Войти
Дисперсия света (фотоны) с помощью призмы. Фотоника - это физика генерации света (фотонов ), обнаружения и манипулирования посредством излучения, передача, модуляция, обработка сигнала, переключение, усиление и обнаружение. Хотя охват всех технических применений света по всему спектру, большинство фотонных приложений находятся в диапазоне видимого и близкого к 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.
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, которые традиционно входили в типичную область электроники, таких как телекоммуникации, обработка информации и т. д.
Фотоника как область зарождения с изобретением лазера в 1960 году. За этим последовали и другие разработки: лазерный диод в 1970-х годах, оптические волокна для передачи информации и эрбиевый усилитель на легированном волокне. Эти изобретения легли в основу телекоммуникационной революции конца 20-го века и обеспечили инфраструктуру для Интернета.
Хотя термин «фотоника» был придуман ранее, он стал широко использоваться в 1980-х, когда оптоволоконная передача данных была принята операторы телекоммуникационных сетей. В то время этот термин широко использовался в Bell Laboratories. Его использование было подтверждено, когда IEEE Lasers and Electro-Optics Society учредило архивный журнал, названный в конце 1980-х.
В период, предшествующий dot-com крах около 2001 г., фотоника 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, технологию отображения и оптические вычисления. Дальнейший рост фотоники вероятен, если текущие разработки кремниевой фотоники будут успешными.
Фотоника тесно связана с оптика. Классическая оптика задолго до открытия квантования света, когда Альберт Эйнштейн классно объяснил фотоэлектрический эффект в 1905 году. Инструменты оптики включают преломляющую линзу, отражающую 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.
Фотоника относится к квантовой оптике, оптомеханике, электрооптике, оптоэлектронике и квантовая электроника. Однако 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.
Более конкретно термин «фотоника» означает:
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.
Фотоника также относится к развивающейся науке квантовой информации и квантовой оптики. К другим новым областям относятся:
A морская мышь (Aphrodita aculeata), демонстрирующая 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, художественная диагностика (включая инфракрасную рефлектографию, рентгеновские лучи, ультрафиолетовые флуоресценцию, 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 применения 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 лишь несколько интересных дополнительных примеров.
Микрофотоника и нанофотоника обычно включают фотонные кристаллы и твердотельные устройства.
Наука о фотонике включает исследования излучение, пропускание, усиление, обнаружение и модуляция света.
В фотонике обычно используются источники света на основе полупроводников, такие как светоизлучающие диоды (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 свой собственный свет, жидкокристаллические дисплеи (ЖК-дисплеи), такие как TFT-экраны, требуют подсветка либо люминесцентных ламп с холодным катодом, либо, что чаще всего, светодиодов.
Характерным для исследований полупроводниковых источников света является частое использование полупроводников III-V 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 производства гибридных кремниевых лазеров.
Свет может передаваться через любую прозрачную среду. Стекловолокно или пластиковое оптическое волокно может использоваться для направления света по заданному пути. В оптической связи оптические волокна допускают передачу на расстояние более 100 км без усиления в зависимости от скорости передачи битов 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.
Оптические усилители используются для усиления оптического сигнала. Оптические усилители, используемые в оптической связи, представляют собой усилители на волокне, легированном эрбием,, полупроводниковые оптические усилители, Рамановские усилители и оптические параметрические усилители. Очень продвинутая тема исследования оптических усилителей - это исследование полупроводниковых оптических усилителей квантовых точек.
Фотодетекторы обнаруживают свет. Фотоприемники варьируются от очень быстрых фотодиодов для приложений связи через устройства с зарядовой связью со средней скоростью (ПЗС ) для цифровых камер до очень медленных солнечных элементов которые используются для сбора энергии от солнечного света. Также существует множество других фотодетекторов, основанных на тепловых, химических, квантовых, фотоэлектрических и других эффектах.
Модуляция источника света используется для кодирования информации об источнике света. Модуляция может быть достигнута непосредственно источником света. Один из простейших примеров - использование фонарика для отправки кода Морзе. Другой метод состоит в том, чтобы взять свет от источника света и модулировать его с помощью внешнего оптического модулятора.
. Дополнительной темой, затронутой исследованиями модуляции, является формат модуляции. Двухпозиционное переключение было 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.
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, которые улучшают качество оптического сигнала.
Интегральная пластина фотонной схемы Фотонные интегральные схемы (PIC) представляют собой 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 -
Межсоединения центров обработки данных: центры обработки данных продолжают расти в масштабах, поскольку компании и учреждения хранят и обрабатывают больше информации в облаке. С увеличением вычислительной мощности центра обработки данных соответственно возрастают требования к сетям центра обработки данных. Оптические кабели могут поддерживать большую полосу пропускания при больших расстояниях передачи, чем медные кабели. Для небольших расстояний и скорости передачи данных до 40 Гбит / с неинтегрированные подходы, такие как поверхностно излучающие лазеры с вертикальным резонатором, могут использоваться для оптических приемопередатчиков на многомодовом оптоволокне сети. За пределами этого диапазона и полосы пропускания фотонные интегральные схемы играют ключевую роль в создании высокопроизводительных и недорогих оптических трансиверов.
Аналоговые радиочастотные сигналы: с помощью высокоточной обработки сигналов с частотой 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 загрязнителей 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 разрабатываются как универсальные и повсеместные датчики из стекла / кремния и встраиваются в крупносерийное производство в различные мобильные устройства.
Датчики на мобильных платформах позволяют нам более напрямую взаимодействовать с методами, которые лучше защищают окружающей среды, следить за поставками продуктов питания и сохранять наше здоровье.
ЛИДАР 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 также формирования изображений, обнаружения и определения дальности (LIDAR) с помощью лазера. свет может служить дополнением к радару, обеспечивая точное отображение (с трехмерной информацией) на близком расстоянии. Эта новая форма машинного зрения находит 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, дорогостоящими 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 использует инструменты из от области фотоники к изучению 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 работы на месте.
.
