Фотоника
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( апрель 2013 г. ) |
Фотоника — это раздел оптики , который включает в себя применение генерации , обнаружения и манипулирования светом в форме фотонов посредством излучения , передачи , модуляции , обработки сигналов , переключения, усиления и восприятия . [1] [2] Фотоника тесно связана с квантовой электроникой, где квантовая электроника занимается теоретической частью, а фотоника — инженерными приложениями. [1] Хотя они охватывают все технические применения света во всем спектре , большинство фотонных применений находятся в диапазоне видимого и ближнего инфракрасного света. Термин «фотоника» возник как результат первых практических полупроводниковых излучателей света, изобретенных в начале 1960-х годов, и оптических волокон, разработанных в 1970-х годах.
История
[ редактировать ]Слово «Фотоника» происходит от греческого слова «phos», означающего свет (в родительном падеже которого имеется слово «фотографии», а в сложных словах используется корень «фото-»); оно появилось 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. [ нужна ссылка ]
Первый случай использования этого слова был в письме Джона В. Кэмпбелла Готхарду Гюнтеру в декабре 1954 года :
Между прочим, я решил изобрести новую науку — фотонику. Она имеет такое же отношение к оптике, как электроника к электротехнике. Фотоника, как и электроника, будет иметь дело с отдельными единицами; оптика и ЭЭ имеют дело с групповыми явлениями! И заметьте, с электроникой можно делать то, что невозможно в электротехнике! [3]
Фотоника как область науки началась с изобретения мазера и лазера в 1958–1960 годах. [1] 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-го века и обеспечили инфраструктуру Интернета .
Хотя термин «фотоника» был придуман ранее, он стал широко использоваться в 1980-х годах, когда операторы телекоммуникационных сетей начали использовать оптоволоконную передачу данных. [ нужна ссылка ] В то время этот термин широко использовался в Bell Laboratories . [ нужна ссылка ] Его использование было подтверждено, когда Общество лазеров и электрооптики IEEE основало архивный журнал Photonics Technology Letters . в конце 1980-х годов [ нужна ссылка ]
В период, предшествовавший краху доткомов примерно в 2001 году, фотоника была областью, сосредоточенной 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 окажутся успешными. [4]
Связь с другими областями
[ редактировать ]Классическая оптика
[ редактировать ]Фотоника тесно связана с оптикой . Классическая оптика задолго до открытия квантования света, когда Альберт Эйнштейн в 1905 году объяснил фотоэлектрический эффект . Оптические инструменты включают преломляющую линзу , отражающее зеркало и различные оптические компоненты и инструменты, разработанные на протяжении 15-19 веков. Ключевые положения 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
[ редактировать ]Фотоника связана с квантовой оптикой , оптомеханикой , электрооптикой , оптоэлектроникой и квантовой электроникой . Однако каждая область имеет несколько разное значение в научных и государственных кругах, а также на рынке. Квантовая оптика часто означает фундаментальные исследования, 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 тонкопленочные полупроводниковые устройства. Термин электрооптика появился раньше и конкретно охватывает нелинейные электрооптические взаимодействия, применяемые, например, в качестве объемных кристаллических модуляторов, таких как ячейка Поккельса , но также включает в себя усовершенствованные датчики изображения.
Важным аспектом современного определения фотоники является то, что не обязательно существует широко распространенное согласие в восприятии границ поля. По словам источника на оптике.org, [5] В ответе на запрос издателя журнала «Журнал оптики: чистая и прикладная физика» в редакцию относительно оптимизации названия журнала сообщалось о существенных различиях в том, как термины «оптика» и «фотоника» описывают предметную область, при этом некоторое описание, предполагающее, что «фотоника включает в себя оптику». На практике, по мере развития этой области, свидетельства того, что «современная оптика» и фотоника часто используются как взаимозаменяемые, очень разбросаны и поглощены научным жаргоном.
Новые области
[ редактировать ]Фотоника также связана с развивающейся наукой о квантовой информации и квантовой оптикой. Другие развивающиеся области включают в себя:
- Оптоакустика или фотоакустическая визуализация , при которой лазерная энергия, доставленная в биологические ткани, поглощается и преобразуется в тепло, что приводит к ультразвуковому излучению.
- Оптомеханика , которая предполагает изучение взаимодействия света и механических колебаний мезоскопических или макроскопических объектов;
- Оптомика , в которой устройства объединяют как фотонные, так и атомные устройства для таких приложений, как точное хронометрирование, навигация и метрология;
- Плазмоника , изучающая взаимодействие света и плазмонов в диэлектрических и металлических структурах. Плазмоны — это квантование плазменных колебаний ; при соединении с электромагнитной волной они проявляются как поверхностные плазмонные поляритоны или локализованные поверхностные плазмоны .
