Fotonika - elektronika XXI wieku

Perspectiva Solutions Sp. z o.o., Krzysztof Jakubczak

Fotonika - elektronika XXI wieku

Chwilę przed tym, jak Elvis Presley otwierał erę rock'n rolla, a Elżbieta II zagościła na brytyjskim tronie, zanim Marilyn Monroe z powodzeniem udowadnia, że “Mężczyźni wolą blondynki”, a dwójka himalaistów pierwszy raz w historii zdobywała Mount Everest, dżentelmeni z AT & T Bell Labs osiągali inne, technologiczne szczyty. Myślęo Williamie Shockleyu, Johnie Bardeenie i Walterze Brattai - trzech jak się później okazało noblistach - którzy opracowując pierwszy model tranzystora dali początek dwóm dziedzinom - elektronice i jej szybszej wersji fotonice. Podstawowa różnica jest intuicyjna - w przyrządach elektronicznych nośnikiem informacji jest elektron, zaś w fotonicznych foton. Jaki mamy efekt? Za pomocą drugiego z tych małych przekaźników możemy przesyłać informacje w rozmiarach i tempie, którego pierwszy nigdy nie osiągnie. Stąd John S. Mayo, prezes wspomnianego już centrum badawczego podsumował wszystko odważną tezą, z którą jednak niewielu dyskutuje:

"Fotonika będzie w XXI wieku tym, czym elektronika była w XX wieku."

Fotoniczna układanka

Wg definicji podanej przez Wikipedię fotonika, to dziedzina nauki obejmująca generację, detekcję, manipulację poprzez emisję, transmisję, modulację, przetwarzanie sygnału, przełączanie oraz wzmacnianie świtała. Optoelektronika zaś, to nauka bezpośrednio stanowiąca segment fotoniki lecz uzupełniona o komponent elektroniczny. Obie dotyczącą urządzeń, które wykorzystują światło do pozyskiwania, magazynowania i przenoszenia informacji. Dla jej rozwoju oprócz tranzystora i techniki światłowodowej niezbędne były jeszcze dwa, starsze wynalazki. Ojcem pierwszego z nich jest aktualna ikona popkultury, człowiek który gdyby urodził się pół wieku później byłby alfą fizyki, i omegą Facebooka i Twittera. Albert Einstein w 1916 roku odkrył zjawisko emisji wymuszonej, która pół wieku później umożliwiła stworzenie pierwszego lasera. O produkcji urządzeń elektronicznych oraz fotonice dowiesz się więcej tutaj.

Ostatni element fotonicznej układanki to kryształy półprzewodnikowe, czyli polski akcent całej historii. Według anegdoty, prof. Jan Czochralski, pracując w tym samym co Einstein roku, tworzył notatki i przez roztargnienie zamiast w kałamarzu zanurzył stalówkę pióra w stojącym obok tyglu ze stopioną cyną. Wyciągając pióro zauważył, że do stalówki przyklejona jest cienka, metalowa nitka. Po zbadaniu jej promieniowaniem rentgenowskim odkrył, że stanowi świetny kryształ i jeszcze lepszy przewodnik. Historia zamyka się 30 lat później, kiedy znane już AT&T Bell Labs wykorzystuje jego wynalazek do wytwarzania monokryształów krzemu. Tym samym dostajemy końcówkę z podwójnym happy endem - wynalazek stał się fundamentem dla światowego przemysłu elektronicznego, a sam Czochralski został najbardziej rozpoznawalnym polskim uczonym w świecie techniki.

Technologia dziś i jutro

Dziś nie dziwi, że korzystamy z ultrabooków, których wymiary przypominają raczej kartkę papieru niż klasycznego Maca, jednak nie można zapomnieć, że ENIAC - pierwszy komputer w historii, uważany w swoich czasach za szczyt innowacyjności - ważył 30 ton. Jeszcze bardziej naturalne jest nieograniczone kontaktowanie się przez smarfony, kiedy 20lat temu luksusem był telefon stacjonarny. Jeśli smartfony to i Internet, spopularyzowany dopiero w latach 90. ubiegłego wieku, który w myśl Marshalla McLuhana zmienił nasz świat w globalną wioskę. W 2000 roku korzystało z niego 360 mln ludzi, dziś użytkownicy stanowią połowę ludzkości - to wzrost o 800%. Widzimy więc tendencję, dla której podstawą jest rozwój nowych technologii, kojarzonych dziś przede wszystkim z High Tech. Sukces w tej dziedzinie może zostać osiągnięty jedynie przez opracowanie produktów unikalnych o parametrach znacznie lepszych od tych, które są już dostępne na rynku. “Mniej” idzie w parze z “szybciej” i możliwie „najbezpieczniej” - w te wymagania idealnie wpisuje się fotonika, która w pogoni za tym co nowe sukcesywnie zastępuje elektronikę.

Science fiction czyli realna wizja

Jeśli więc elektronika jest technologią dnia wczorajszego, informatyka opanowała świat współczesny, optyka to przyszłość, a wszystko razem tworzy fotonikę - do czego to wszystko dąży? Jeden z wielu kierunków to światłowody. Mimo, że nie są szczególnie nowym wynalazkiem to aktualnie najnowocześniejszy sposób przesyłania informacji. Na tle innych mediów wyróżniają się największym zasięgiem bez jakichkolwiek zakłóceń, ogromną pojemnością informacyjną oraz odpornością na tradycyjne sposoby przechwytywania. Cała transmisja odbywa się za pomocą światła przez przewód, który jest odrobinę grubszy od ludzkiego włosa.

Rozwój technologiczny co jakiś czas trafia na swój kamień milowy, który przy okazji zmienia oblicze świata. XXI wiek nadal na swój przełom czeka i niewykluczone, że stanie się on udziałem urządzenia, w które raczej nie przez przypadek namiętnie inwestuje Microsoft i Google. Jeśli wyobrazimy sobie abstrakcyjnie wielkie zbiory, których przetworzenie wymagałoby milionów lat, wszystko nabierze realności, gdy zaczniemy mówić o użyciu komputera kwantowego. W założeniu na te same czynności, co komputer tradycyjny - z którym łączy go już tylko nazwa - potrzebowałby kilku sekund. Dziś trudne do wyobrażenia, jednak jak mówił Einstein:

"Gdyby ludzie rozmawiali tylko o tym, co rozumieją, zapadłaby nad światem wielka cisza."

Czy jednak faktycznie wszystko się zmienia? Dziś nadal słuchamy Elvisa, tyle że nie w radiu, a na Spotify, filmy z Merlin oglądamy w 4K, a zamiast na Mount Everest zimą próbujemy wejść na K2. Tylko królowa Elżbieta nadal jest dokładnie taka sama. Takie samo pozostaje też wszystko to, do czego dążymy. Szybciej, więcej, nowocześniej. Informacja, pieniądz, technologia. Ciężko powiedzieć stop, bo wizja wygodniejszej przyszłości nie przestaje kusić. Elektronika osiąga etap, w którym jej dalszy rozwój po prostu nie będzie możliwy, czy ktoś będzie więc dalej zastanawiał się, czy prezes Mayo miał rację? Dla pewności powtórzę jego słowa jeszcze raz. "Fotonika będzie w XXI wieku tym, czym elektronika była w wieku XX."