Fotonika - Photonics
Fotonika to nauka fizyczna i zastosowanie generowania światła ( fotonów ), wykrywania i manipulacji poprzez emisję , transmisję , modulację , przetwarzanie sygnału , przełączanie, wzmacnianie i wykrywanie . Chociaż obejmuje wszystkie techniczne zastosowania światła w całym spektrum , większość zastosowań fotonicznych znajduje się w zakresie światła widzialnego i bliskiej podczerwieni . Termin fotonika powstał w wyniku pierwszych praktycznych półprzewodnikowych emiterów światła wynalezionych na początku lat 60. i światłowodów opracowanych w latach 70. XX wieku.
Historia
Słowo „fotonika” pochodzi od greckiego słowa „phos” oznaczającego światło (którego dopełniacz ma „zdjęcia”, a w złożonych słowach używa się rdzenia „foto-”); pojawił się pod koniec lat sześćdziesiątych jako opis pola badawczego, którego celem było wykorzystanie światła do wykonywania funkcji, które tradycyjnie mieściły się w typowej dziedzinie elektroniki, takiej jak telekomunikacja, przetwarzanie informacji itp.
Fotonika jako dziedzina rozpoczęła się wraz z wynalezieniem lasera w 1960 r. Później nastąpiły inne osiągnięcia: dioda laserowa w latach 70., światłowody do przesyłania informacji oraz wzmacniacz światłowodowy domieszkowany erbem . Wynalazki te stały się podstawą rewolucji telekomunikacyjnej końca XX wieku i zapewniły infrastrukturę dla Internetu .
Termin fotonika, choć ukuty wcześniej, wszedł do powszechnego użytku w latach 80. XX wieku, kiedy operatorzy sieci telekomunikacyjnych zaadoptowali światłowodową transmisję danych. W tym czasie termin ten był powszechnie używany w laboratoriach Bell . Jego użycie zostało potwierdzone, gdy IEEE Lasers and Electro-Optics Society założyło pod koniec lat 80. pismo archiwalne o nazwie Photonics Technology Letters .
W okresie poprzedzającym katastrofę internetową około 2001 roku fotonika jako dziedzina skupiała się głównie na telekomunikacji optycznej. Jednak fotonika obejmuje szeroki zakres zastosowań naukowych i technologicznych, w tym produkcję laserów, wykrywanie biologiczne i chemiczne, diagnostykę i terapię medyczną, technologię wyświetlania i obliczenia optyczne . Dalszy rozwój fotoniki jest prawdopodobny, jeśli obecne osiągnięcia w dziedzinie fotoniki krzemowej odniosą sukces.
Związek z innymi dziedzinami
Optyka klasyczna
Fotonika jest ściśle związana z optyką . Klasyczna optyka na długo poprzedziła odkrycie kwantyzacji światła, kiedy Albert Einstein w 1905 roku wyjaśnił słynny efekt fotoelektryczny . Narzędzia optyki obejmują soczewkę załamującą , lustro odbijające oraz różne komponenty i instrumenty optyczne opracowane w XV-XIX wieku. Kluczowe założenia optyki klasycznej, takie jak zasada Huygensa rozwinięta w XVII wieku, równania Maxwella i równania falowe rozwinięte w XIX wieku nie zależą od kwantowych właściwości światła.
Nowoczesna optyka
Fotonika jest powiązana z optyką kwantową , optomechaniką , elektrooptyką , optoelektroniką i elektroniką kwantową . Jednak każdy obszar ma nieco inne konotacje przez społeczności naukowe i rządowe oraz na rynku. Optyka kwantowa często kojarzy się z badaniami podstawowymi, podczas gdy fotonika kojarzy się z badaniami stosowanymi i rozwojem.
Termin fotonika bardziej konkretnie oznacza:
- Właściwości cząstek światła,
- Potencjał tworzenia technologii urządzeń przetwarzania sygnałów z wykorzystaniem fotonów,
- Praktyczne zastosowanie optyki i
- Analogia do elektroniki .
Termin optoelektronika oznacza urządzenia lub obwody, które spełniają zarówno funkcje elektryczne, jak i optyczne, tj. cienkowarstwowe urządzenie półprzewodnikowe. Termin „ elektroptyka” wszedł wcześniej do użytku i obejmuje w szczególności nieliniowe oddziaływania elektryczno-optyczne stosowane np. jako modulatory kryształów objętościowych, takie jak ogniwo Pockelsa , ale obejmuje również zaawansowane czujniki obrazowania.
