Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с Photonic )
Перейти к навигации Перейти к поиску
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 . [1] [2] Хотя охват всех технических приложений света во всем спектре , большинство фотонных приложений находятся в диапазоне видимого и ближнего инфракрасного диапазона.свет. 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 [ править ]

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 которого было использовать свет для выполнения функций , которые традиционно упали в типичной области электроники, таких как телекоммуникации, обработка информации и т.д. [ править ]

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. [ необходима цитата ] В то время этот термин широко использовался в Bell Laboratories . [ необходима цитата ] Его использование было подтверждено, когда в конце 1980-х Общество лазеров и электрооптики IEEE учредило архивный журнал Photonics Technology Letters . [ необходима цитата ]

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. [3]

Связь с другими полями [ править ]

Классическая оптика [ править ]

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 и 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 [ править ]

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 качестве модуляторов объемного кристалла, таких как ячейка Поккельса , но также включает усовершенствованные датчики изображения.

Новые поля [ править ]

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

  • Оптоакустика или фотоакустическая визуализация, при которой энергия лазера, подаваемая в биологические ткани, поглощается и преобразуется в тепло, что приводит к ультразвуковому излучению.
  • Оптомеханика - изучение взаимодействия света и механических колебаний мезоскопических или макроскопических объектов;
  • Оптоатомика , в которой устройства объединяют как фотонные, так и атомные устройства для таких приложений, как точное хронометраж, навигация и метрология;
  • Плазмоника , изучающая взаимодействие света и плазмонов в диэлектрических и металлических структурах. Плазмоны - это квантования плазменных колебаний ; при взаимодействии с электромагнитной волной они проявляются в виде поверхностных плазмонных поляритонов или локализованных поверхностных плазмонов .
  • Поляритоника , которая отличается от фотоники тем, что основным носителем информации является поляритон . Поляритоны представляют собой смесь фотонов и фононов и работают в диапазоне частот от 300 гигагерц до примерно 10 терагерц .
  • Программируемая фотоника , изучающая развитие фотонных схем, которые можно перепрограммировать для реализации различных функций таким же образом, как и в электронной ПЛИС.

Приложения [ править ]

Морская мышь ( Афродита акулеат ), [4] показывают красочные шипы, 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 участием InfraRed рефлектограммы, рентгеновских лучей , 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 приложения для 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.

  • Бытовая техника: сканер штрих-кода , принтер, устройства CD / DVD / Blu-ray, устройства дистанционного управления.
  • Телекоммуникации : оптоволоконная связь , оптический понижающий преобразователь в микроволновую печь
  • Медицина : коррекция плохого зрения, лазерная хирургия , хирургическая эндоскопия, удаление татуировок.
  • Промышленное производство : использование лазеров для сварки, сверления, резки и различных методов модификации поверхности.
  • Строительство : лазерное нивелирование, лазерный дальномер, умные конструкции.
  • Авиация : фотонные гироскопы без подвижных частей
  • Военные : ИК-датчики, управление и контроль, навигация, поиск и спасание, установка и обнаружение мин.
  • Развлечения : лазерные шоу , лучевые эффекты, голографическое искусство.
  • Обработка информации
  • Датчики : LIDAR , датчики для бытовой электроники
  • Метрология : измерения времени и частоты, дальномеры.
  • Фотонные вычисления : распределение часов и связь между компьютерами , печатными платами или внутри оптоэлектронных интегральных схем ; в будущем: квантовые вычисления

Микрофотоника и нанофотоника обычно включают фотонные кристаллы и твердотельные устройства . [5]

Обзор исследований в области фотоники [ править ]

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

Источники света [ править ]

В фотонике обычно используются источники света на основе полупроводников, такие как светодиоды (светодиоды), 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 .

Среда передачи [ править ]

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 [ править ]

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 на квантовых точках .

Обнаружение [ править ]

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 [ править ]

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 . [6]

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 [ править ]

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. [ необходима цитата ]

Фотонные интегральные схемы [ править ]

Пластина интегральной фотонной 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; [7] 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 . [8] 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, радиочастотными (РЧ) сигналами можно с высокой точностью манипулировать 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. [ необходима цитата ]

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. [ необходима цитата ]

Датчики на мобильных платформах позволяют нам более непосредственно заниматься методами, которые лучше защищают окружающую среду, контролируют снабжение продуктами питания и сохраняют наше здоровье.

