Фотоника - Photonics

Дисперсия из легких (фотонов) с помощью призмы.

Фотоника - это физическая наука и применение генерации света ( фотонов ), обнаружения и манипулирования посредством излучения , передачи , модуляции , обработки сигналов , переключения, усиления и восприятия . Хотя охват всех технических приложений света во всем спектре , большинство фотонных приложений находятся в диапазоне видимого и ближнего инфракрасного света. Термин «фотоника» возник в результате первых практических полупроводниковых излучателей света, изобретенных в начале 1960-х годов, и оптических волокон, разработанных в 1970-х годах.

История

Слово «фотоника» происходит от греческого слова «фос», означающего свет (которое имеет родительный падеж «фотографии», а в составных словах используется корень «фото-»); он появился в конце 1960-х годов для описания области исследований, целью которой было использование света для выполнения функций, традиционно относящихся к типичной области электроники, таких как телекоммуникации, обработка информации и т. д.

Фотоника как область науки началась с изобретения лазера в 1960 году. За этим последовали и другие разработки: лазерный диод в 1970-х годах, оптические волокна для передачи информации и волоконный усилитель, легированный эрбием . Эти изобретения легли в основу телекоммуникационной революции конца 20 века и обеспечили инфраструктуру для Интернета .

Хотя термин «фотоника» был придуман ранее, он стал широко использоваться в 1980-х годах, когда операторы телекоммуникационных сетей переняли оптоволоконную передачу данных. В то время этот термин широко использовался в Bell Laboratories . Его использование было подтверждено, когда в конце 1980-х Общество лазеров и электрооптики IEEE учредило архивный журнал Photonics Technology Letters .

В период, предшествовавший краху доткомов примерно в 2001 году, сфера фотоники как область фокусировалась в основном на оптических телекоммуникациях. Однако фотоника охватывает огромный спектр научных и технологических приложений, включая производство лазеров, биологические и химические измерения, медицинскую диагностику и терапию, технологии отображения и оптические вычисления . Дальнейший рост фотоники вероятен, если текущие разработки кремниевой фотоники будут успешными.

Связь с другими полями

Классическая оптика

Фотоника тесно связана с оптикой . Классическая оптика задолго до открытия квантования света, когда Альберт Эйнштейн в 1905 году классно объяснил фотоэлектрический эффект . Инструменты оптики включают преломляющую линзу , отражающее зеркало , а также различные оптические компоненты и инструменты, разработанные на протяжении 15-19 веков. Ключевые принципы классической оптики, такие как принцип Гюйгенса , разработанный в 17 веке, уравнения Максвелла и волновые уравнения, разработанные в 19 веке, не зависят от квантовых свойств света.

Современная оптика

Фотоника связана с квантовой оптикой , оптомеханикой , электрооптикой , оптоэлектроникой и квантовой электроникой . Тем не менее, каждая область имеет несколько разные коннотации в научных и правительственных сообществах и на рынке. Квантовая оптика часто ассоциируется с фундаментальными исследованиями, тогда как фотоника используется для обозначения прикладных исследований и разработок.

Термин фотоника более конкретно означает:

  • Свойства частиц света,
  • Потенциал создания технологий устройств обработки сигналов с использованием фотонов,
  • Практическое применение оптики и
  • Аналогия с электроникой .

Термин оптоэлектроника означает устройства или схемы, которые выполняют как электрические, так и оптические функции, то есть тонкопленочный полупроводниковый прибор. Термин « электрооптика» вошел в употребление раньше и, в частности, охватывает нелинейные электрооптические взаимодействия, применяемые, например, в виде модуляторов объемного кристалла, таких как ячейка Поккельса , но также включает усовершенствованные датчики формирования изображения.

Новые поля

Фотоника также относится к развивающейся науке о квантовой информации и квантовой оптике . Другие новые области включают:

Приложения

Море мышь ( Афродита акулеат ), показывая красочные колючки, замечательный пример фотонной инженерии живого организма

Применение фотоники повсеместно. Включены все области от повседневной жизни до самых передовых наук, например, обнаружение света, телекоммуникации , обработка информации , фотонные вычисления , освещение , метрология , спектроскопия , голография , медицина (хирургия, коррекция зрения, эндоскопия, мониторинг здоровья), биофотоника , военные технологии. , лазерная обработка материалов, художественные диагностики ( с участия InfraRed рефлектограммы, рентгеновские лучами , UltraViolet флуоресценции, XRF ), сельское хозяйство , и робототехника .

