Bežična komunikacija sa brzinom od desetina terabita u sekundi, obrada podataka sa brzinom od desetina gigabita u sekundi, hologrami koji stvaraju trodimenzionalne slike „u vazduhu“ — to su samo najneposredniji ciljevi savremene fotonike. Naučnici sa Nacionalnog istraživačkog nuklearnog univerziteta „MIFI“ govorili su za RIA Novosti o naprednom ruskom projektu koji ubrzava razvoj ove oblasti.
Kada će elektronika na koju smu navikli postati zastarela?
Fotonika je grana nauke i tehnologije koja se bavi procesima predaje svetlosnih signala, njihovom registracijom i promenama svojstava. Tehnologija zasnovana na fotonici nije samo uobičajena optička komunikacija i laserski diskovi, već i mnogi drugi obećavajući uređaji. Naučnici iz Laboratorije za fotoniku i optičku obradu informacija Odseka za lasersku fiziku Instituta za laserske i plazmatske tehnologije na univerzitetu „MIFI“ sigurni su da je 21. vek — vek fotonike.
Prema njihovim rečima, u narednih 10-20 godina fotonika će pružiti revoluciju u razvoju starih tehničkih sistema i pojavu suštinski novih. Pre svega, pojaviće se javno dostupna digitalna komunikacija brzine od terabita u sekundi, sistemi za obradu podataka propusnog opsega na nivou od desetina gigabita u sekundi, kao i gigapikselni displeji — i dvodimenzionalni i trodimenzionalni, kao i holografski.
Ključne prednosti fotonske tehnologije su u informativnim svojstvima svetlosti. Naučnici sa univerziteta „MIFI“ su objasnili da optički signali imaju prirodnu frekvenciju oscilovanja hiljadu puta veću od radio signala, što znači da se njihovi parametri mogu menjati mnogo brže. Zahvaljujući tome, dijapazon frekvencija koje prenosi svetlosni signal je izuzetno širok — na primer, kroz jedan optički kanal može se istovremeno preneti signal svih radio radio dijapazona.
„Pri predaji svetlosti moguće je formirati dvodimenzionalne i prostorne raspodele koje predstavljaju podatke, dok je električni signal koji putuje kroz provodnik jednodimenzionalan. Zahvaljujući tome, fotonski sistemi, pod drugim uslovima, mogu imati nekoliko puta veću brzinu delovanja i biti energetski efikasniji od svojih elektronskih prethodnika koje koristimo danas“, rekao je profesor Nacionalnog istraživačkog nuklearnog univerziteta „MIFI“ Rostislav Starikov.
Holografski video je buduća realnost
Već sada tehnologije za formiranje svetlosnog signala omogućavaju snimanje i reprodukciju holografskog video zapisa. Međutim, prema rečima naučnika, takvi sistemi su i dalje veoma skupi i nesavršeni, a za njihovu masovnu primenu neophodno je rešiti brojne probleme. Konkretno, postoje poteškoće sa brzom reprodukcijom holograma, kao i sa njihovim prenosom preko postojećih digitalnih komunikacionih mreža.
Inteligentne metode prenosa i brze reprodukcije trodimenzionalnog video zapisa sa digitalnih holograma razvijaju se na Odeljenju za lasersku fiziku na Nacionalnom istraživačkom nuklearnom univerzitetu „MIFI“, uz podršku Ruske naučne fondacije, projekat br. 20-79-00291. Naučnici su uvereni da će rad na ovom području učiniti komercijalne holografske 3D video sisteme uobičajenim do sredine 2030-ih.
„Predložili smo i uspešno testirali novu metodu binarnog predstavljanja digitalnih holograma, koja omogućava njihovo ponovno kodiranje u obliku koji je pogodniji za prenos, kao i nove metode njihove kompresije, koje u značajnoj meri prevazilaze svoje analoge i istovremeno pružaju prihvatljiv nivo gubitka kvaliteta konačnih slika“, istakao je šef istraživanja u ovom pravcu, mladi specijalista na Nacionalnom istraživačkom nuklearnom univerzitetu „MIFI“ Pavel Čerjomhin.
