Založení Ústavu fotoniky a elektroniky Akademie věd České republiky (ÚFE AV ČR) je úzce spjato se změnami v organizaci vědy v Československu provedenými vládou v roce 1952, kdy byla založena Československá akademie věd (ČSAV). Přípravné kroky k založení ústavu, tehdy s názvem Ústav teoretické radiotechniky (ÚTR), vedl v roce 1953 Sergej Djaďkov, přední osobnost československého elektronického výzkumu.
Oficiálním datem vzniku ústavu je 1. říjen 1954, kdy prezidium ČSAV přijalo rozhodnutí o zřízení Ústavu teoretické radiotechniky. Vlastní činnost byla zahájena 1.1.1955 a záhy došlo i k přejmenování na Ústav radiotechniky a elektroniky (ÚRE). Pod tímto názvem ústav působil v dlouhém období let 1955 - 2006. Prvním ředitelem ústavu byl jmenován Sergej Djaďkov. Spolu s ním přišla do ústavu skupinka odborníků z průmyslového výzkumu stabilních oscilátorů a statistických metod v radiotechnice. Dále se k ústavu připojila řada významných osobností z oblastí teorie obvodů, přesného měření času a šíření elektromagnetických vln. Již na počátku své činnosti ústav zaujal světovou pozornost úspěšným měřením Dopplerova jevu u první umělé družice Země, sovětského Sputniku, v roce 1957. Úspěšná byla také účast na světové výstavě EXPO 1958 v Bruselu, kde ústav vystavoval samočinný počítač na principu pravděpodobnosti a přístroj pro rezonanční transformaci signálů. Oba exponáty byly oceněny zlatými medailemi.
Na konci roku 1955 měl ústav 36 pracovníků (z toho 16 vědeckých), rok poté byly příslušné počty 71 (19) a v roce 1960 dokonce 180 (30). V roce 1959 odchod skupiny 11 pracovníků přispěl ke vzniku nového samostatného pracoviště, které vytvořilo základ Ústavu teorie informace a automatizace (ÚTIA) ČSAV.
V prvních letech své činnosti neměl ústav vlastní budovu a jeho pracoviště byla na 14 různých místech v Praze, z nichž největší bylo v nové budově Geofyzikálního ústavu ČSAV na Spořilově. Záhy začala výstavba nové budovy v Kobylisích, kam se jednotlivá pracoviště soustředila v roce 1961.
* * *
Přesun do nové budovy byl významný krok pro rozvoj experimentálních výzkumných vybavení. Tak například mohlo dojít k umístění prvního etalonu pro přesná měření času a frekvence se stabilním krystalovým oscilátorem do teplotně stabilizované, 14 metrů hluboké šachty vystavěné v nové budově. Jiří Tolman, vůdčí osobnost ve výzkumu generace a měření přesného času a kmitočtu, povzbudil několik spolupracovníků k zahájení výzkumu kvantové elektroniky s cílem vyvinout kvantový generátor mikrovlnného záření - maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Spuštění maseru na molekulách čpavku 26. března 1963 (první kvantový generátor záření v Československu) skupinou vedenou Viktorem Trkalem bylo průlomovou událostí v oboru kvantové elektroniky a laserové fyziky u nás. Brzy poté, začátkem května 1963, následovalo spuštění rubínového laseru Janem Blablou, pouhé tři roky po proslulém vynálezu laseru Theodora Maimana. Jan Blabla a jeho kolegové později sestavili několik plynových laserů: He-Ne (červen 1964), výkonový CO2 (1966), N2 (1966) a He-Cd (1970) laser. V roce 1967 byla v našem ústavu provedena ve spolupráci s Fakultní nemocnicí na Bulovce první oční laserová operace u nás.
Začátkem roku 1963 byl jmenován novým ředitelem ústavu Václav Zima. Provedl zásadní změny ve struktuře a vědeckém zaměření ústavu. Oddělení šíření elektromagnetických vln bylo převedeno do Geofyzikálního ústavu ČSAV a na druhou stranu do našeho ústavu byla zahrnuta část bývalé laboratoře optiky ČSAV, zabývající se výzkumem materiálů pro infračervenou optiku. Později, v roce 1965, byla do ústavu převedena z Fyzikálního ústavu ČSAV skupina pro výzkum ferroelektrických monokrystalů a jejich aplikace v elektronice. V souladu se světovým pokrokem na poli mikroelektroniky, optoelektroniky a kvantové elektroniky se značná část kapacity ústavu soustředila na výzkum orientovaný k technologii polovodičů, optickým komunikacím a fyzice. Níže jsou shrnuty vybrané výzkumné aktivity ústavu po roce 1965.