- Поляритоника , отличающаяся 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 разработку фотонных схем, которые можно перепрограммировать для реализации различных функций так же, как электронная ПЛИС.
Приложения
[ редактировать ]
Применение фотоники повсеместно. Включены все области от повседневной жизни до самой передовой науки, например, обнаружение света, телекоммуникации , обработка информации , фотовольтаика , фотонные вычисления , освещение , метрология , спектроскопия , голография , медицина (хирургия, коррекция зрения, эндоскопия, мониторинг здоровья), биофотоника , военные технологии , лазерная обработка материалов, художественная диагностика (с использованием инфракрасной рефлектографии, рентгена , ультрафиолетовой флуоресценции, РФА ), сельское хозяйство и робототехника .
Точно так же, как области применения электроники резко расширились с момента изобретения первого транзистора в 1948 году, продолжают появляться уникальные применения фотоники. Экономически важные области применения полупроводниковых фотонных устройств включают оптическую запись данных, оптоволоконные телекоммуникации, лазерную печать (на основе ксерографии), дисплеи и оптическую накачку мощных лазеров. Потенциальные применения фотоники практически безграничны и включают химический синтез, медицинскую диагностику, внутрикристальную передачу данных, датчики, лазерную защиту и термоядерную энергию , и это несколько интересных дополнительных примеров.
- Бытовое оборудование: сканер штрих-кода , принтер, устройства CD/DVD/Blu-ray, дистанционного управления. устройства
- Телекоммуникации : волоконно-оптическая связь , оптический понижающий преобразователь в СВЧ.
- Возобновляемая энергия : Солнечные энергетические системы
- 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, лазерная дальномерность, умные конструкции.
- Авиация : фотонные гироскопы без подвижных частей.
- Военные : ИК-датчики, управление и управление, навигация, поиск и спасение, установка и обнаружение мин.
- Развлечения : лазерные шоу , лучевые эффекты, голографическое искусство.
- Обработка информации
- Пассивное дневное радиационное охлаждение
- Датчики : LIDAR , датчики для бытовой электроники.
- Метрология : измерения времени и частоты, дальномер
- Фотонные вычисления : [7] распределение тактового сигнала 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 . [8]
Обзор исследований фотоники
[ редактировать ]Наука фотоника включает исследование излучения , передачи, усиления , обнаружения и модуляции света.
Источники света
[ редактировать ]В фотонике обычно используются источники света на основе полупроводников, такие как светоизлучающие диоды (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 люминесцентными лампами с холодным катодом , либо, что чаще сегодня, светодиодами.
Характерной чертой 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 , позволяющими реализовать светоизлучающие устройства . Примерами используемых систем материалов являются арсенид галлия (GaAs) и арсенид алюминия-галлия (AlGaAs) или другие сложные полупроводники . Они также используются в сочетании с кремнием для производства гибридных кремниевых лазеров .
Средства передачи
[ редактировать ]Свет может передаваться через любую прозрачную среду. стекловолокно или пластиковое оптическое волокно Для направления света по желаемому пути можно использовать . В оптической связи оптические волокна позволяют передавать данные на расстояния более 100 км без усиления в зависимости от скорости передачи данных и формата модуляции, используемого для передачи. Очень продвинутой темой исследований в фотонике является исследование и изготовление специальных структур и «материалов» с специально разработанными оптическими свойствами. К ним относятся фотонные кристаллы , фотонно-кристаллические волокна и метаматериалы .
Усилители
[ редактировать ]Оптические усилители используются для усиления оптического сигнала. Оптические усилители, используемые в оптической связи, представляют собой волоконные усилители, легированные эрбием , полупроводниковые оптические усилители , рамановские усилители и оптические параметрические усилители . Очень продвинутой темой исследований оптических усилителей являются исследования полупроводниковых оптических усилителей на квантовых точках .
Обнаружение
[ редактировать ]Фотодетекторы обнаруживают свет. Фотодетекторы варьируются от очень быстрых фотодиодов для коммуникационных приложений и среднескоростных устройств с зарядовой связью ( ПЗС ) для цифровых камер до очень медленных солнечных элементов , которые используются для сбора энергии солнечного света . Существует также множество других фотоприемников, основанных на тепловых, химических , квантовых, фотоэлектрических и других эффектах.
