |
s |
10–2 |
0,01 |
|
деци |
д |
|
10–1 |
|
|
d |
0,1 |
|
|||
дека |
да |
da |
101 |
10 |
|
гекто |
г |
h |
102 |
100 |
|
кило |
к |
k |
103 |
1000 |
|
мега |
М |
|
106 |
|
|
М |
1000000 |
|
|||
гига |
Г |
G |
109 |
1000000000 |
|
тера |
Т |
Т |
1012 |
1000000000000 |
|
Пета |
П |
Р |
1015 |
1000000000000000 |
|
Экса |
Э |
|
1018 |
|
|
Е |
1000000000000000000 |
|
|||
зетта |
З |
Z |
1021 |
1000000000000000000000 |
|
йотта |
И |
Y |
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-
8
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.
9
ЧАСТЬ 1. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
1. ОСОБЕННОСТИ 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
10