Teorie obvodů byla součástí výzkumného zaměření ústavu od dob jeho založení. Na počátku se jednalo o výzkum teorie kaskády dvoubranů, teorie elektrických filtrů a teorie nelineárních obvodů a oscilátorů. Později byl výzkum koncentrován na diskrétní a digitální zpracování signálu, zvláště na digitální filtry, diskrétní Fourierovu transformaci a spektrální a kepstrální analýzu. V roce 1981 se malá výzkumná skupina začala věnovat analýze řeči, jejímu kódování a syntéze. Od samých začátků tato skupinka spolupracovala s ústavem jazyka českého filozofické fakulty Univerzity Karlovy, s Ústavem teorie informace a automatizace ČSAV a řadou průmyslových pracovišť. V roce 1987 byla těmto výzkumným týmům udělena cena Československé akademie věd za jejich příspěvek k výzkumu kódování řeči.
Úsilí věnované přesnému času a frekvenci přineslo světově uznávané a využívané výsledky. Především metoda časového transferu s pomocí synchronizačních impulzů televizního vysílání, kterou navrhnul Jiří Tolman, byla celosvětově používána až do relativně nedávné doby. V devadesátých letech postupně přebíraly její funkci systémy GPS (Global Positioning System).
Věnceslav František Kroupa, který z počátku spolupracoval s Jiřím Tolmanem při výstavbě československého centra přesného času a frekvence, se později orientoval na frekvenční syntézu a dosáhl mezinárodního věhlasu. Jeho kniha "Frequency Synthesis: Fundamentals and Measurements", vydaná v roce 1973, byla první knihou vydanou na toto téma ve světě. Za svůj vědecký přínos byl v roce 2003 oceněn Machovou medailí Akademie věd.
Od poloviny šedesátých let se v ústavu rozvíjel obor optoelektroniky. Náš ústav byl v té době jedním z nemnoha pracovišť ve světě, kde se prováděl výzkum, návrh a výroba GaAs elektroluminiscenčních numerických displejů. Původní návrh displeje, navíc v kontextu s nastupující digitální technikou, vzbudil značný mezinárodní ohlas.
Výzkum fyzikálních zákonitostí elektroluminiscenčních prvků byl prováděn od roku 1967 do konce osmdesátých let. K výrobě GaP substrátů pro elektroluminiscenční zdroje v červené oblasti viditelného spektra se používala heteroepitaxe z plynné fáze. Tato metoda byla dále vylepšena zavedením epitaxe z kapalné fáze pro přípravu heterostruktur. V roce 1979 byla pozornost přesunuta na polovodičové zdroje záření pro optické komunikace. Aktivity byly soustředěny do dvou směrů: v prvním šlo o AlGaAs /GaAs systém pro 0.8-μm telekomunikační okno a ve druhém o InGaAs/InP systém pro provoz v okně 1.3- a 1.55-μm. V roce 1981 bylo dosaženo kontinuální emise záření na vlnové délce 0.8 μm při pokojové teplotě v AlGaAs/GaAs laseru. Na vlnové délce v pásmu 1.3-μm se tak stalo v roce 1988 a rok poté v pásmu 1.55-μm.
Velmi užitečným nástrojem pro diagnostiku polovodičových materiálů se stala metoda SIMS (Secondary Ions Mass Spectroscopy), implementovaná v ústavu v roce 1974. Zvláštního mezinárodního uznání dosáhl Zdeněk Šroubek svým příspěvkem k porozumění procesů přenosu povrchového náboje. Byly rovněž vyvíjeny a používány další metody vhodné ke studiu elektrických a optických vlastností optoelektronických struktur. Mezi nejvýznamnější lze zařadit spektroskopii DLTS (Deep-Level Transient Spectroscopy) a PL spektroskopii (Low-temperature Photoluminescence).
V oblasti koherentní optiky bylo vyvinuto několik specifických metod pro výzkum deformací a mechanických vibrací různých objektů, příp. popis jejich tvarů s použitím holografické topografie. Holografické difrakční mřížky, jako výhodná alternativa mechanicky rytých mřížek, byly vyráběny a dodávány pro speciální optická zařízení v průmyslu. Byly učiněna řada originálních příspěvků k teorii holografického zobrazování, světové prvenství má např. myšlenka fokusujících vázaných mřížek.
V roce 1977 byl zahájen vývoj integrované optiky, tj. výzkum nejrůznějších vlnovodných prvků pro dělení, slučování, řízení a zpracování optických signálů. Byla vyvíjena teoretická analýza šíření světla v planárních a kanálkových vlnovodech, zvláště s ohledem na anizotropii substrátu a elektrooptické a akustooptické interakce. Byly vypracovány metody návrhu, jakož i přípravy litografických masek potřebných k experimentální práci.
