Fotonika

Rozpraszanie światła (fotonów ) przez pryzmat.

Fotonika to gałąź optyki , która obejmuje zastosowanie generowania, wykrywania i manipulowania światłem w postaci fotonów poprzez emisję , transmisję , modulację , przetwarzanie sygnału , przełączanie, wzmacnianie i wykrywanie . Chociaż obejmuje wszystkie światła w całym spektrum , większość zastosowań fotonicznych dotyczy zakresu światła widzialnego i bliskiej podczerwieni światło. Termin fotonika rozwinął się jako następstwo pierwszych praktycznych półprzewodnikowych emiterów światła wynalezionych na początku lat sześćdziesiątych i światłowodów opracowanych w latach siedemdziesiątych.

Historia

Słowo „fotonika” pochodzi od greckiego słowa „phos” oznaczającego światło (które ma dopełniacz „zdjęcia”, aw słowach złożonych używany jest rdzeń „zdjęcie-”); pojawił się pod koniec lat 60. XX wieku, aby opisać dziedzinę badań, której celem było wykorzystanie światła do wykonywania funkcji tradycyjnie mieszczących się w typowej dziedzinie elektroniki, takich jak telekomunikacja, przetwarzanie informacji itp. [ potrzebne źródło ]

Fotonika jako dziedzina rozpoczęła się wraz z wynalezieniem lasera w 1960 r. Później nastąpił dalszy rozwój: dioda laserowa w latach 70. XX wieku, 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, gdy operatorzy sieci telekomunikacyjnych przyjęli światłowodową transmisję danych. [ potrzebne źródło ] W tym czasie termin ten był szeroko stosowany w Bell Laboratories . [ potrzebne źródło ] Jego użycie zostało potwierdzone, gdy IEEE Lasers and Electro-Optics Society założyło czasopismo archiwalne o nazwie Photonics Technology Letters pod koniec lat 80-tych. [ potrzebne źródło ]

W okresie poprzedzającym krach dot-comów około 2001 roku fotonika jako dziedzina koncentrowała się głównie na telekomunikacji optycznej. Jednak fotonika obejmuje szeroki zakres zastosowań naukowych i technologicznych, w tym produkcję laserów, czujniki biologiczne i chemiczne, diagnostykę i terapię medyczną, technologię wyświetlania i obliczenia optyczne . Dalszy rozwój fotoniki jest prawdopodobny, jeśli obecny fotoniki krzemowej zakończy się sukcesem.

Stosunek do innych dziedzin

Optyka klasyczna

Fotonika jest ściśle związana z optyką . Optyka klasyczna na długo poprzedzała odkrycie, że światło jest kwantowane, kiedy to Albert Einstein w 1905 r. w słynny sposób wyjaśnił efekt fotoelektryczny. Narzędzia optyczne obejmują soczewkę refrakcyjną, lustro odbijające oraz różne komponenty i instrumenty optyczne opracowane w okresie od XV do XIX wieku. Kluczowe założenia optyki klasycznej, takie jak zasada Huygensa , opracowana w XVII wieku, równania Maxwella a równania falowe, opracowane 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 jest używana z badaniami stosowanymi i rozwojem.

Termin fotonika bardziej szczegółowo oznacza:

  • Cząsteczkowe właściwości światła,
  • Potencjał tworzenia technologii urządzeń przetwarzających sygnały z wykorzystaniem fotonów,
  • Praktyczne zastosowanie optyki i
  • Analogia do elektroniki .

Termin optoelektronika odnosi się do urządzeń lub obwodów, które obejmują zarówno funkcje elektryczne, jak i optyczne, tj. cienkowarstwowe urządzenie półprzewodnikowe. Termin elektrooptyka pojawił się wcześniej i obejmuje w szczególności nieliniowe oddziaływania elektryczno-optyczne stosowane np. jako modulatory objętościowe kryształów, takie jak komórka Pockelsa , ale obejmuje również zaawansowane czujniki obrazujące.

Ważnym aspektem współczesnej definicji fotoniki jest to, że niekoniecznie istnieje powszechna zgoda co do postrzegania granic pola. Zgodnie ze źródłem na optics.org odpowiedź na zapytanie wydawcy Journal of Optics A: Pure and Applied Physics skierowane do redakcji dotyczące usprawnienia nazwy czasopisma wykazało znaczące różnice w sposobie, w jaki terminy „optyka” i „fotonika” opisują obszar tematyczny, z pewnym opisem sugerującym, że „fotonika obejmuje optykę. gon.

