Интеллектуальные технические системы на основе фотоники

Интеллектуальные технические системы на основе фотоники

Автор: Головастиков Никита Владимирович, Дорожкин Павел Сергеевич, Сойфер Виктор Александрович

Журнал: Онтология проектирования @ontology-of-designing

Рубрика: Общие вопросы формализации проектирования: онтологические аспекты

Статья в выпуске: 4 (42) т.11, 2021 года.

Бесплатный доступ

Обсуждаются перспективы развития фотоники, показана значимость и актуальность проведения исследований в данной области. Раскрыт потенциал, которым обладает фотоника при ответе на социально-экономические вызовы цифровой трансформации. Продемонстрированы возможности, открывающиеся при внедрении устройств на основе фотоники в различных технических системах, предназначенных для повышения безопасности среды обитания и качества жизни человека. Рассмотрены структуры и устройства на базе фотоники для таких ключевых приложений как спектроскопия, аналоговые оптические вычисления, оптические нейронные сети. Указаны возможные приложения фотонных сенсоров и спектрометров нового типа, раскрыты их назначение и конкурентные преимущества. Рассмотрены сверхточные компактные фотонные спектрометры различных конфигураций. Обсуждаются преимущества аналоговых вычислителей перед традиционными электронными устройствами. Рассмотрены структуры нанофотоники, предназначенные для вычисления дифференциальных и интегральных операторов, показаны решения для задачи выделения контуров на изображении. Проанализирована концепция реализации искусственного интеллекта на платформе фотоники в виде оптических нейронных сетей. Рассмотрены структуры, состоящие из последовательности дифракционных элементов и основанные на принципе Гюйгенса-Френеля, а также структуры, состоящие из волноводов, взаимодействующих по принципу интерферометров Маха-Цендера. Приведена оценка мирового рынка фотоники, которая показывает, что фотоника прочно займёт своё место в индустрии будущего.

Еще

Фотоника, интеллектуальные технические системы, спектрометрия, оптические вычисления, оптические нейронные сети

