Свет затмил электроны

История фотоники началась в 1960 году, когда американский физик Теодор Майман создал первый рабочий лазер. Это открыло новую эру в передаче и обработке информации. В 1970-х годах в компании Bell Labs разработали оптическое волокно, а через десять лет мир уже получил межконтинентальные оптоволоконные линии связи.

Настоящий переворот произошел в XXI веке: сначала Intel представила гибридные электронно-оптические чипы, затем Google и IBM начали многомиллиардные инвестиции в фотонные квантовые компьютеры. Сегодня фотоника становится ключом к будущему развитию. Предполагается, что к 2030 году мировой рынок данной технологии достигнет $1 трлн.

Россия внесла значительный вклад в развитие данной отрасли. Основы квантовой электроники были заложены ещё в 1961 году будущими нобелевскими лауреатами Николаем Басовым и Александром Прохоровым. В 1980-х годах СССР разрабатывал передовые лазерные системы военного назначения. Современная российская фотоника развивается в Сколково и Новосибирске, где создаются уникальные оптические сенсоры.

Сегодня фотоника — это не просто научное направление, а стратегическая отрасль, определяющая технологический суверенитет государств. У России здесь есть серьёзный научный задел, но для реализации потенциала требуются системные инвестиции и четкая промышленная политика.

От лазера к наночипам

Фотоника — это новая область науки и техники. В ней фотоны (частицы света) заменяют традиционные электроны в процессах передачи, обработки и хранения информации. Фотоника использует квантовые свойства света и открывает новые возможности для технологического развития. 

Пока что такое световое «ноу-хау» ближе к научному знанию, чем к промышленному применению. Тем не менее, оно объединяет в себе квантовую физику, оптику и материаловедение, что позволяет трансформировать современные технологии.

Все преимущества фотоники базируются на четырёх фундаментальных принципах. Первый — использование лазеров и оптических волокон для передачи информации. Такой подход позволяет передавать данные со скоростью света и минимальными энергопотерями. Второй принцип — фотонные системы работают на частотах, которые в тысячи раз превышают возможности электронных аналогов.

Третий принцип — это исключительная энергоэффективность. Она обусловлена отсутствием «резистивного нагрева». Другими словами часть энергии не теряется через тепло вследствии сопротивления проводников. И наконец, фотоника активно использует квантовые свойства отдельных фотонов, что особенно важно для создания систем сверхзащищённой связи и квантовых вычислений.

Но при этом фотоника — это не что-то недостижимое и фантастическое, отдельные разработки из этой области знания уже активно используются в промышленности. Например, оптоволоконные линии связи уже давно стали кровеносной системой глобального интернета и фундаментально изменили рынок телекоммуникаций. Лазерные технологии же активно применяются в медицине и высокоточной промышленной обработке материалов. Однако особые перспективы фотоники лежат в разработке фотонных процессоров. Они могут совершить настоящуют революцию в области искусственного интеллекта и стать серьёзным шагом к внедрению квантовых компьютеров.

Важно понимать, что фотоника не просто дополняет традиционную электронику — она предлагает принципиально иной подход к обработке информации, где физическим пределом становится лишь скорость света. Эта молодая наука продолжает бросать вызов ограничениям, открывая перед человечеством новые горизонты в области коммуникаций, вычислений и промышленных технологий. Развитие фотоники создавать системы и устройства, которые сегодня кажутся лишь фантастикой.

Упёрлись в нанометры

Ещё одним поводом присмотреться к развитию фотоники является фундаментальный физический барьер, с которым столкнулась современная микроэлектроника. Дело в том, что дальнейшее уменьшение размеров транзисторов ниже 3 нанометров (нм) становится физически невозможно. На таком уровне «миниатюризации» возникает ряд физических явлений, которые буквально ставят прогресс на «стоп».

И тут на смену традиционной микроэлектронике с её транзисторами приходит фотонка, благодаря которой информация передаётся через световые потоки и оптические волноводы.

Перспективы фотоники особенно очевидны в трех направлениях. Во-первых, это межчиповые соединения — уже сегодня оптические интерконнекты в дата-центрах передают данные со скоростью до 400 Гбит/с на канал. Во-вторых, нейроморфные вычисления — фотонные процессоры идеально подходят для имитации работы нейронных сетей. В-третьих, квантовые технологии — отдельные фотоны являются идеальными носителями квантовой информации.

Мировые компании-гиганты уже активно инвестируют миллиарды долларов для того, чтобы занять свою нишу в фотонике. Так, например, Intel уже давно разрабатывает оптические сопроцессоры, а японская компания Hamamatsu Photonics создала целый научно-промышленный кластер в одноимённом городе Хамамацу, где изучаются возможности лазерных и оптических технологий.

Фундаментальная наука за Россией

В России фотоника находится в числе приоритетных наук с 2014 года. О необходимости поддерживать данную отрасль знания тогда заявил Дмитрий Медведев, будучи премьер-министром страны. В свою очередь Денис Мантуров, который в на тот момент возглавлял Минпромторг, отмечал, что «от фотоники зависит примерно четверть экономики развитых стран».

Сегодня фотоника в России развивается на прикладном и научном уровне во многих исследовательских и промышленных центрах. Например, в 2023 году «Телеспутник» писал о планах «Ростеха» по развитию радиофотоники. Новое технологическое направление госкорпорация планирует осваивать на базе НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха холдинга «Швабе». Предполагается, что исследования позволят создать радиофотонные системы, которые будут применимы в лазерных дальномерах, антеннах и радиолокаторах. А дальшейшее развитие фотоники откроет путь к передаче информации на ультравысоких скоростях, что позволит выйти на новый уровень рынку телекоммуникаций.

В марте этого года в «Технополисе Москва» было завершено строительство Московского центра фотоники. Сегодня там проводятся пусконаладочные работы и идёт подготовка к производству фотонных интегральных схем, которые являются ключом к тем самым ультравысоким скоростям передачи информации. Фабрика обеспечит около 300 рабочих мест и будет нацелена на выпуск 5,5 тысяч изделий в год.

В октябре 2024 года в интервью редактору «Телеспутника» генеральный директор «Микрона» (входит в ГК «Элемент») Гульнара Хасьянова заявила, что большие перспективы представители рынка видят в гибридных оптоэлектронных сборках — сочетании фотоники и кремниевой электроники.