Модуляция
[ редактировать ]Модуляция источника света используется для кодирования информации об источнике света. Модуляция может быть достигнута непосредственно источником света. Один из самых простых примеров — использование фонарика для отправки кода Морзе . Другой метод — взять свет от источника света и модулировать его во внешнем оптическом модуляторе . [9]
Дополнительной темой, охватываемой исследованиями модуляции, является формат модуляции. Двухпозиционная манипуляция является широко используемым форматом модуляции в оптической связи. В последние годы более совершенные форматы модуляции, такие как фазовая манипуляция или даже мультиплексирование с ортогональным частотным разделением, были исследованы для противодействия таким эффектам, как дисперсия , которые ухудшают качество передаваемого сигнала.
Фотонные системы
[ редактировать ]Фотоника также включает исследования фотонных систем. Этот термин часто используется для оптических систем связи. Эта область исследований сосредоточена на реализации фотонных систем, таких как высокоскоростные фотонные сети. Сюда также входят исследования оптических регенераторов , которые улучшают качество оптического сигнала. [ нужна ссылка ]
Фотонные интегральные схемы
[ редактировать ]Фотонные интегральные схемы (PIC) представляют собой оптически активные интегральные полупроводниковые фотонные устройства. Ведущим коммерческим применением PIC являются оптические трансиверы для оптических сетей центров обработки данных. PIC были изготовлены на подложках полупроводниковых пластин фосфида индия III-V и первыми достигли коммерческого успеха; [10] PIC на основе кремниевых пластин в настоящее время также являются коммерческой технологией.
Ключевые приложения интегрированной фотоники включают в себя:
- Объединение центров обработки данных. Центры обработки данных продолжают расти в размерах, поскольку компании и учреждения хранят и обрабатывают все больше информации в облаке. С увеличением вычислительной мощности центров обработки данных соответственно возрастают и требования к сетям центров обработки данных. Оптические кабели могут поддерживать большую полосу пропускания на больших расстояниях передачи, чем медные кабели. На небольших расстояниях и скоростях передачи данных до 40 Гбит/с неинтегрированные подходы, такие как лазеры поверхностного излучения с вертикальным резонатором, могут использоваться для оптических приемопередатчиков в многомодовых волоконно-оптических сетях. [11] Помимо этого диапазона и полосы пропускания, фотонные интегральные схемы являются ключом к созданию высокопроизводительных и недорогих оптических трансиверов.
- Применение аналоговых радиочастотных сигналов. Используя прецизионную обработку сигналов фотонных интегральных схем, радиочастотными (РЧ) сигналами можно манипулировать с высокой точностью, добавляя или удаляя несколько радиоканалов, распределенных по сверхширокополосному диапазону частот. Кроме того, фотонные интегральные схемы могут удалять фоновый шум из радиочастотного сигнала с беспрецедентной точностью, что увеличит соотношение сигнал/шум и позволит установить новые стандарты в области низкого энергопотребления. В совокупности эта высокоточная обработка позволяет нам теперь упаковывать большие объемы информации в радиосвязь на сверхдальних расстояниях. [ нужна ссылка ]
- Датчики. Фотоны также можно использовать для обнаружения и дифференциации оптических свойств материалов. Они могут идентифицировать химические или биохимические газы из загрязнения воздуха, органических продуктов и загрязняющих веществ в воде. Их также можно использовать для обнаружения отклонений в крови, таких как низкий уровень глюкозы, и измерения биометрических показателей, таких как частота пульса. Фотонные интегральные схемы разрабатываются как всеобъемлющие и повсеместные датчики из стекла/кремния и встраиваются в различные мобильные устройства в ходе крупносерийного производства. [ нужна ссылка ] Датчики мобильных платформ позволяют нам более непосредственно взаимодействовать с методами, которые лучше защищают окружающую среду, контролируют поставки продуктов питания и поддерживают наше здоровье.
