stringtranslate.com

Фотоника

Рассеивание света ( фотонов ) призмой

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 зондирования . [1] [2] Фотоника тесно связана с квантовой электроникой, где квантовая электроника занимается теоретической частью, а фотоника — ее инженерными приложениями. [1] Хотя она охватывает все технические приложения света по всему спектру , большинство фотонных приложений 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

Слово «Фотоника» происходит от греческого слова «phos», означающего свет (которое имеет родительный падеж «photos», а в сложных словах используется корень «photo-»). Оно появилось в конце 1960-х годов для описания области исследований, целью которой было использование света для выполнения функций, традиционно относящихся к типичной области электроники, например, телекоммуникации, обработка информации и т. д. [ необходима ссылка ]

Одним из первых примеров использования этого слова было письмо Джона У. Кэмпбелла Готхарду Гюнтеру от декабря 1954 года :

Кстати, 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 электротехника имеют дело с групповыми явлениями! И заметьте, что с помощью электроники можно делать то, что невозможно в электротехнике! [3]

Фотоника как область началась с изобретения мазера и лазера в 1958-1960 годах. [1] Затем последовали другие разработки: лазерный диод в 1970-х годах, оптические волокна для передачи информации и усилитель на волокне, легированном эрбием . Эти изобретения легли в основу телекоммуникационной революции конца 20-го века и обеспечили инфраструктуру для Интернета .

Хотя термин «фотоника» был придуман ранее, он вошел в обиход в 1980-х годах, когда волоконно-оптическая передача данных была принята операторами телекоммуникационных сетей. [ требуется ссылка ] В то время этот термин широко использовался в Bell Laboratories . [ требуется ссылка ] Его использование было подтверждено, когда Общество лазеров и электрооптики IEEE основало архивный журнал под названием Photonics Technology Letters в конце 1980-х годов. [ требуется ссылка ]

В период, предшествовавший краху доткомов около 2001 года, фотоника была областью, сосредоточенной в основном на оптических телекоммуникациях. Однако фотоника охватывает огромный спектр научных и технологических приложений, включая производство лазеров, биологическое и химическое зондирование, медицинскую диагностику и терапию, технологию отображения и оптические вычисления . Дальнейший рост фотоники вероятен, если текущие разработки кремниевой фотоники будут успешными. [4]

Связь с другими полями

Классическая оптика

Фотоника тесно связана с оптикой . Классическая оптика задолго предшествовала открытию квантования света, когда Альберт Эйнштейн в 1905 году дал знаменитое объяснение фотоэлектрическому эффекту . Инструменты оптики включают преломляющую линзу , отражающее зеркало и различные оптические компоненты и приборы, разработанные в 15-19 веках. 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

Фотоника связана с квантовой оптикой , оптомеханикой , электрооптикой , оптоэлектроникой и квантовой электроникой . 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.

Термин «фотоника» более конкретно означает:

Термин оптоэлектроника обозначает устройства или схемы, которые включают в себя как электрические, так и оптические функции, т. е. тонкопленочное полупроводниковое устройство. 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 области. Следуя источнику на optics.org, [5] ответ на запрос издателя Journal of Optics: A Pure and Applied Physics в редакционную коллегию относительно рационализации названия журнала сообщил о существенных различиях в том, как термины «оптика» и «фотоника» описывают предметную область, с некоторым описанием, предполагающим, что «фотоника охватывает оптику». На практике, по мере развития области, свидетельства того, что «современная оптика» и фотоника часто используются взаимозаменяемо, очень размыты и поглощены научным жаргоном.

Новые области

Фотоника также относится к развивающейся науке квантовой информации и квантовой оптики. Другие развивающиеся области включают:

Приложения

Морская мышь ( Aphrodita aculeata ) [6] с разноцветными шипами — замечательный пример фотонной инженерии живого организма.