Короткий адрес: https://sciup.org/170191747

IDR: 170191747   |   DOI: 10.18287/2223-9537-2021-11-4-422-436

Список литературы Интеллектуальные технические системы на основе фотоники

  • Intel. Официальный сайт. - https://www.intel.ru/content/www/ru/ru/architecture-and-technology/silicon-photonics/silicon-photonics-overview.html.
  • IBM. Официальный сайт. - https://www.zurich.ibm.com/st/photonics/optics.html.
  • Elosua, C. Volatile Organic Compound Optical Fiber Sensors: A Review / C. Elosua, I. R. Matias, C. Bariain, F. J. Arregui // Sensors. 2006. Vol. 6(11).
  • Petibois, C. Chemical Mapping of Tumor Progression by FT-IR Imaging: Towards Molecular Histopathology / C. Petibois, G. Deleris // Trends Biotechnol. 2016. Vol. 24. P.455-462.
  • Ragai, J. The Scientific Detection of Forgery in Paintings / J. Ragai // Proc. Am. Philos. Soc. 2013. Vol.157. P.164-175.
  • Montero-Orille, C. Design of Dyson imaging spectrome-ters based on the Rowland circle concept / C. Montero-Orille, X. Prieto-Blanco, H. GonzalezNunez, R. de la Fuente // Applied Optics. 2011. Vol. 50(35). P.6487-6494.
  • Карпеев, С.В. Исследование дифракционной решётки на выпуклой поверхности как диспергирующего элемента / С.В. Карпеев, С.Н. Хонина, С.И. Харитонов // Компьютерная оптика. 2015. Т.39, № 2. С.211-217.
  • Yebo, N. On-Chip Arrayed Waveguide Grating Interrogated Silicon-on-Insulator Microring Resonator-Based Gas Sensor / N. Yebo, W. Bogaerts, Z. Hens, and R. Baets // IEEE Photon. Technol. Lett. 2011. Vol. 23. P.1505-1506.
  • Gatkine, P. Arrayed waveguide grating spectrometers for astronomical applications: new results / P. Gatkine, S. Veilleux, Y. Hu, J. Bland-Hawthorn, M. Dagenais // Opt. Express. 2017. Vol.25. P.17918-17935.
  • Ma, X. Passive Coherent Polarization Beam Combination of a Four-Fiber Amplifier Array / X. Ma, M. Li, and J. He // IEEE Photon. J. 2013. Vol.5. 7101307 (8 pp.).
  • Momeni, B. Integrated photonic crystal spectrometers for sensing applications / B. Momeni, E. S. Hosseini, M. Askari, M. Soltani, A. Adibi // Opt. Commun. 2009. Vol.282. P.3168-3171.
  • Xia, Z. High resolution on-chip spectroscopy based on miniaturized microdonut resonators / Z. Xia, A. A. Eftek-har, M. Soltani, B. Momeni, Q. Li, M. Chamanzar, S. Yegnanarayanan, and A. Adibi // Opt. Express. 2011. Vol.19. P.12356-12364.
  • Wang, S.-W. Concept of a high-resolution miniature spectrometer using an integrated filter array / S.-W. Wang, C. Xia, X. Chen, W. Lu, M. Li, H. Wang, W. Zheng, and T. Zhang // Opt. Lett. 2007. Vol.32. P. 632-634.
  • Li, E. Broadband on-chip near-infrared spectroscopy based on plasmonic grating filter array / E. Li, X. Chong, F. Ren, and A.X. Wang // Opt. Lett. 2016. Vol.41. P.1913-1916.
  • Emadi, A. Design and implementation of a sub-nm resolution microspectrometer based on a linear-variable optical filter / A. Emadi, H. Wu, G. de Graaf, and R. Wolffenbuttel // Opt. Express. 2012. Vol.20. P.489-507.
  • Ayerden, N.P. Compact gas cell integrated with a linear variable optical filter / N. P. Ayerden, G. de Graaf, and R. F. Wolffenbuttel // Opt. Express. 2016. Vol.24. P.2981-3002.
  • Emadi, A. Linear variable optical filter-based ultraviolet microspectrometer / A. Emadi, H. Wu, G. de Graaf, P. Enoksson, J. H. Correia, and R. Wolffenbuttel // Appl. Opt. 2012. Vol.51. P.4308-4315.
  • Hendrix, K. Linear variable filters for NASA's OVIRS instrument: pushing the envelope of blocking / K. Hendrix // Appl. Opt. 2017. Vol.56. P.201-205.
  • Sheng, B. Linear variable filters fabricated by ion beam etching with triangle-shaped mask and normal film coating technique / B. Sheng, P. Chen, C. Tao, R. Hong, Y. Huang, and D. Zhang // Chin. Opt. Lett. 2015. Vol.13. 122301 (4 pp.).
  • Calafiore, G. Holographic planar lightwave circuit for on-chip spectroscopy / G. Calafiore, A. Koshelev, S. Dhuey, A. Goltsov, P. Sasorov, S. Babin, V. Yankov, S. Cabrini, and C. Peroz // Light: Science & Applications. 2014. Vol.3. e203 (7 pp.).