Так же, как применение электроники резко расширилось с момента изобретения первого транзистора в 1948 году, уникальные приложения фотоники продолжают появляться. Экономически важные области применения полупроводниковых фотонных устройств включают оптическую запись данных, волоконно-оптическую связь, лазерную печать (на основе ксерографии), дисплеи и оптическую накачку мощных лазеров. Потенциальные применения фотоники практически безграничны и включают химический синтез, медицинскую диагностику, передачу данных на кристалле, датчики, лазерную защиту и термоядерную энергию , и это еще несколько интересных примеров.

Микрофотоника и нанофотоника обычно включают фотонные кристаллы и твердотельные устройства .

Обзор исследований фотоники

Наука фотоники включает исследование излучения , передачи , усиления , обнаружения и модуляции света.

Источники света

В фотонике обычно используются источники света на основе полупроводников, такие как светодиоды (LED), суперлюминесцентные диоды и лазеры . Другие источники света включают источники одиночных фотонов , люминесцентные лампы , электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) и плазменные экраны . Обратите внимание, что в то время как ЭЛТ, плазменные экраны и дисплеи на органических светодиодах генерируют собственный свет, жидкокристаллические дисплеи (ЖК-дисплеи), такие как TFT-экраны, требуют подсветки либо люминесцентных ламп с холодным катодом, либо, что чаще сегодня, светодиодов.

Для исследований полупроводниковых источников света характерно частое использование полупроводников AIIIBV вместо классических полупроводников, таких как кремний и германий . Это связано с особыми свойствами полупроводников III-V, которые позволяют реализовать светоизлучающие устройства . Примерами используемых систем материалов являются арсенид галлия (GaAs) и арсенид алюминия-галлия (AlGaAs) или другие полупроводниковые соединения . Они также используются вместе с кремнием для создания гибридных кремниевых лазеров .

Средства передачи

Свет может передаваться через любую прозрачную среду. Стекловолокно или пластиковое оптическое волокно можно использовать для направления света по желаемому пути. В оптических коммуникациях оптические волокна позволяют передавать на расстояние более 100 км без усиления в зависимости от скорости передачи данных и формата модуляции, используемых для передачи. Очень продвинутая тема исследований в фотонике - это исследование и изготовление специальных структур и «материалов» с заданными оптическими свойствами. К ним относятся фотонные кристаллы , фотонно-кристаллические волокна и метаматериалы .

Усилители

Оптические усилители используются для усиления оптического сигнала. К оптическим усилителям, используемым в оптической связи, относятся усилители из волокна, легированного эрбием , полупроводниковые оптические усилители , рамановские усилители и оптические параметрические усилители . Очень продвинутая тема исследования оптических усилителей - это исследования полупроводниковых оптических усилителей с квантовыми точками .

Обнаружение

Фотодетекторы обнаруживают свет. Фотоприемники варьируются от очень быстрых фотодиодов для приложений связи и устройств с зарядовой связью ( CCD ) со средней скоростью для цифровых камер до очень медленных солнечных элементов , которые используются для сбора энергии от солнечного света . Также существует множество других фотоприемников, основанных на тепловых, химических , квантовых, фотоэлектрических и других эффектах.

Модуляция

Модуляция источника света используется для кодирования информации об источнике света. Модуляция может быть достигнута непосредственно источником света. Один из простейших примеров - использовать фонарик для отправки кода Морзе . Другой метод - взять свет от источника света и модулировать его с помощью внешнего оптического модулятора .

Дополнительной темой, охватываемой исследованиями модуляции, является формат модуляции. Двухпозиционная манипуляция была широко используемым форматом модуляции в оптической связи. В последние годы были исследованы более совершенные форматы модуляции, такие как фазовая манипуляция или даже мультиплексирование с ортогональным частотным разделением , чтобы противодействовать таким эффектам, как дисперсия, которые ухудшают качество передаваемого сигнала.