Na konci 70. let, v souladu se světovými trendy v optických komunikacích, se začalo několik týmů v ústavu zabývat přípravou a charakterizací optických vláken. Koncem 80. let pak spojené úsilí našeho ústavu a Ústavu chemie skelných a keramických materiálů AV ČR vyústilo v ucelenou metodickou a technologickou základnu pro optické komunikace v Československu. To zahrnovalo např. fyzikální modely pro řízení přípravy gradientních optických vláken, unikátní zařízení pro měření průměru vlákna při tažení a pro automatickou kontrolu procesu tažení vlákna. Tyto výsledky byly podloženy rozsáhlým teoretickým a experimentálním výzkumem šíření světla ve vláknech (jak pro komunikace, tak pro senzorové aplikace), výzkumem technologie vláknových komponent a metod pro charakterizaci optických vláken. Zvláštní pozornost byla věnována výzkumu polarizaci zachovávajících vláken s napěťovými prvky.
* * *
Pád totalitního režimu a návrat demokracie do naší země v roce 1989 nastartoval řadu pozitivních změn v Akademii věd a jejích ústavech. Již v roce 1990, na samém začátku nové éry, byla zvolena vědecká rada ústavu, orgán, který se aktivně podílí na řízení ústavu. Ředitelem byl jmenován Viktor Trkal. Změny se dotkly rovněž výzkumného programu - důraz byl postupně přesouván od průmyslového a aplikovaného výzkumu zpět k hlavnímu poslání ústavů Akademie, kterým je základní výzkum. Otevření se světu s sebou logicky přineslo rozšíření mezinárodní vědecké spolupráce s technologicky nejrozvinutějšími státy a z toho plynoucí obohacení vlastní vědecké práce. Svobodné badatelské prostředí podpořila nově zaváděná cílená podpora výzkumu formou vědeckých grantů. V průběhu let 1990 – 1992 bylo třeba přehodnotit práci všech ústavů ČSAV a zabezpečit jejich činnost po rozdělení republiky přijetím zákona o Akademii věd ČR. Transformace Akademie věd zahrnovala i redukci pracovišť a počtu zaměstnanců. Náš ústav prošel v roce 1992 hodnocením úspěšně, ale, podobně jako ostatní ústavy, musel snížit počet zaměstnanců, a to o jednu třetinu na 128 pracovníků. Od té doby prochází ústav náročným mezinárodním hodnocením pravidelně. V roce 1994 se stal ředitelem Jan Šimša a po jeho dvou funkčních obdobích byl v roce 2002 ředitelem jmenován Vlastimil Matějec.
Od roku 1990 je výzkum soustředěn do tří hlavních oblastí - elektronické signály a systémy, fotonika, a materiálový výzkum pro optoelektroniku. Význam výzkumu v oblastech fotoniky a optoelektroniky v našem ústavu se promítl i do změny názvu, kterým je od 1. ledna 2007 Ústav fotoniky a elektroniky AV ČR, v.v.i. (veřejná výzkumná instituce). Významné výsledky z nedávné doby jsou popsány zde. Na závěr zmíníme aktivity ústavu, které se nově objevily nebo se zvlášť výrazně rozvinuly po roce 1990.
Pro moderní charakterizaci polovodičových vrstev, povrchů a struktur, jakož i skelných materiálů je rozvíjeno několik diagnostických metod. Možnosti metody DLTS spektroskopie byly podstatně rozšířeny vývojem vodivostní spektroskopie. Nízkoteplotní PL spektrometr nyní umožňuje provádět citlivá měření s vysokým rozlišením ve spektrálním rozsahu 300-5000 nm. Možnosti charakterizace byly dále vylepšeny instalací skenovacího elektronového mikroskopu s EDX systémem, který byl nedávno doplněn v ústavu vyrobenou katodovou luminiscencí. Za účelem rozšíření diagnostických možností aparatury SIMS byl vyvinut hmotový průletový spektrometr. Studium nanostruktur a velmi tenkých vrstev vybraných polovodičů je prováděno s pomocí balistické, emisní elektronové mikroskopie a spektroskopie, včetně v ústavu vyvinutého skenovacího tunelovacího mikroskopu.
Ve spolupráci s Univerzitou v Manchesteru v Anglii je prováděn experimentální výzkum metastabilních stavů DX center. Bylo zjištěno, že k cínu vztažená DX centra v materiálu AlGaAs vykazují podstatně odlišné dynamické vlastnosti od center vztažených ke křemíku a teluridu. S pomocí DLTS a elektroluminiscenční spektroskopie byly zjištěny nové mechanismy provozní degradace komerčních GaP:N zeleně emitujících diod s vysokou zářivostí. Tento výzkum byl prováděn ve spolupráci s firmou Siemens v Německu.