Powstające pola

Fotonika odnosi się również do powstającej nauki o informacji kwantowej i optyce kwantowej . Inne rozwijające się dziedziny to:

Aplikacje

Mysz morska ( Aphrodita aculeata ), pokazująca kolorowe kolce, niezwykły przykład inżynierii fotonicznej żywego organizmu

Zastosowania fotoniki są wszechobecne. Obejmuje wszystkie dziedziny od życia codziennego po najbardziej zaawansowaną naukę np. detekcję światła, telekomunikację , przetwarzanie informacji , fotowoltaikę , obliczenia fotoniczne , oświetlenie , metrologię , spektroskopię , holografię , medycynę (chirurgię, korekcję wzroku, endoskopię, monitorowanie zdrowia), biofotonikę , technologię wojskową , laser obróbka materiałów, diagnostyka artystyczna (w tym reflektografia w podczerwieni , promieniowanie rentgenowskie , fluorescencja ultrafioletowa , XRF ), rolnictwo i robotyka .

Tak jak zastosowania elektroniki znacznie się rozszerzyły od czasu wynalezienia pierwszego tranzystora w 1948 r., tak samo pojawiają się unikalne zastosowania fotoniki. Ekonomicznie ważne zastosowania półprzewodnikowych urządzeń fotonicznych obejmują optyczną rejestrację danych, telekomunikację światłowodową, druk laserowy (oparty 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 termojądrową , by wymienić kilka interesujących dodatkowych przykładów.

Mikrofotonika i nanofotonika zwykle obejmują kryształy fotoniczne i urządzenia półprzewodnikowe .

Przegląd badań fotonicznych

Nauka fotoniki obejmuje badanie emisji , transmisji , wzmocnienia , wykrywania i modulacji światła.

Źródła światła

Fotonika powszechnie wykorzystuje półprzewodnikowe źródła światła, takie jak diody elektroluminescencyjne (LED), diody superluminescencyjne i lasery . Inne źródła światła obejmują źródła pojedynczych fotonów , lampy fluorescencyjne , kineskopy (CRT) i ekrany plazmowe . Należy pamiętać, że podczas gdy kineskopy, ekrany plazmowe i z organicznymi diodami elektroluminescencyjnymi generują własne światło, wyświetlacze ciekłokrystaliczne (LCD), takie jak ekrany TFT, wymagają podświetlenia lamp fluorescencyjnych z zimną katodą lub, coraz częściej, diod LED.

Charakterystyczne dla badań nad półprzewodnikowymi źródłami światła jest częste stosowanie półprzewodników III-V zamiast klasycznych półprzewodników krzemowych i germanowych . Wynika to ze specjalnych właściwości półprzewodników III-V , które pozwalają na realizację urządzeń emitujących światło . Przykładami stosowanych układów materiałowych są arsenek galu (GaAs) i arsenek glinowo-galowy (AlGaAs) lub inne złożone półprzewodniki . Są również używane w połączeniu z krzemem do produkcji hybrydowe lasery krzemowe .

Środki przekazu

Światło może być transmitowane przez dowolne przezroczyste medium. Do poprowadzenia światła wzdłuż żądanej ścieżki można użyć włókna szklanego lub światłowodu z tworzywa sztucznego . W komunikacji optycznej światłowody pozwalają na transmisję na odległość ponad 100 km bez wzmocnienia, w zależności od szybkości transmisji bitów i formatu modulacji używanej do transmisji. Bardzo zaawansowanym tematem badawczym w fotonice jest badanie i wytwarzanie specjalnych struktur i „materiałów” o zmodyfikowanych właściwościach optycznych. Należą do nich kryształy fotoniczne , światłowody fotoniczne i metamateriały .

Wzmacniacze

Wzmacniacze optyczne służą do wzmacniania sygnału optycznego. Wzmacniacze optyczne stosowane w komunikacji optycznej to wzmacniacze światłowodowe domieszkowane erbem , półprzewodnikowe wzmacniacze optyczne , wzmacniacze ramanowskie i optyczne wzmacniacze parametryczne . Bardzo zaawansowanym tematem badań nad wzmacniaczami optycznymi są badania nad półprzewodnikowymi wzmacniaczami optycznymi z kropkami kwantowymi .

Wykrycie

Fotodetektory wykrywają światło. Zakres fotodetektorów obejmuje bardzo szybkie fotodiody do zastosowań komunikacyjnych, urządzenia ze sprzężeniem ładunkowym ( CCD ) o średniej szybkości do aparatów cyfrowych, a także bardzo wolne ogniwa słoneczne , które są 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 za pomocą źródła 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 nad modulacją jest format modulacji. Kluczowanie on-off jest powszechnie używanym 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 systemów fotonicznych. Termin ten jest często używany w odniesieniu do komunikacji optycznej . Ten obszar badań koncentruje się na wdrażaniu systemów fotonicznych, takich jak szybkie sieci fotoniczne. Obejmuje to również badania nad regeneratorami optycznymi poprawiającymi jakość sygnału optycznego. [ potrzebne źródło ]

Fotoniczne układy scalone

Fotoniczne układy scalone (PIC) to optycznie aktywne zintegrowane półprzewodnikowe urządzenia fotoniczne. Wiodącym komercyjnym zastosowaniem PIC są optyczne transceivery do sieci optycznych centrów danych. PIC zostały wyprodukowane na z fosforku indu III-V i jako pierwsze odniosły komercyjny sukces; PIC oparte na podłożach z płytek krzemowych są obecnie technologią skomercjalizowaną.