Приложения фотоники повсеместны. Включены все области от повседневной жизни до самой передовой науки, например, обнаружение света, телекоммуникации , обработка информации , фотоэлектричество , 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 , ультрафиолетовую флуоресценцию, XRF ), сельское хозяйство и робототехника .

Так же, как применение электроники значительно расширилось с момента изобретения первого транзистора в 1948 году, уникальные применения фотоники продолжают появляться. Экономически важные 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, передачу данных на чипе, датчики, лазерную оборону и термоядерную энергетику , и это лишь несколько интересных дополнительных примеров.

Микрофотоника и нанофотоника обычно включают фотонные кристаллы и твердотельные устройства . [8]

Обзор исследований в области фотоники

Наука фотоника включает в себя исследование излучения , передачи, усиления , обнаружения и модуляции света.

Источники света

Фотоника обычно использует источники света на основе полупроводников, такие как светодиоды (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 экраны TFT , требуют подсветки либо люминесцентными лампами с холодным катодом , либо, что сегодня встречается чаще, светодиодами.

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 материальных систем являются арсенид галлия (GaAs) и арсенид галлия алюминия (AlGaAs) или другие полупроводниковые соединения . Они также используются в сочетании с кремнием для производства гибридных кремниевых лазеров .

Средства передачи данных

Свет может передаваться через любую прозрачную среду. Стеклянное волокно или пластиковое оптическое волокно могут использоваться для направления света по желаемому пути. В оптической связи оптические волокна позволяют передавать данные на расстояние более 100 км без усиления в зависимости от скорости передачи данных и формата модуляции, используемых для передачи. Очень передовой темой исследований в области фотоники является исследование и изготовление специальных структур и «материалов» с заданными оптическими свойствами. К ним относятся фотонные кристаллы , фотонно-кристаллические волокна и метаматериалы .

Усилители

Оптические усилители используются для усиления оптического сигнала. Оптические усилители, используемые в оптической связи, — это усилители на основе волокон, легированных эрбием , полупроводниковые оптические усилители , рамановские усилители и оптические параметрические усилители . Очень продвинутой темой исследований оптических усилителей является исследование полупроводниковых оптических усилителей на квантовых точках .

Обнаружение

Фотодетекторы обнаруживают свет. Фотодетекторы варьируются от очень быстрых фотодиодов для коммуникационных приложений до среднескоростных приборов с зарядовой связью ( ПЗС ) для цифровых камер и очень медленных солнечных элементов , которые используются для сбора энергии из солнечного света . Существует также много других фотодетекторов, основанных на тепловых, химических , квантовых, фотоэлектрических и других эффектах.

Модуляция

Модуляция источника света используется для кодирования информации об источнике света. Модуляция может быть достигнута источником света напрямую. 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. Включенная-выключенная манипуляция была широко используемым форматом модуляции в оптической связи. В последние годы были исследованы более продвинутые форматы модуляции, такие как фазовая манипуляция или даже ортогональное частотное разделение мультиплексирования, чтобы противодействовать эффектам, таким как дисперсия , которые ухудшают качество передаваемого сигнала.

Фотонные системы

Фотоника также включает исследования фотонных систем. Этот термин часто используется для оптических систем связи . Эта область исследований фокусируется на внедрении фотонных систем, таких как высокоскоростные фотонные сети. Это также включает исследования оптических регенераторов, которые улучшают качество оптического сигнала. [ необходима цитата ]

Фотонные интегральные схемы

Фотонные интегральные схемы (ФИС) — это оптически активные интегрированные полупроводниковые фотонные устройства. Ведущим коммерческим применением ФИС являются оптические приемопередатчики для оптических сетей центров обработки данных. ФИС, изготовленные на подложках из полупроводниковых пластин фосфида индия III-V , были первыми, достигшими коммерческого успеха; [10] ФИС на основе подложек из кремниевых пластин теперь также являются коммерческой технологией.

