К 2030 году объем мирового рынка фотоники достигнет $1,1 трлн, увеличиваясь в среднем на 7,3% в год, прогнозируют эксперты Straits Research. Такой рост аналитики связывают с активным применением технологий фотоники для оптической передачи данных, в здравоохранении, автомобилестроении, при создании интеллектуальных систем и многих других областях. В ИТМО уже запустили первую в России многоузловую квантовую сеть,разработали прототип первой в России системы беспроводной зарядки для электротранспорта, а также развивают другие исследования. Недавно в университете открылся новый Научно-образовательный центр (НОЦ) фотоники и оптоинформатики, который объединил шесть лабораторий и научных центров. Как он будет работать и какие возможности предоставляет для студентов ― рассказываем в материале.

Содержание:

Как появился НОЦ фотоники и оптоинформатики

Центр ведет свою историю с 2002 года ― тогда в университете был образован факультет фотоники и оптоинформатики, который возглавил доктор физико-математических наук, специалист в нелинейной оптике и лазерной физике сверхкоротких импульсов Сергей Козлов. Два года спустя здесь открылось новое на тот момент для России образовательное направление подготовки бакалавров и магистров «Фотоника и оптоинформатика».

Преподавали на факультете известные ученые, в том числе академики СССР и РФ РАН: физик-экспериментатор Евгений Александров, российский физико-химик, один из основоположников оптической голографии Юрий Денисюк, физико-химик Гурий Петровский, специалист в области нелинейной оптики Николай Розанов, специалист в области квантовой электроники и физической оптики Алексей Бонч-Бруевич и другие.

Всего же более чем за 20 лет подразделение приняло участие в грантах и проектах совместно с компаниями и университетами как в России, так и за рубежом. Например, именно на факультете совместно с учеными из Казанского квантового центра КНИТУ-КАИ построили первый в России пилотный участок магистральной квантовой сети в Казани. Этот проект стал важным шагом в развитии квантовой связи в России — сеть полностью основана на отечественных разработках.

Прочитайте также:

Университеты ИТМО и КАИ запускают первую в стране многоузловую квантовую сеть

Нанолазеры, МРТ и изучение культурного наследия: Университет ИТМО выиграл три мегагранта

Понять за 30 секунд: ученые ИТМО создали методику, которая поможет быстро определять подлинность картин

Также на факультете создали российскую мобильную лабораторию изучения культурного наследия на основе передовых оптических технологий, разработали новые методы совместной передачи квантовых и информационных каналов в одном оптическом волокне.

В декабре 2022 года факультет реорганизовали в Научно-образовательный центр фотоники и оптоинформатики. Центр возглавил доктор физико-математических наук, один из основателей направления «Терагерцовая аквафотоника» Антон Цыпкин. Центр объединил лабораторию цифровой и изобразительной голографии, лабораторию изучения культурного наследия, международный научный центр оптической и квантовой информатики, биофотоники; лабораторию квантовой информатики, лабораторию квантовых процессов и измерений и научно-образовательный центр оптического материаловедения. Именно эти научные направления исторически развивались в подразделении.

«По статистике Лазерной ассоциации, в 2021 году объем мирового рынка фотоники, который объединяет лазерно-оптические и оптоэлектронные технологии, составлял около 1500 миллиардов долларов, а темпы его роста — 10% в год. В связи с этим важно готовить кадры, которые будут развивать индустрию в области фотоники и оптоинформатики. Для этого наш НОЦ будет обучать студентов не только проводить фундаментальные исследования, но и работать в индустрии. Среди партнеров наших образовательных программ — ООО “Смартс-Кванттелеком”, ОАО “РЖД” и другие ведущие компании», — рассказал Антон Цыпкин.

Как строится обучение в НОЦ

Бакалавриат. Студенты программы «Фотоника и оптоинформатика» научатся работать с квантовыми коммуникациями и сетями, создавать оптические материалы и устройства на их основе, а также заниматься физикой новых наноматериалов для лазерной техники, водородной энергетики, арт- и биофотоники.

Учебный план программы включает курсовые исследовательские работы и научно-технологические практики. Благодаря этому уже со второго курса студенты могут работать над действующими инновационными и научными проектами, финансируемыми частными компаниями и государственными заказами.

К третьему курсу студенты смогут выбрать одно из двух направлений: квантовые коммуникации и фемтотехнологии или материалы и технологии фотоники. Первое посвящено квантовой и нелинейной оптике и исследованию ее применений в системах обработки и передачи информации, а второе ― синтезу оптических материалов (стекол, кристаллов, ситаллов, керамик, пленок, покрытий, волокна) и изучению их свойств.

Магистратура. Программа «Прикладная фотоника» объединяет сразу четыре специализации в области фотоники:

• Квантовые коммуникации. Студенты обучаются на реальном оборудовании магистральной квантовой сети, а также могут практиковаться в компаниях-партнерах программы: ОАО «РЖД» и «Смартс-Кванттелеком».
• Сверхбыстрая фотоника. Студенты познакомятся с особенностями квантовой оптики и технологическими аспектами квантовых коммуникаций. С помощью этих знаний можно создавать защищенные каналы передачи данных, 6G-коммуникации, системы неразрушающего контроля и проводить дефектоскопию композитных материалов.
• Прикладная арт-фотоника. Специализация посвящена экспериментальным методам, которые позволяют анализировать предметы искусства — например, методам оптической и рамановской спектроскопии, оптической томографии, терагерцовой визуализации, рентгеновской спектроскопии.
• Материалы фотоники. Здесь студенты изучают весь путь работы с материалами: от разработки новых оптических материалов и технологий (включая квантовые и фемтотехнологии) до создания элементов и устройств фотоники нового поколения.