Kluczowe zastosowania zintegrowanej fotoniki obejmują:

  • Połączenia między centrami danych: Centra danych stale rosną, ponieważ firmy i instytucje przechowują i przetwarzają coraz więcej informacji w chmurze. Wraz ze wzrostem mocy obliczeniowej centrów danych odpowiednio rosną wymagania wobec sieci centrów danych. Kable optyczne mogą obsługiwać większą przepustowość linii przy dłuższych odległościach transmisji niż kable miedziane. W przypadku niewielkich odległości i szybkości transmisji danych do 40 Gb/s, niezintegrowane podejścia, takie jak lasery emitujące powierzchnię z wnęką pionową, mogą być stosowane w optycznych nadajnikach-odbiornikach na światłowodzie wielomodowym sieci. Poza tym zasięgiem i przepustowością, fotoniczne układy scalone są kluczem do stworzenia wysokowydajnych, tanich optycznych urządzeń nadawczo-odbiorczych.
  • Zastosowania analogowego sygnału RF: Wykorzystując precyzyjne przetwarzanie sygnału w GHz fotonicznych układów scalonych, sygnały o częstotliwości radiowej (RF) można manipulować z dużą dokładnością, aby dodawać lub usuwać wiele kanałów radiowych, rozproszonych w ultraszerokopasmowym zakresie częstotliwości. Ponadto fotoniczne układy scalone mogą usuwać szumy tła z sygnału RF z niespotykaną precyzją, co zwiększy stosunek sygnału do szumu i umożliwi nowe wzorce w zakresie wydajności przy niskim poborze mocy. Podsumowując, to wysoce precyzyjne przetwarzanie umożliwia nam pakowanie dużych ilości informacji w komunikację radiową na bardzo duże odległości. [ potrzebne źródło ]
  • Czujniki: Fotony mogą być również wykorzystywane do wykrywania i rozróżniania właściwości optycznych materiałów. Mogą identyfikować gazy chemiczne lub biochemiczne z zanieczyszczenia powietrza, produktów organicznych i zanieczyszczeń w wodzie. Można ich również używać do wykrywania nieprawidłowości we krwi, takich jak niski poziom glukozy, oraz do pomiaru danych biometrycznych, takich jak częstość tętna. Fotoniczne układy scalone są projektowane jako wszechstronne i wszechobecne czujniki ze szkłem/krzemem i osadzane w produkcji wielkoseryjnej w różnych urządzeniach mobilnych. [ potrzebne źródło ] Czujniki platformy mobilnej pozwalają nam bardziej bezpośrednio angażować się w praktyki, które lepiej chronią środowisko, monitorują dostawy żywności i zapewniają nam zdrowie.
  • Obrazowanie LIDAR i inne układy fazowe : matryce PIC mogą wykorzystywać opóźnienia fazowe w świetle odbijanym od obiektów o trójwymiarowych kształtach w celu rekonstrukcji obrazów 3D, a obrazowanie, wykrywanie i określanie odległości (LIDAR) za pomocą światła laserowego może stanowić uzupełnienie radaru, 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 fazowane mogą być również wykorzystywane do komunikacji w wolnej przestrzeni i nowatorskich technologii wyświetlania. Obecne wersje LIDAR-u opierają się głównie na ruchomych częściach, przez co są one duże, powolne, o niskiej rozdzielczości, kosztowne i podatne na wibracje mechaniczne i przedwczesne awarie. Zintegrowana fotonika może realizować LIDAR na powierzchni wielkości znaczka pocztowego, skanować bez ruchomych części i być produkowana w dużych ilościach przy niskich kosztach. [ potrzebne źródło ]

Biofotonika

Biofotonika wykorzystuje narzędzia z dziedziny fotoniki do badań biologii . Biofotonika koncentruje się głównie na poprawie zdolności diagnostycznych w medycynie (na przykład w przypadku raka lub chorób zakaźnych), ale może być również wykorzystywana do zastosowań środowiskowych lub innych. Głównymi zaletami tego podejścia są szybkość analizy, nieinwazyjna diagnostyka oraz możliwość pracy in-situ .

Zobacz też

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Photonics&oldid=1139961176 ”