- LIDAR и другие с фазированной решеткой изображения : массивы PIC могут использовать преимущества фазовых задержек в свете, отраженном от объектов трехмерной формы, для восстановления трехмерных изображений, а Light Imaging, Detection and Ranging (LIDAR) с помощью лазерного света может предложить дополнение к радар , обеспечивающий точное изображение (с 3D-информацией) на близких расстояниях. Эта новая форма машинного зрения нашла немедленное применение в беспилотных автомобилях для уменьшения количества столкновений, а также в биомедицинской визуализации. Фазированные решетки также можно использовать для связи в свободном пространстве и новых технологий отображения. Текущие версии LIDAR преимущественно полагаются на движущиеся части, что делает их большими, медленными, с низким разрешением, дорогостоящими и склонными к механической вибрации и преждевременному выходу из строя. Интегрированная фотоника может реализовать LIDAR на площади размером с почтовую марку, сканировать без движущихся частей и производиться в больших объемах по низкой цене. [ нужна ссылка ]
Биофотоника
[ редактировать ]Биофотоника использует инструменты от области фотоники до изучения биологии . Биофотоника в основном направлена на улучшение медицинских диагностических возможностей (например, рака или инфекционных заболеваний). [12] но также может использоваться для экологических или других целей. [13] [14] Основными преимуществами этого подхода являются скорость анализа, неинвазивная диагностика и возможность работы in-situ .
См. также
[ редактировать ]- Нанооптика
- ОП-ТЕК
- Оптроника /оптоэлектроника
- Органическая фотоника
- Биофотоника
- Мачта фотоники (на подводных лодках)
- Фотонный радар
- Европейский консорциум индустрии фотоники
- Глобальный форум IOWN
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Чай Йе (2 декабря 2012 г.). Прикладная фотоника . Эльзевир. стр. 1–. ISBN 978-0-08-049926-0 .
- ^ Ричард С. Куимби (14 апреля 2006 г.). Фотоника и лазеры: Введение . Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-471-79158-4 .
- ^ Кэмпбелл, Джон В. (1991). «14 декабря 1954 года». В Чапделейн, Перри А. (ред.). Письма Джона В. Кэмпбелла с Исааком Азимовым и А.Э. ван Фогтом, Том II . AC Projects, Inc. ISBN 9780931150197 .
- ^ Отзывчивые фотонные наноструктуры: интеллектуальные наноразмерные оптические материалы, редактор: Ядун Инь RSC, Кембридж, 2013 https://pubs.rsc.org/en/content/ebook/978-1-84973-653-4
- ^ Оптика.орг. «Оптика или фотоника: что в названии?» . Оптика.орг.
- ^ «Морская мышь обещает светлое будущее» . Новости Би-би-си . 03 января 2001 г. Проверено 5 мая 2013 г.
- ^ Архивировано в Ghostarchive и Wayback Machine : - Ютуб
- ^ Эрве Риньо; Жан-Мишель Луртиоз; Клод Делаланд; Ариэль Левенсон (5 января 2010 г.). Нанофотоника . Джон Уайли и сыновья. стр. 5–. ISBN 978-0-470-39459-5 .
- ^ Аль-Тарауни, Мусаб А.М. (октябрь 2017 г.). «Совершенствование интегрального датчика электрического поля на основе гибридного сегментно-щелевого волновода». Оптическая инженерия . 56 (10): 107105. Бибкод : 2017OptEn..56j7105A . дои : 10.1117/1.oe.56.10.107105 . S2CID 125975031 .
- ^ Иван Каминов; Тингье Ли; Алан Э. Уиллнер (3 мая 2013 г.). Оптоволоконные телекоммуникации. Том VIA: Компоненты и подсистемы . Академическая пресса. ISBN 978-0-12-397235-4 .
- ^ Чанг, Фрэнк (17 августа 2018 г.). Технологии подключения центров обработки данных: принципы и практика . Речное издательство. ISBN 978-87-93609-22-8 .
- ^ Лоренц, Бьёрн; Вихманн, Кристина; Штёкель, Стефан; Рёш, Петра; Попп, Юрген (май 2017 г.). «Безкультивационные рамановские спектроскопические исследования бактерий». Тенденции в микробиологии . 25 (5): 413–424. дои : 10.1016/j.tim.2017.01.002 . ISSN 1878-4380 . ПМИД 28188076 .
- ^ Вихманн, Кристина; Чхаллани, Мехул; Бёклиц, 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. дои : 10.1021/acs.analchem.9b02932 . ISSN 1520-6882 . ПМИД 31592643 . S2CID 203924741 .
- ^ Тауберт, Мартин; Штёкель, Стефан; Гисинк, Патрисия; Гирнус, Софи; Да, Нико; фон Берген, Мартин; Рёш, Петра; Попп, Юрген; Кюзель, Кирстен (январь 2018 г.). «Отслеживание активных микробов подземных вод с помощью маркировки D2 O, чтобы понять их экосистемную функцию». Экологическая микробиология . 20 (1): 369–384. дои : 10.1111/1462-2920.14010 . ISSN 1462-2920 . ПМИД 29194923 . S2CID 25510308 .