Программа ориентирована на подготовку как научных кадров, так и кадров для оптической промышленности. Сегодня выпускники востребованы на предприятиях среднего и крупного бизнеса: ЦНИИ «Электроприбор», корпорация «Комета», НПО «Криптен», «Смартс-Кванттелеком», «РЖД», НИИ Точной механики, Лыткаринский завод оптического стекла, НТО «ИРЭ-Полюс».

Прочитайте также:

В ИТМО запускают первую в России магистратуру, которая объединяет четыре направления в области фотоники

Аспирантура. Выпускники смогут продолжить обучение в аспирантуре по одной из специализаций:

• «Оптика»
• «Теоретическая физика»
• «Фотоника»
• «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы»

Все аспиранты прикрепляются к проектам научно-образовательного центра.

Какие исследования проводят в НОЦ

В лаборатории цифровой и изобразительной голографии проводят фундаментальные и прикладные исследования по регистрации и обработке комплексных электромагнитных волновых полей, а также разрабатывают прототипы различных приборов (например, терагерцовый голографический спектрометр, который поможет в создании новых эффективных технологий беспроводной передачи информации). Также в лаборатории разрабатывают методы неразрушающего контроля технических изделий, изобразительные голограммы и регистрирующие среды для них. Такие голограммы можно использовать при организации музейных выставок, а также воссоздавать с их помощью утраченные объекты культурного наследия на основе компьютерных 3D-моделей этих объектов.

Прочитайте также:

Исследования ученых ИТМО вошли в сборник с работами ведущих голографистов мира

В Лаборатории изучения объектов культурного наследия специалисты изучают предметы музейного фонда и объекты культурного наследия, используя методы оптической спектроскопии и томографии. Исследователи разрабатывают новые методики изучения произведений искусства и архитектуры, а также профессионально оценивают состояние памятников культурного наследия. С лабораторией сотрудничают реставраторы и научные сотрудники из ведущих российских музеев — Государственного Русского музея и Государственного Эрмитажа.

В состав лаборатории входит мобильная группа, которая оснащена портативным оптическим и рентгеновским оборудованием. Группа проводит исследования in-situ, то есть на месте, и изучает неперемещаемые и трудно перемещаемые объекты историко-культурного наследия: настенную живопись, скульптуры, здания. В частности мобильная группа помогает малым музеям, у которых нет возможности исследовать состояние произведений искусства и технологии их создания. Еще одно направление работы лаборатории — разработка базы данных объектов искусства и культурного наследия. В базе данных собирают информацию о результатах исследований объектов музейного фонда и культурного наследия, а также тестовых объектов, полученных в экспедиционных работах.

Прочитайте также:

Терагерцы для живописи: как исследования ученых из России и Франции помогают восстанавливать предметы искусства

Междисциплинарный подход: как в ИТМО изучают культурное наследие вместе с Русским музеем и учеными из Франции

Международный научный центр оптической и квантовой информатики, биофотоники занимается исследованиями в области нелинейной фемтосекундной оптики, генерации терагерцового излучения в новых материалах. На основе этих знаний ученые разрабатывают технологии неразрушающего контроля и диагностики исследуемых материалов. У научного центра есть зарубежные партнеры: Университет Рочестера (США), Технологический университет Тампере (Финляндия) и Университет Бордо (Франция).

В лабораторииквантовой информатики проводят исследования в области квантовых технологий. Среди разработок — системы квантового распределения ключей, квантовые сети, генераторы случайных бит, квантовый взлом, элементная база квантовых коммуникаций, в том числе на базе фотонных интегральных схем.

Эти компетенции позволяют сотрудникам центра выполнять различные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы для Минобрнауки, Минпромторга РФ и частных заказчиков (например, ОАО «РЖД»).

Лаборатория квантовых процессов и измерений занимается созданием и расширением квантовых моделей элементов квантовой оптики и применяет их в базовых протоколах квантовых коммуникаций и квантовой информатики. Основные направления исследований — квантовый имаджинг, квантовая оптика и квантовая теория информации. С их помощью можно, например, создавать изображения объектов с очень высоким разрешением, превосходящим любую аппаратуру, которая работает на законах классической оптики. Такие системы применяют в биомедицине и неинвазивном контроле безопасности.

В научно-образовательном центре оптического материаловедения разрабатывают новые оптические материалы и технологии для их получения, создают новые методы исследования свойств этих материалов, изучают фотофизические и фотохимические явления в них, а также на основе этих материалов создают элементы и устройства для рынка фотоники и оптоинформатики.

Так, в НИЦ оптического материаловедения уже разработали оптические материалы с разными функциями: стекла для волоконной и интегральной оптики, лазерные, фотохромные, магнитооптические и плазмонные стекла, сверхпрочные стекла и стеклокерамики, ионообменные стекла и люминесцентные стекла (в том числе, рубиновые и перовскитные), фото-термо-рефрактивные стекла.

Также среди разработок центра — различные элементы и устройства фотоники: оптические модули для очков и дисплеев дополненной реальности, сверхузкополосные спектральные фильтры для полупроводниковых лазеров, голографические комбайнеры мощных лазерных пучков, чирпированные брэгговские решетки для компрессии лазерных импульсов, малогабаритные голографические призмы-эталоны плоского угла для навигационных приборов, мини-чип лазеры, интерференционные оптические пленки, антибактериальные покрытия, фотокатализаторы для разложения воды (водородная энергетика), нанокомпозиты для очистки воздуха и воды, фотонно-кристаллические волокна и другие.