Фотонные системы

Фотоника также включает исследования фотонных систем. Этот термин часто используется для систем оптической связи . Эта область исследований сосредоточена на реализации фотонных систем, таких как высокоскоростные фотонные сети. Это также включает исследования оптических регенераторов , которые улучшают качество оптического сигнала.

Фотонные интегральные схемы

Фотонные интегральные схемы (PIC) - это оптически активные интегрированные полупроводниковые фотонные устройства. Основным коммерческим применением PIC являются оптические приемопередатчики для оптических сетей центров обработки данных. PIC, изготовленные на полупроводниковых подложках из фосфида индия III-V, были первыми, добившимися коммерческого успеха; Микросхемы на основе кремниевых пластин в настоящее время также являются коммерчески доступной технологией.

Ключевые приложения для интегрированной фотоники включают:

  • Соединения центров обработки данных: центры обработки данных продолжают расти в масштабе, поскольку компании и учреждения хранят и обрабатывают больше информации в облаке. С увеличением вычислительной мощности центра обработки данных соответственно возрастают требования к сетям центров обработки данных. Оптические кабели могут поддерживать большую полосу пропускания на больших расстояниях передачи, чем медные кабели. Для небольших расстояний и скорости передачи данных до 40 Гбит / с для оптических приемопередатчиков в многомодовых волоконно-оптических сетях можно использовать неинтегрированные подходы, такие как лазеры с вертикальным резонатором, излучающие поверхность . За пределами этого диапазона и полосы пропускания фотонные интегральные схемы являются ключом к созданию высокопроизводительных и недорогих оптических трансиверов.
  • Приложения аналоговых радиочастотных сигналов: используя прецизионную обработку сигналов на частоте ГГц в фотонных интегральных схемах, можно с высокой точностью манипулировать радиочастотными (РЧ) сигналами для добавления или отбрасывания нескольких радиоканалов в сверхширокополосном диапазоне частот. Кроме того, фотонные интегральные схемы могут удалять фоновый шум из радиочастотного сигнала с беспрецедентной точностью, что увеличивает соотношение сигнал / шум и делает возможными новые тесты производительности с низким энергопотреблением. Взятые вместе, эта высокоточная обработка позволяет нам теперь упаковывать большие объемы информации в радиосвязь на сверхдальних расстояниях.
  • Датчики: Фотоны также можно использовать для обнаружения и различения оптических свойств материалов. Они могут идентифицировать химические или биохимические газы от загрязнения воздуха, органических продуктов и загрязняющих веществ в воде. Их также можно использовать для обнаружения аномалий в крови, таких как низкий уровень глюкозы, и измерения биометрических данных, таких как частота пульса. Фотонные интегральные схемы проектируются как универсальные и повсеместные датчики из стекла / кремния и встраиваются в крупносерийное производство в различные мобильные устройства. Датчики на мобильных платформах позволяют нам более непосредственно заниматься методами, которые лучше защищают окружающую среду, контролируют снабжение продуктами питания и сохраняют наше здоровье.
  • Лидар и другие изображения с фазированной решеткой : массивы PIC могут использовать преимущества фазовых задержек в свете, отраженном от объектов трехмерной формы, для восстановления трехмерных изображений, а световое изображение, обнаружение и ранжирование (LIDAR) с лазерным светом может предложить дополнение к радар , обеспечивая точное отображение (с трехмерной информацией) на близких расстояниях. Эта новая форма машинного зрения находит немедленное применение в беспилотных автомобилях для уменьшения столкновений и в биомедицинской визуализации. Фазированные решетки также могут использоваться для связи в открытом космосе и новых технологий отображения. Текущие версии LIDAR в основном полагаются на движущиеся части, что делает их большими, медленными, с низким разрешением, дорогими и подверженными механической вибрации и преждевременным выходам из строя. Интегрированная фотоника позволяет реализовать LIDAR на площади размером с почтовую марку, сканировать без движущихся частей и производить в больших объемах по низкой цене.

Биофотоника

Биофотоника использует инструменты от области фотоники до изучения биологии . Биофотоника в основном направлена ​​на улучшение медицинских диагностических возможностей (например, для рака или инфекционных заболеваний), но также может использоваться в экологических или других целях. Основными преимуществами этого подхода являются скорость анализа, неинвазивная диагностика и возможность работать на месте .

Смотрите также

использованная литература