Pola wschodzące
Fotonika odnosi się również do powstającej nauki o informacji kwantowej i optyce kwantowej . Inne pojawiające się dziedziny to:
- Optoakustyka lub obrazowanie fotoakustyczne, w którym energia lasera dostarczona do tkanek biologicznych zostanie pochłonięta i zamieniona na ciepło, co prowadzi do emisji ultradźwięków .
- Optomechanika , która polega na badaniu interakcji między światłem a drganiami mechanicznymi obiektów mezoskopowych lub makroskopowych;
- Optomics , w ramach której urządzenia integrują zarówno urządzenia fotoniczne, jak i atomowe do zastosowań takich jak precyzyjne pomiary czasu, nawigacja i metrologia;
- Plazmonika , która zajmuje się badaniem oddziaływania światła i plazmonów w strukturach dielektrycznych i metalicznych. Plazmony to kwantyzacje oscylacji plazmy ; po sprzężeniu z falą elektromagnetyczną, manifestują się jako polarytony plazmonów powierzchniowych lub zlokalizowane plazmony powierzchniowe .
- Polarytonika , która różni się od fotoniki tym, że podstawowym nośnikiem informacji jest polaryton . Polarytony są mieszaniną fotonów i fononów i działają w zakresie częstotliwości od 300 gigaherców do około 10 teraherców .
- Programowalna fotonika , która bada rozwój obwodów fotonicznych, które można przeprogramować w celu realizacji różnych funkcji w taki sam sposób jak elektroniczne FPGA
Aplikacje
Zastosowania fotoniki są wszechobecne. Uwzględnione są wszystkie dziedziny od życia codziennego do najbardziej zaawansowanej nauki np. detekcja światła, telekomunikacja , przetwarzanie informacji , informatyka fotoniczna , oświetlenie , metrologia , spektroskopia , holografia , medycyna (chirurgia, korekcja wzroku, endoskopia, monitoring zdrowia), biofotonika , technika wojskowa , laserowe materiał przetwarzania, diagnostyka sztuki (obejmujące podczerwieni Reflectography, Xrays , Ultraviolet fluorescencji, XRF ), rolnictwie i robotyki .
Podobnie jak zastosowania elektroniki rozszerzyły się dramatycznie od czasu wynalezienia pierwszego tranzystora w 1948 r., wciąż pojawiają się unikalne zastosowania fotoniki. Z ekonomicznego punktu widzenia ważne zastosowania półprzewodnikowych urządzeń fotonicznych obejmują optyczną rejestrację danych, telekomunikację światłowodową, drukowanie laserowe (oparte na kserografii), wyświetlacze i pompowanie optyczne laserów dużej mocy. Potencjalne zastosowania fotoniki są praktycznie nieograniczone i obejmują syntezę chemiczną, diagnostykę medyczną, komunikację danych na chipie, czujniki, obronę laserową i energię syntezy jądrowej , by wymienić kilka interesujących dodatkowych przykładów.
- Sprzęt konsumencki: kod kreskowy skaner, drukarka urządzenia, CD / DVD / Blu-ray, zdalne sterowanie urządzeniami
- Telekomunikacja : komunikacja światłowodowa , optyczny konwerter w dół na mikrofalę;
- Medycyna : korekcja wad wzroku, chirurgia laserowa , endoskopia chirurgiczna, usuwanie tatuaży
- Produkcja przemysłowa : zastosowanie laserów do spawania, wiercenia, cięcia oraz różnych metod modyfikacji powierzchni
- Konstrukcja : niwelacja laserowa, dalmierz laserowy, inteligentne konstrukcje
- Lotnictwo : żyroskopy fotoniczne pozbawione części ruchomych
- Wojskowe : czujniki podczerwieni, dowodzenie i kontrola, nawigacja, poszukiwanie i ratownictwo, układanie i wykrywanie min
- Rozrywka : pokazy laserowe , efekty wiązki, sztuka holograficzna
- Przetwarzanie informacji
- Czujniki : LIDAR , czujniki do elektroniki użytkowej
- Metrologia : pomiary czasu i częstotliwości, dalmierze
- Obliczenia fotoniczne : dystrybucja zegara i komunikacja między komputerami , obwodami drukowanymi lub w ramach optoelektronicznych układów scalonych ; w przyszłości: obliczenia kwantowe
Mikrofotonika i nanofotonika zazwyczaj obejmuje kryształy fotoniczne i urządzenia półprzewodnikowe .
Przegląd badań fotonicznych
Nauka o fotonice obejmuje badanie emisji , transmisji , wzmocnienia , detekcji i modulacji światła.
