Фотоника — это раздел оптики , который включает в себя генерацию, обнаружение и манипулирование 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.
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 ]
Ранний 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 началась с изобретения мазера и лазера в 1958–1960 годах. [1] 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 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 цитация ] В то время этот термин широко использовался в Bell Laboratories . [ нужна цитата ] Его использование было подтверждено, когда Общество лазеров и электрооптики IEEE основало архивный журнал под названием Photonics Technology Letters в конце 1980-х годов. [ нужна цитата ]
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]
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.
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:
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 данным источника на optics.org, [5] в ответе издателя Journal of Optics: A Pure and Applied Physics на запрос редакционной коллегии относительно оптимизации названия журнала сообщалось о существенных различиях в использовании терминов «оптика». «и «фотоника» описывают предметную область, при этом в некоторых описаниях предполагается, 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.
Фотоника также связана с развивающейся наукой о квантовой информации и квантовой оптикой. Другие развивающиеся области включают в себя:
.jpg/1280px-Aphrodita_aculeata_(Sea_mouse).jpg)
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.
Микрофотоника и нанофотоника обычно включают фотонные кристаллы и твердотельные устройства . [8]
Наука фотоника включает исследование излучения , передачи, усиления , обнаружения и модуляции света.
В фотонике обычно используются источники света на основе полупроводников, такие как светоизлучающие диоды (СИД), 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 .
Свет может передаваться через любую прозрачную среду. Для направления света по желаемому пути можно использовать стекловолокно или пластиковое оптическое волокно . 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 .
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 .
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 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 были исследованы более совершенные форматы модуляции, такие как фазовая манипуляция или даже мультиплексирование с ортогональным частотным разделением, для противодействия таким эффектам, как дисперсия , которые ухудшают качество передаваемого сигнала.
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 цитата ]
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 подложек кремниевых пластин в настоящее время также являются коммерциализированной технологией.
Ключевые приложения интегрированной фотоники включают в себя:
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 на месте .