Основные области применения интегрированной фотоники включают:

Биофотоника

Биофотоника использует инструменты из области фотоники для изучения биологии . Биофотоника в основном фокусируется на улучшении медицинских диагностических возможностей (например, для диагностики рака или инфекционных заболеваний) [14], но также может использоваться для экологических и других приложений. [15] [16] Основными преимуществами этого подхода являются скорость анализа, неинвазивная диагностика и возможность работы in situ .

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc Chai Yeh (2 декабря 2012 г.). Прикладная фотоника. Elsevier. стр. 1–. ISBN 978-0-08-049926-0.
  2. ↑ Ричард С. Куимби (14 апреля 2006 г.). Фотоника и лазеры: Введение. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-79158-4.
  3. ^ Кэмпбелл, Джон В. (1991). "14 декабря 1954 года". В Chapdelaine, Перри А. (ред.). Письма Джона В. Кэмпбелла с Айзеком Азимовым и А. Э. ван Вогтом, том II . AC Projects, Inc. ISBN 9780931150197.
  4. ^ Отзывчивые фотонные наноструктуры: интеллектуальные наноразмерные оптические материалы, редактор: Ядун Инь RSC Cambridge 2013 https://pubs.rsc.org/en/content/ebook/978-1-84973-653-4
  5. ^ Optics.org. «Оптика или фотоника: что кроется в названии?». Optics.org.
  6. ^ "Морская мышь обещает светлое будущее". BBC News . 2001-01-03 . Получено 2013-05-05 .
  7. ↑ Архивировано в Ghostarchive и Wayback Machine: - YouTube
  8. ^ 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.
  9. ^ Аль-Таравни, Мусаб AM (октябрь 2017 г.). «Улучшение интегрированного датчика электрического поля на основе гибридного сегментированного щелевого волновода». Optical Engineering . 56 (10): 107105. Bibcode :2017OptEn..56j7105A. doi :10.1117/1.oe.56.10.107105. S2CID  125975031.
  10. ^ Иван Каминов; Тинге Ли; Алан Э. Виллнер (3 мая 2013 г.). Оптоволоконные телекоммуникации. Том VIA: Компоненты и подсистемы. Academic Press. ISBN 978-0-12-397235-4.
  11. ^ Чанг, Фрэнк (17 августа 2018 г.). Технологии подключения центров обработки данных: принципы и практика. River Publishers. ISBN 978-87-93609-22-8.
  12. ^ Нотарос, Елена (11 июля 2022 г.). «Кремниевая фотоника для LiDAR, дополненной реальности и не только». Конгресс по визуализации и прикладной оптике 2022 г. (3D, AOA, COSI, ISA, pcAOP) (2022), статья CM4A.3 . Издательская группа Optica: CM4A.3. doi :10.1364/COSI.2022.CM4A.3.
  13. ^ Бхаргава, П.; Ким, Т.; Поултон, CV; Нотарос, Дж.; Яакоби, А.; Тимурдоган, Э.; Байокко, К.; Фаренкопф, Н.; Крюгер, С.; Нгай, Т.; Тимальсина, Ю.; Уоттс, MR; Стоянович, В. (июнь 2019 г.). «Полностью интегрированный когерентный LiDAR в 3D-интегрированной кремниевой фотонике / 65-нм КМОП». Симпозиум 2019 года по схемам СБИС : C262–C263. doi : 10.23919/VLSIC.2019.8778154.
  14. ^ Лоренц, Бьорн; 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.
  15. ^ Wichmann, Christina; Chhallani, Mehul; Bocklitz, Thomas; Rösch, Petra; Popp, Jürgen (5 ноября 2019 г.). «Моделирование транспортировки и хранения и их влияние на спектры Рамана бактерий». Аналитическая химия . 91 (21): 13688–13694. doi :10.1021/acs.analchem.9b02932. ISSN  1520-6882. PMID  31592643. S2CID  203924741.
  16. ^ Тауберт, Мартин; Штёкель, Стефан; Гисинк, Патрисия; Гирнус, Софи; Йемлих, 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. PMID  29194923. S2CID  25510308.