Źródła światła
Fotonika powszechnie wykorzystuje półprzewodnikowe źródła światła, takie jak diody elektroluminescencyjne (LED), diody superluminescencyjne i lasery . Inne źródła światła zawierają jedno źródło fotonów , lamp fluorescencyjnych , lamp katodowych (CRT), a ekrany plazmowe . Należy zauważyć, że podczas gdy CRT, ekrany plazmowe i organiczne wyświetlacze z diodami elektroluminescencyjnymi generują własne światło, wyświetlacze ciekłokrystaliczne (LCD), takie jak ekrany TFT, wymagają podświetlenia albo lamp fluorescencyjnych z zimną katodą, albo, coraz częściej, diod LED.
Charakterystyczne dla badań nad półprzewodnikowymi źródłami światła jest częste stosowanie półprzewodników III-V zamiast klasycznych półprzewodników, takich jak krzem i german . Wynika to ze specjalnych właściwości półprzewodników III-V, które pozwalają na realizację urządzeń emitujących światło . Przykładami stosowanych systemów materiałowych są arsenek galu (GaAs) i arsenek galu glinu (AlGaAs) lub inne półprzewodniki złożone . Są one również używane w połączeniu z krzemem do produkcji hybrydowych laserów krzemowych .
Środki przekazu
Światło może być przepuszczane przez dowolne przezroczyste medium. Światłowód po pożądanej ścieżce może prowadzić światłowód szklany lub plastikowy . W komunikacji optycznej światłowody pozwalają na transmisję na odległość ponad 100 km bez wzmocnienia w zależności od przepływności i formatu modulacji używanego do transmisji. Bardzo zaawansowanym tematem badawczym w dziedzinie fotoniki jest badanie i wytwarzanie specjalnych struktur i „materiałów” o zmodyfikowanych właściwościach optycznych. Należą kryształy fotoniczne , fotonicznych kryształu włókien i metamateriały .
Wzmacniacze
Wzmacniacze optyczne służą do wzmacniania sygnału optycznego. Wzmacniacze optyczne używane w komunikacji optycznej są wzmacniacze włókno domieszkowane erbem , półprzewodnikowe wzmacniacze optyczne , Ramana wzmacniacze i optyczne wzmacniacze parametryczne . Bardzo zaawansowanym tematem badań nad wzmacniaczami optycznymi są badania nad półprzewodnikowymi wzmacniaczami optycznymi z kropką kwantową .
Wykrycie
Fotodetektory wykrywają światło. Zakres fotodetektorów obejmuje zarówno bardzo szybkie fotodiody do zastosowań komunikacyjnych, jak i urządzenia CCD o średniej szybkości do aparatów cyfrowych, a także bardzo wolne ogniwa słoneczne wykorzystywane do pozyskiwania energii ze światła słonecznego . Istnieje również wiele innych fotodetektorów opartych na efektach termicznych, chemicznych , kwantowych, fotoelektrycznych i innych.
Modulacja
Modulacja źródła światła służy do kodowania informacji o źródle światła. Modulację można uzyskać bezpośrednio przez źródło światła. Jednym z najprostszych przykładów jest użycie latarki do wysłania kodu Morse'a . Inną metodą jest pobranie światła ze źródła światła i modulowanie go w zewnętrznym modulatorze optycznym .
Dodatkowym tematem objętym badaniami modulacji jest format modulacji. Kluczowanie on -off jest powszechnie stosowanym formatem modulacji w komunikacji optycznej. W ostatnich latach badano bardziej zaawansowane formaty modulacji, takie jak kluczowanie z przesunięciem fazowym lub nawet multipleksowanie z ortogonalnym podziałem częstotliwości, aby przeciwdziałać efektom, takim jak dyspersja, które pogarszają jakość przesyłanego sygnału.
Systemy fotoniczne
Fotonika obejmuje również badania nad układami fotonicznymi. Termin ten jest często używany w odniesieniu do optycznych systemów komunikacyjnych . Ten obszar badań koncentruje się na implementacji systemów fotonicznych, takich jak szybkie sieci fotoniczne. Obejmuje to również badania nad regeneratorami optycznymi , które poprawiają jakość sygnału optycznego.
Fotoniczne układy scalone
Fotoniczne układy scalone (PIC) to aktywne optycznie zintegrowane półprzewodnikowe urządzenia fotoniczne. Wiodącym komercyjnym zastosowaniem PIC są optyczne urządzenia nadawczo-odbiorcze do sieci optycznych w centrach danych. PIC wyprodukowane na podłożach półprzewodnikowych z fosforku indu III-V były pierwszymi, które osiągnęły komercyjny sukces; PIC oparte na podłożach płytek krzemowych są teraz również technologią skomercjalizowaną.