Šta će doneti fotonski radio?
Još jedno obećavajuće područje je mikrotalasna fotonika ili radio-fotonika, koja istražuje mogućnost prenosa i obrade radio-signala pomoću svetlosti. Takvi sistemi daleko prevazilaze obične radio sisteme u pogledu imuniteta na buku, karakteristika težine i veličine, i što je najvažnije, imaju izuzetno širok frekventni opseg, preko 100 gigaherca.
Postojeći eksperimentalni modeli radio-fotonskih sistema pokazuju brzinu obrade signala koja je nedostižna za konvencionalna elektronska sredstva. Na primer, oni izvršavaju analogo-digitalne konverzije hiljadu puta brže od postojeće elektronike.
Sada se, kako u svetu, tako i u Rusiji, široko uvode fotonski dalekovodi radio-signala koji imaju ogroman informacioni kapacitet, saopštili su naučnici sa Nacionalnog istraživačkog nuklearnog univerziteta „MIFI“. U budućnosti je neizbežna pojava uređaja u kojima se svetlost takođe koristi za obradu radio-signala — fotonskih radara, a u budućnosti i aktivne fazirane antenske rešetke zasnovane na fotonici, koja će omogućiti praćenje ciljeva bilo koje vrste sa velikom preciznošću na velikoj udaljenosti.
Na Odseku za lasersku fiziku na Nacionalnom istraživačkom nuklearnom univerzitetu „MIFI“, pod vođstvom profesora Starikova, uspešno se sprovode teorijska i eksperimentalna istraživanja na polju analogno-digitalnih sistema mikrotalasne fotonike. Konkretno, nedavno su specijalisti Laboratorije za optičku obradu informacija stvorili fotonski sistem za analogno-digitalnu obradu radio-signala centimetarskog opsega.
Na osnovu ovih instrumenata, specijalisti Nacionalnog istraživačkom nuklearnog univerziteta „MIFI“, zajedno sa naučnicima iz drugih ruskih organizacija, stvorili su prvi u Rusiji i jedan od prvih u svetu radio-inženjerski sistem sa mikrotalasnim elementima fotonike, koji je već uspešno prošao terenska ispitivanja. Naučnici su objasnili da su takvi uređaji mnogo lakši i energetski efikasniji od elektronskih.
Neverovatna brzina i vrhunski kvalitet
U budućnosti će optičko-digitalni sistemi koji koriste paralelnu obradu prostornih optičkih signala moći da pružaju brzinu obrade podataka do 10 gigabita u sekundi. Na primer, tokom prepoznavanja slike ili kodiranja informacije. Istraživanja u oblasti obrade dvodimenzionalnih optičkih signala, sprovedena na Nacionalnom istraživačkom nukleranom univerzitetu „MIFI“, usmerena su na stvaranje difrakcionih i holografskih sistema pomoću koherentnog laserskog i nekoherentnog zračenja.
„Naš tim uspešno razvija metode za brzo i precizno formiranje zadatih informativnih svetlosnih raspodela, koje će nam omogućiti da predstavimo ogromne količine informacija bez grešaka i gubitaka“, saopštio je Rostislav Starikov.
Konkretno, trenutno se da odseku za lasersku fiziku na Nacionalnom istraživačkom nuklearnom univerzitetu „MIFI“ pod vođstvom profesora Nikolaja Jevtihijeva razvija nova vrsta optičko-digitalnog sistema difrakcije za kodiranje informacija, u okviru projekta Ruske fondacije za nauku br. 19-19-00498. Već je stvoren i testiran binarni sistem kodiranja podataka, a prema rečima tvoraca, ima brzinu rada na nivou od desetina gigabita u sekundi.
Druga istraživanja specijalista odseka su usmerena na stvaranje brzih inteligentnih sistema za prepoznavanje vizuelnih slika. Prema rečima naučnika, u ovom trenutku su eksperimentalno prikazane mogućnosti prepoznavanja megapikselnih slika brzinom od preko deset hiljada frejmova u sekundi, što je stotinu puta veće od potencijalnih mogućnosti elektronskih analoga.