Лидары и другие системы формирования изображений 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 зрениянаходит немедленное применение в беспилотных автомобилях для уменьшения количества 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. [ необходима цитата ]

Биофотоника [ править ]

Биофотоника использует инструменты от области фотоники до изучения биологии . Биофотоника в основном направлена ​​на улучшение медицинских диагностических возможностей (например, для рака или инфекционных заболеваний) [9], но также может использоваться в экологических или других целях. [10] [11] Основными преимуществами этого подхода являются скорость анализа, неинвазивная диагностика и возможность работы на месте .

См. Также [ править ]

  • Нанооптика
  • OP-TEC
  • Оптроника / оптоэлектроника
  • Органическая фотоника
  • Биологическая фотоника
  • Мачта Photonics (на подводных лодках)
  • Европейский консорциум фотонной промышленности

Ссылки [ править ]

  1. ↑ Chai Yeh (2 декабря 2012 г.). Прикладная фотоника . Эльзевир. стр. 1–. ISBN 978-0-08-049926-0.
  2. ↑ Ричард С. Куимби (14 апреля 2006 г.). Фотоника и лазеры: Введение . Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0-471-79158-4.
  3. ^ Отзывчивые фотонные наноструктуры: интеллектуальные наноразмерные оптические материалы, редактор: Yadong Yin RSC Cambridge 2013 https://pubs.rsc.org/en/content/ebook/978-1-84973-653-4
  4. ^ «Морская мышь обещает светлое будущее» . BBC News . 2001-01-03 . Проверено 5 мая 2013 .
  5. ^ Эрве Риньо; Жан-Мишель Луртиоз; Клод Делаланд; Ариэль Левенсон (5 января 2010 г.). Нанофотоника . Джон Вили и сыновья. С. 5–. ISBN 978-0-470-39459-5.
  6. ^ Al-Tarawni, Musab AM (октябрь 2017). «Усовершенствование интегрированного датчика электрического поля на основе гибридного сегментированного щелевого волновода». Оптическая инженерия . 56 (10): 107105. Bibcode : 2017OptEn..56j7105A . DOI : 10.1117 / 1.oe.56.10.107105 . S2CID 125975031 . 
  7. ^ Иван Kaminow; Тинье Ли; Алан Э. Уиллнер (3 мая 2013 г.). Том VIA: компоненты и подсистемы оптоволоконных телекоммуникаций . Академическая пресса. ISBN 978-0-12-397235-4.
  8. Рианна Чанг, Франк (17 августа 2018 г.). Технологии подключения центров обработки данных: принципы и практика . River Publishers. ISBN 978-87-93609-22-8.
  9. ^ Лоренц, Бьёрн; Вичманн, Кристина; Штёкель, Стефан; Рёш, Петра; Попп, Юрген (май 2017 г.). "Рамановские спектроскопические исследования бактерий без культивирования". Тенденции в микробиологии . 25 (5): 413–424. DOI : 10.1016 / j.tim.2017.01.002 . ISSN 1878-4380 . PMID 28188076 .  
  10. ^ Вичманн, Кристина; Чхаллани, Мехул; Боклитц, Томас; Рёш, Петра; Попп, Юрген (5 ноября 2019 г.). «Моделирование транспортировки и хранения и их влияние на спектры комбинационного рассеяния бактерий». Аналитическая химия . 91 (21): 13688–13694. DOI : 10.1021 / acs.analchem.9b02932 . ISSN 1520-6882 . PMID 31592643 .  
  11. ^ Тауберт, Мартин; Штёкель, Стефан; Гисинк, Патрисия; Гирнус, Софи; Jehmlich, Нико; фон Берген, Мартин; Рёш, Петра; Попп, Юрген; Кюсель, Кирстен (январь 2018 г.). «Отслеживание активных микробов грунтовых вод с помощью маркировки D2O для понимания их экосистемных функций». Экологическая микробиология . 20 (1): 369–384. DOI : 10.1111 / 1462-2920.14010 . ISSN 1462-2920 . PMID 29194923 . S2CID 25510308 .