Byla vyvinuta a testována metoda selfkonzistentní Greenovy funkce (v rámci přístupu těsných vazeb), která umožňuje provádět realistické výpočty elektronové struktury silně lokalizovaných defektů v III-V sloučeninách. Tato metoda je ve spolupráci s University of California v Irvine (USA) a Lisbon University (Portugalsko) využívána pro analýzu lokalizovaných módů spojených s defekty ve fotonických krystalech. Teoretický výzkum fotonických krystalů je nyní soustředěn na náhodně rozložená a aktivní prostředí, analýzu rozptylových vlastností cylindrických levotočivých materiálů a na nelineární efekty.
V roce 1993 byla k ústavu připojena laboratoř technologie optických vláken, která byla dříve součástí Ústavu chemie skelných a keramických materiálů. Toto rozhodnutí posílilo výzkum ústavu na poli optických vláken, neboť program laboratoře je soustředěn na materiálový výzkum optických vláken pro telekomunikace a chemické senzory. Jsou zde zkoumány fyzikálně-chemické principy přípravy mnohovrstevnatých optických struktur s využitím metody chemické depozice z plynné fáze a metod sol-gel. Ve spolupráci s francouzskými univerzitami Ecole Central de Lyon a University of Jean Monnet, Saint Etienne jsou vyvíjeny nové typy senzorových vláken, jako jsou sektorová vlákna, vlákna s invertovaným gradientním profilem indexu lomu a vlákna z měkkých optických skel. Rovněž jsou zkoumány speciální polymerové a xerogelové pokryvy schopné měřit velmi malé koncentrace chemických látek. V nedávné době se započalo s přípravou mikrostrukturních optických vláken a speciálních vláken s mřížkami s dlouhou periodou (LPG, long-period gratings).
Pokročilá optická vlákna z laboratoře technologie optických vláken tvoří do značné míry základnu pro výzkum ve skupině nelineární vláknové optiky, zaměřený na generaci, zesilování a nelineární šíření ultrakrátkých pulzů v optických vláknech. Byly navrženy nové metody přípravy dvoujádrových vláken a dvouplášťových vláken dopovaných prvky vzácných zemin pro vláknové lasery a zesilovače. Tato vlákna jsou v ÚFE připravována a experimentálně testována. Jsou vyvíjeny softwarové nástroje pro teoretickou analýzu a návrh vláknových zesilovačů dopovaných prvky vzácných zemin (erbiem, erbiem-yterbiem, praseodymem) a Ramanovských vláknových zesilovačů. Tyto programy jsou rovněž integrovány do komerčního návrhového software kanadskou firmou Optiwave Inc.
Začátkem devadesátých let byl zahájen výzkum senzorů na principu rezonanční excitace povrchových plazmonů (SPR - surface plasmon resonance). První SPR senzor vyvinutý v ústavu v roce 1992 byl založen na měření útlumu úplného odrazu a úhlovém skenování. Brzy poté byl navržen optovláknový SPR senzor, jehož další zlepšování vyústilo v nejmenší dosud na světě vyvinutý SPR vláknový senzor. Dále byly zkoumány SPR senzory založené na integrovaně optických vlnovodech. Byly demonstrovány integrovaně optické SPR senzory založené na vlnovodech připravených iontovou výměnou a spektrálním vyhodnocování. Na konci devadesátých let byl studován jev rezonance povrchového plazmonu na difrakčních mřížkách. Tyto studie inicializovaly nový výzkumný program zacílený na vícekanálové SPR senzory s použitím difrakčních mřížek. V roce 2002 tento program vyústil v unikátní vícekanálový SPR senzor založený na spektroskopii povrchových plazmonů na matici difrakčních mřížek, první SPR senzorová platforma schopná provádět přes 100 měření současně. Ve spolupráci s vědci z Ústavu makromolekulární chemie AV ČR v Praze a z Univerzity of Washington v Seattlu (USA), byla výzkumníky v našem ústavu tato unikátní SPR senzorová platforma využita k detekci a identifikaci chemických a biologických látek důležitých pro ochranu životního prostředí (pesticidy), lékařskou diagnostiku (hormony, protilátky), potravinářství (kontrola jakosti potravin, detekce škodlivin) a vojenství (detekce otravných látek). SPR senzory vyvinuté v ÚFE umožňují výzkum biomolekul a jejich interakcí, který je prováděn ve spolupráci s Ústavem hematologie a krevní transfůze v Praze.
Ředitelé ústavu:
1954 - 1963: Sergej Djaďkov
1963 - 1989: Václav Zima
1990 - 1994: Viktor Trkal
1994 - 2002: Jan Šimša
2002 - 2012: Vlastimil Matějec
2012 - dnes: Jiří Homola
Další dokumenty o historii ústavu:
