Photonik

Langfristig werden photonische Geräte die Von uns eingesetzte Elektronik fast vollständig ersetzen, kommentierten Wissenschaftler der Nationalen Forschungs-Atomuniversität "MEPhI" Sputnik und kommentierten die fortschrittlichen russischen Entwicklungen, die die Technologie in diesem Bereich beschleunigen.

Drahtlose Kommunikation mit Geschwindigkeiten von Dutzenden von Terabits pro Sekunde, Datenverarbeitung mit einer Rate von Dutzenden von Gigabit und Hologramme, die dreidimensionale Bilder "in der Luft" erzeugen, sind nur einige der drängendsten Ziele der modernen Photonik, haben Wissenschaftler gesagt.

Wann wird die Standardelektronik obsolet?

Photonik ist ein Zweig der Wissenschaft und Technologie, der sich mit den Prozessen der Lichtemissionen, ihrer Aufzeichnung und Veränderungen ihrer Eigenschaften befasst. Photonik-basierte Technologie umfasst nicht nur optische Anschlüsse und Laserscheiben, sondern auch viele andere vielversprechende Geräte. Das 21. Jahrhundert ist das Jahrhundert der Photonik, glauben Wissenschaftler des "MEPhI" Institute for Laser and Plasma Technologies.

Den Wissenschaftlern zufolge wird die Photonik die Entwicklungen in älteren technischen Systemen revolutionieren und einen wegweisenden Beitrag zur Entstehung grundlegend neuer Systeme in den nächsten 10-20 Jahren leisten. Zunächst wird es öffentliche digitale Kommunikation mit Geschwindigkeiten von Terabits pro Sekunde, Datenverarbeitungssysteme mit einer Bandbreite von Dutzenden Gigabit pro Sekunde sowie Gigapixel-Displays – 2D, 3D und holographische.

Ein wesentlicher Vorteil der photonischen Technologie sind ihre informativen Eigenschaften des Lichts. Optische Signale besitzen eine natürliche Schwingungsfrequenz, die tausendmal höher ist als Funksignale, so dass ihre Parameter viel schneller geändert werden können, erklärten die "MEPhI"-Wissenschaftler. Der Frequenzbereich des Lichtsignals ist extrem breit - ein optischer Kanal kann beispielsweise alle Funkbänder auf einmal übertragen.

"Bei der Übertragung des Lichts ist es möglich, zwei- und dreidimensionale räumliche Verteilungen zu bilden, die Daten darstellen, während ein elektrisches Signal, das durch einen Leiter wandert, eindimensional ist. Dadurch arbeiten photonische Systeme schneller und energieeffizienter als ihre elektronischen Vorgänger, die wir heute verwenden", sagte "MEPhI"-Professor Rostislav Starikov.

Holographisches Video: Die Realität von morgen

Die Technologie, ein Lichtsignal zu bilden, hat es ermöglicht, holographische Videos aufzunehmen und zu reproduzieren. Wissenschaftler der National Research Nuclear University argumentieren jedoch, dass die Systeme immer noch teuer und unvollkommen sind, und für die Massenproduktion müssen mehrere Probleme gelöst werden. Insbesondere gibt es Schwierigkeiten mit der schnellen Reproduktion von Hologrammen sowie mit deren Übertragung über bestehende digitale Kommunikationsnetze.

Intelligente Daten und die schnelle Wiedergabe dreidimensionaler Videos aus digitalen Hologrammen werden am Institut für Laser- und Plasmatechnologien der National Research Nuclear University (MEPhI) mit Unterstützung der Russischen Wissenschaftsstiftung im Rahmen des Projekts Nr. 20-79-00291 entwickelt. Die Wissenschaftler sind zuversichtlich, dass die Forschung in diesem Bereich kommerzielle holographische 3D-Videosysteme bis Mitte der 2030er Jahre alltäglich machen wird.

"Wir haben eine neue Methode zur binären Darstellung digitaler Hologramme vorgeschlagen und erfolgreich getestet, die es ermöglicht, Hologramme in einer Form neu zu kodieren, die besser für die Übertragung geeignet ist, sowie neue Komprimierungsmethoden, die den Analoga deutlich überlegen sind und einen akzeptablen Qualitätsverlust in den resultierenden Bildern bieten", sagte MEPhI Associate Professor Pavel Cheryomkhin.

Was bringt photonradio in die Welt?