  • Babin, S. Digital optical spectrometer-on-chip / S. Babin, A. Bugrov, S. Cabrini, S. Dhuey, A. Goltsov, I. Ivonin, E.-B. Kley, C. Peroz, H. Schmidt, and V. Yankov // Appl. Phys. Lett. 2009. Vol.95. 041105 (3 pp.).
  • Peroz, C. Multiband wavelength demultiplexer based on digital planar holography for on-chip spectroscopy applications / C. Peroz, C. Calo, A. Goltsov, S. Dhuey, A. Koshelev, P. Sasorov, I. Ivonin, S. Babin, S. Cabrini, and V. Yankov // Opt. Lett. 2012. Vol.37. P. 695-697.
  • Peroz, C. High-resolution spectrometer-on-chip based on digital planar holography / C. Peroz, A. Goltsov, S. Dhuey, P. Sasorov, B. Harteneck, I. Ivonin, S. Kopyatev, S. Cabrini, S. Babin, and V. Yankov // IEEE Photonics Journal. 2011. Vol.3. P.888-896.
  • Mossberg, T. Planar holographic optical processing devices / T. Mossberg // Opt. Lett. 2001. Vol. 26. P.414-416.
  • Faraji-Dana, M. Compact folded metasurface spectrometer / M. Faraji-Dana, E. Arbabi, A. Arbabi, S. M. Kamali, H. Kwon, and A. Faraon // Nature Communications. 2018. Vol.9. 4196 (8 pp.).
  • Zhu, A. Y. Compact Aberration Corrected Spectrometers in the Visible Using Dispersion Tailored Metasurfaces / A.Y. Zhu, W.T. Chen, J. Sisler, K.M.A. Yousef, E. Lee, Y.W. Huang, C.W. Qiu, and F. Capasso // Advanced Optical Materials. 2019. Vol.7. 1801144 (8 pp.).
  • Ding, F. Beam-size-invariant spectropolarimeters using gap-plasmon metasurfaces / F. Ding, A. Pors, Y. Chen, V.A. Zenin, and S.I. Bozhevolnyi // ACS Photonics. 2017. Vol.4(4). P.943-949.
  • Hsu, H.-Y. A gradient grating period guided-mode resonance spectrometer / H.-Y. Hsu, Y.-H. Lan, and C.-S. Huang // IEEE Photonics Journal. 2018. Vol.10(1). 4500109 (10 pp.).
  • Liu, L. A strain-tunable nanoimprint lithography for linear variable photonic crystal filters / L. Liu, H.A. Khan, J. Li, A.C. Hillier, and M. Lu // Nanotechnology. 2016. Vol.27(29). 295301 (6 pp).
  • Hsiung, C.T. Refractive index sensor based on gradient waveguide thickness guided-mode resonance filter / C.T. Hsiung and C.-S. Huang // IEEE Sensors Letters. 2018. Vol.2(4). P.1-4.
  • Sheng, B. Tunable and polarization-independent wedged resonance filter with 2D crossed grating / B. Sheng, H. Zhou, C. Tao, A. Zahid, Z. Ni, Y. Huang, R. Hong, D. Zhang // IEEE Photonics Technology Letters. 2016. Vol.28(20). P.2211-2214.
  • Yang, J.-M. Gradient waveguide thickness guided-mode resonance biosensor / J.-M. Yang, N.-Z. Yang, C.-H. Chen and C.-S. Huang // Sensors. 2021. Vol.21(2). 376 (12 pp.).
  • Dobbs, D.W. Fabrication of a graded-wavelength guided-mode resonance filter photonic crystal / D. W. Dobbs, I. Gershkovich, and B. T. Cunningham // Appl. Phys. Lett. 2006. Vol.89. 123113 (3 pp.).
  • Ganesh, N. Compact wavelength detection system incorporating a guided-mode resonance filter / N. Ganesh, A. Xiang, N. B. Beltran, D. W. Dobbs, and B. T. Cunningham // Appl. Phys. Lett. 2007. Vol.90. 081103 (3 pp.).
  • Triggs, G.J. Chirped guided-mode resonance biosensor / G.J. Triggs, Y. Wang, C.P. Reardon, M. Fischer, G.J.O. Evans, and T.F. Krauss // Optica. 2017. Vol.4(2). P.229-234.
  • Qian, L. Non-homogeneous composite GMR structure to realize increased filtering range / L. Qian, K. Wang, G. Wu, L. Zhu, C. Han, and C. Yan // Opt. Express. 2018. Vol.26(18). P.23602-23612.
  • Ko, Y.H. Resonant filters with concurrently tuned central wavelengths and sidebands / Y.H. Ko, N. Gupta, and R. Magnusson // Opt. Lett. 2020. Vol.45(21). P.6046-6049.
  • Yang, N.-Z. Biosensor based on two-dimensional gradient guided-mode resonance filter / N.-Z. Yang, C.-T. Hsiung, C.-S. Huang // Optics Express. 2021. Vol.29(2). P.1320-1332.
  • Hung, Y.-J. Optical spectrometer based on continuously-chirped guided mode resonance filter / Y.-J. Hung, C.-W. Kao, T.-C. Kao, C.-W. Huang, J.-J. Lin, and C.-C. Yin // Opt. Express. 2018. Vol.26. P.27515-27527.
  • Fang, C. Tunable guided-mode resonance filter with a gradient grating period fabricated by casting a stretched PDMS grating wedge / C. Fang, B. Dai, Z. Li, A. Zahid, Q. Wang, B. Sheng, and D. Zhang // Optics Letters. 2016. Vol.41. P. 5302-5305.