Kluczowe zastosowania zintegrowanej fotoniki obejmują:
- Połączenia międzysieciowe centrów danych: Skala centrów danych stale rośnie, ponieważ firmy i instytucje przechowują i przetwarzają więcej informacji w chmurze. Wraz ze wzrostem mocy obliczeniowej w centrach danych odpowiednio wzrastają wymagania dotyczące sieci centrów danych. Kable optyczne mogą obsługiwać większą przepustowość linii przy większych odległościach transmisji niż kable miedziane. W przypadku odległości o małym zasięgu i szybkości transmisji danych do 40 Gb/s w optycznych nadajnikach - odbiornikach w wielomodowych sieciach światłowodowych można stosować podejścia niezintegrowane, takie jak lasery o pionowej wnęce emitujące powierzchnię . Poza tym zakresem i szerokością pasma fotoniczne układy scalone są kluczem do stworzenia wysokowydajnych i tanich transceiverów optycznych.
- Zastosowania analogowego sygnału RF: Wykorzystując precyzyjne przetwarzanie sygnału w fotonicznych układach scalonych w paśmie GHz, można manipulować sygnałami o częstotliwości radiowej (RF) z wysoką wiernością w celu dodania lub usunięcia wielu kanałów radiowych, rozłożonych w ultraszerokopasmowym zakresie częstotliwości. Ponadto fotoniczne układy scalone mogą usuwać szumy tła z sygnału RF z niespotykaną dotąd precyzją, co zwiększa wydajność sygnału do szumu i umożliwia wyznaczanie nowych punktów odniesienia w zakresie wydajności przy niskim poborze mocy. Podsumowując, to wysoce precyzyjne przetwarzanie umożliwia nam teraz pakowanie dużych ilości informacji do komunikacji radiowej na bardzo duże odległości.
- Czujniki: Fotony mogą być również wykorzystywane do wykrywania i różnicowania właściwości optycznych materiałów. Potrafią zidentyfikować gazy chemiczne lub biochemiczne z zanieczyszczenia powietrza, produktów organicznych i zanieczyszczeń w wodzie. Mogą być również wykorzystywane do wykrywania nieprawidłowości we krwi, takich jak niski poziom glukozy, i pomiaru danych biometrycznych, takich jak częstość tętna. Fotoniczne układy scalone są projektowane jako kompleksowe i wszechobecne czujniki ze szkłem/krzemem i osadzane w produkcji wielkoseryjnej w różnych urządzeniach mobilnych. Czujniki platformy mobilnej pozwalają nam bardziej bezpośrednio angażować się w praktyki, które lepiej chronią środowisko, monitorują dostawy żywności i utrzymują nas w zdrowiu.
- LIDAR i innych fazowane układy obrazowania : Tablice PIC mogą skorzystać z opóźnień fazowych w świetle odbitym od przedmiotów z kształtów trójwymiarowych do rekonstrukcji obrazów 3D oraz światła Imaging Detection and Ranging (LIDAR) ze światłem lasera może zaoferować uzupełnienie radar , zapewniając precyzyjne obrazowanie (z informacjami 3D) z bliskiej odległości. Ta nowa forma widzenia maszynowego ma natychmiastowe zastosowanie w samochodach bez kierowcy w celu zmniejszenia liczby kolizji oraz w obrazowaniu biomedycznym. Macierze fazowe mogą być również wykorzystywane do komunikacji w wolnej przestrzeni i nowatorskich technologii wyświetlania. Obecne wersje LIDAR opierają się głównie na ruchomych częściach, dzięki czemu są duże, powolne, o niskiej rozdzielczości, kosztowne i podatne na wibracje mechaniczne i przedwczesne awarie. Zintegrowana fotonika może realizować LIDAR w przestrzeni wielkości znaczka pocztowego, skanować bez ruchomych części i być produkowana w dużych ilościach przy niskich kosztach.
Biofotonika
Biofotonika wykorzystuje narzędzia z dziedziny fotoniki do nauki biologii . Biofotonika koncentruje się głównie na poprawie medycznych zdolności diagnostycznych (na przykład w przypadku raka lub chorób zakaźnych), ale może być również wykorzystywana do zastosowań środowiskowych lub innych. Główne zalety tego podejścia to szybkość analizy, nieinwazyjna diagnostyka oraz możliwość pracy in-situ .
Zobacz też
- Nano-optyka
- OP-TEC
- Optronika /optoelektronika
- Fotonika organiczna
- Fotonika inspirowana biologią
- Maszt fotoniczny (na okrętach podwodnych)
- Radar fotoniczny
- Europejskie Konsorcjum Przemysłu Fotonicznego