Ein weiteres vielversprechendes Forschungsgebiet ist die Mikrowellenphotonik oder Radiophotonik, die die Möglichkeit der Übertragung und Verarbeitung von Funksignalen durch den Einsatz von Licht untersuchen. Solche Systeme umgehen herkömmliche Funksysteme in Bezug auf Lärmimmunität, Gewicht und Größenangaben. Wichtiger ist jedoch, dass radiophotonische Systeme eine extrem breite Signalbandbreite von über 100 Gigahertz bieten.

Bestehende experimentelle Modelle von radiophotonischen Systemen zeigen Signalverarbeitungsraten, die in herkömmlichen elektronischen Geräten unerreichbar sind. Sie führen beispielsweise analog-digitale Konvertierungen tausendmal schneller durch als vorhandene Elektronik.

Russland und die internationale Gemeinschaft implementieren derzeit photonische Übertragungsleitungen für Funksignale, die über eine enorme Informationskapazität verfügen, berichteten die "MEPhI"-Wissenschaftler. Die Entstehung von Geräten, bei denen Licht auch zur Verarbeitung von Funksignalen - photonische Radare - verwendet wird, ist praktisch unvermeidlich. Mit Spannung wird auch ein aktives phasengestütztes Antennenarray (AFAR) auf Photonikbasis erwartet, das die Verfolgung beliebiger Art von Zielen mit hoher Genauigkeit in großer Entfernung ermöglicht.

Am Institut für Laser und Plasma wurde die theoretische und experimentelle Forschung auf dem Gebiet der analog-digitalen Systeme der Mikrowellenphotonik erfolgreich durchgeführt. Spezialisten des Labors für Optische Informationsverarbeitung haben ein photonisches System für die analog-digitale Verarbeitung von Funksignalen im Zentimeterbereich entwickelt.

Basierend auf diesem Gerät haben Spezialisten von "MEPhI" zusammen mit Wissenschaftlern anderer russischer Organisationen eines der ersten Funktechniksysteme mit Mikrowellenphotonik-Elementen der Welt entwickelt. Auch Letzteres hat bereits erfolgreich Feldtests bestanden. Wie die Wissenschaftler erklärten, sind solche Geräte viel leichter und energieeffizienter als ihre elektronischen Pendants.

Unglaubliche Geschwindigkeit und überlegene Qualität

Mit Blick auf die Zukunft werden optisch-digitale Systeme, die die parallele Verarbeitung räumlicher optischer Signale nutzen, in der Lage sein, Datenverarbeitung mit einer Geschwindigkeit von bis zu 100 Gigabit pro Sekunde bereitzustellen. Die Systeme können z.B. bei der Bilderkennung oder Datencodierung eingesetzt werden. Die Forschung auf dem Gebiet der Verarbeitung zweidimensionaler optischer Signale wurde ebenfalls am "MEPhI" durchgeführt und konzentrierte sich auf die Schaffung von diffraktiven und holographischen Systemen mit kohärentem Laser und inkohärenter Strahlung.

"Unser Team entwickelt erfolgreich Methoden für die schnelle und hochpräzise Bildung von spezifizierten informativen Lichtverteilungen, die es uns ermöglichen, riesige Mengen an Informationen ohne Fehler und Verluste darzustellen", sagte Rostislav Starikov.

Im Rahmen des Projekts Nr. 19-19-00498 der National Research Nuclear University "MEPhI" unter der Leitung von Professor Nikolay Evtikhiev wird eine neue Art von optisch-digitalen Beugungssystem entwickelt und für die Kodierung von Informationen entwickelt. Ein binäres Datencodierungssystem wurde bereits erstellt und getestet, was eine Arbeitsgeschwindigkeit von Dutzenden von Gigabit pro Sekunde bietet.

Weitere Forschungen der Spezialisten der Abteilung zielen darauf ab, intelligente Hochgeschwindigkeitssysteme zu schaffen, um visuelle Bilder zu erkennen. Den Wissenschaftlern zufolge wurden die Möglichkeiten demonstriert, Megapixelbilder mit einer Geschwindigkeit von über 10.000 Bildern pro Sekunde zu erkennen, was hundertmal höher ist als die potenziellen Fähigkeiten elektronischer Analoga.

https://sputniknews.com/science/202012041081358321-dozens-of-terabits-per-second-russian-physicists-reveal-the-creation-of-future-technologies/