  • Hsiung, C. T. Refractive index sensor based on a gradient grating period guided-mode resonance / C.T. Hsiung and C.-S. Huang // IEEE Photonics Technology Letters. 2019. Vol.31(3). P.253-256.
  • Hsiung, C. T. Refractive index sensor based on gradient waveguide thickness guided-mode resonance filter / C.T. Hsiung and C.-S. Huang // IEEE Sensors Letters. 2018. Vol.2(4). P.1-4.
  • Wang, Y.-C. Lightweight torque sensor based on a gradient grating period guided-mode resonance filter / Y.-C. Wang, W-Y. Jang, and C.-S. Huang // IEEE Sensors Journal. 2019. Vol.19(16). P.6610-6617.
  • Бланк, В.А. Изображающий гиперспектрометр - насадка / В.А. Бланк, Р.В. Скиданов // Сборник трудов III международной конференции и молодежной школы «Информационные технологии и нанотехнологии» (ИТНТ-2017). Самара: Новая техника, 2017. С.253-255.
  • Lugt, A.V. Signal detection by complex spatial filtering / A.V. Lugt // IEEE Trans. Inf. Theory. 1964. Vol.10(2). P.139-145.
  • Weiner, A.M. Femtosecond pulse shaping using spatial light modulators / A.M. Weiner // Rev. Sci. Instr. 2000. Vol.71. P.1929-1960.
  • Silva, A. Performing mathematical operations with metamaterials / A. Silva, F. Monticone, G. Castaldi, V. Galdi, A. А1й, N. Engheta // Science. 2014. Vol.343. P.160-163.
  • Tan, S. High-order all-optical differential equation solver based on microring resonators / S. Tan, L. Xiang, J. Zou, Q. Zhang, Z. Wu, Y. Yu, J. Dong, X. Zhang // Optics Letters. 2013. Vol.38. P.3735-3738.
  • Estakhri, N.M. Inverse-designed metastructures that solve equations / N.M. Estakhri, B. Edwards, N. Engheta // Science. 2019. Vol.363. P.1333-1338.
  • Cottle E. et al., [White paper] Optalysys Ltd. https://optalysys.com/white-papers.
  • Doskolovich, L.L. Planar two-groove optical differentiator in a slab waveguide / L.L. Doskolovich, E.A. Bezus, N.V. Golovastikov, D.A. Bykov, and V.A. Soifer // Opt. Express. 2017. Vol.25. P.22328-22340.
  • Bezus, E.A. Spatial integration and differentiation of optical beams in a slab waveguide by a dielectric ridge supporting high-Q resonances / E.A. Bezus, L.L. Doskolovich, D.A. Bykov, and V.A. Soifer // Opt. Express. 2018. Vol.26. P.25156-25165.
  • Zhou, Y. Flat optics for image differentiation / Y. Zhou, H. Zheng, I.I. Kravchenko, J. Valentine // Nat. Photon. 2020. Vol.14. P.316-323.
  • Zhu, T. Plasmonic computing of spatial differentiation / T. Zhu, Y. Zhou, Y. Lou, H. Ye, M. Qiu, Z. Ruan, S. Fan // Nature Communications. 2017. Vol.8. 15391 (5 pp.).
  • Нестеренко, Д.В. Оптическое дифференцирование на основе эффекта Брюстера / Нестеренко Д.В., Колесникова М.Д., Любарская А.В. // Компьютерная оптика. 2018. Т.42(5). С.758-763.
  • Prucnal, P.R. Recent progress in semiconductor excitable lasers for photonic spike processing / P.R. Prucnal, B.J. Shastri, T.F. de Lima, M.A. Nahmias & A.N. Tait // Adv. Opt. Phot. 2016. Vol.8. P.228-299.
  • Vandoorne, K. Experimental demonstration of reservoir computing on a silicon photonics chip / K. Vandoorne, P. Mechet, T.V. Vaerenbergh, M. Fiers, G. Morthier, D. Verstraeten, B. Schrauwen, J. Dambre, P. Bienstman // Nat. Commun. 2014. Vol.5. 3541 (6 pp.).
  • Lin, X. All-optical machine learning using diffractive deep neural networks / X. Lin, Y. Rivenson, N.T. Yardimci, M. Veli, Y. Luo, M. Jarrahi, A. Ozcan // Science. 2018. Vol.361. P.1004-1008.
  • Fu, T. On-chip photonic diffractive optical neural network based on a spatial domain electromagnetic propagation model / T. Fu, Y. Zang, H. Huang, Z Du, C Hu, M Chen, S Yang, H Chen // Optics Express. 2021. Vol.29. P.31924-31940.
  • Shen, Y. Deep learning with coherent nanophotonic circuits / Y. Shen, N. Harris, S. Skirlo et al. // Nature Photon. 2017. Vol.11. P.441-446.
  • SPIE. Official website. 2020 Optics and Photonics Industry Report (Fall Update) URL: https://spie.org/news/2020-optics-and-photonics-industry-report.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp