Фотоника - Википедия - Photonics

Дисперсия из свет (фотоны) призмой.

Фотоника это физическая наука света (фотон ) генерация, обнаружение и манипулирование посредством выброс, коробка передач, модуляция, обработка сигналов, переключение, усиление, и зондирование.[1][2] Хотя охватывает все свет технических приложений в целом спектр, большинство фотонных приложений находятся в диапазоне видимого и близкого кинфракрасный 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

Слово «фотоника» происходит от греческого слова «фос», означающего свет (у которого есть родительный падеж «фотографии», а в сложных словах используется корень «фото-»); он появился в конце 1960-х годов для описания области исследований, целью которой было использование света для выполнения функций, традиционно относящихся к типичной области электроники, таких как телекоммуникации, обработка информации и т. д.[нужна цитата ]

Фотоника как область науки началась с изобретения лазер в 1960 году. За этим последовали и другие события: лазерный диод в 1970-е годы оптические волокна для передачи информации, а усилитель на волокне, легированном эрбием. Эти изобретения легли в основу телекоммуникационной революции конца 20-го века и обеспечили инфраструктуру для Интернет.

Хотя термин «фотоника» был придуман ранее, он стал широко использоваться в 1980-х годах, поскольку оптоволоконная передача данных была принята операторами телекоммуникационных сетей.[нужна цитата ] В то время этот термин широко использовался в Bell Laboratories.[нужна цитата ] Его использование было подтверждено, когда IEEE Lasers and Electro-Optics Society учредил архивный журнал под названием Письма о технологиях фотоники в конце 1980-х гг.[нужна цитата ]

В период, предшествующий сбой dot-com Примерно в 2001 году 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 текущая кремниевая фотоника разработки успешны.[3]

Связь с другими полями

Классическая оптика

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 преломляющие линза отражающий 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 а волновые уравнения, развитые в 19-м, не зависят от квантовых свойств света.

Современная оптика

Фотоника связана с квантовая оптика, оптомеханика, электрооптика, оптоэлектроника и квантовая электроника. Тем не менее, каждая область имеет несколько разные коннотации в научных и правительственных сообществах и на рынке. Квантовая оптика часто подразумевает фундаментальные исследования, тогда как фотоника используется для обозначения прикладных исследований и разработок.

Период, термин фотоника более конкретно означает:

  • Свойства частиц света,
  • Возможности создания технологий устройств обработки сигналов с использованием фотонов,
  • Практическое применение оптики и
  • Аналогия с электроника.

Период, термин оптоэлектроника означает устройства или схемы, которые выполняют как электрические, так и оптические функции, то есть тонкопленочный полупроводниковый прибор. Период, термин электрооптика вошли в более раннее использование и, в частности, охватывают нелинейные электрооптические взаимодействия, применяемые, например, в качестве модуляторов объемного кристалла, таких как Ячейка Поккельса, но также включает усовершенствованные датчики изображения.

Новые поля

Фотоника также относится к развивающейся науке о квантовая информация и квантовая оптика. Другие новые области включают:

Приложения

А морская мышь (Aphrodita aculeata),[4] показывая 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, лекарство (хирургия, коррекция зрения, эндоскопия, наблюдение за здоровьем), биофотоника, военная техника, лазерная обработка материалов, художественная диагностика (включая Инфракрасный Рефлектография, Рентгеновские лучи, Ультрафиолетовый флуоресценция, XRF ), сельское хозяйство, и робототехника.

Так же, как приложения электроники резко расширились с момента первого транзистор была изобретена в 1948 году, уникальные применения фотоники продолжают появляться. Экономически важные приложения для полупроводник фотонные устройства включают оптическую запись данных, оптоволоконные телекоммуникации, лазерная печать (на основе ксерографии), дисплеи и оптическая накачка мощных лазеров. Потенциальные применения фотоники практически безграничны и включают химический синтез, медицинскую диагностику, передачу данных на кристалле, датчики, лазерную защиту и термоядерная энергия, чтобы назвать несколько интересных дополнительных примеров.

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

Обзор исследований в области фотоники

Наука фотоники включает исследование выброс, коробка передач, усиление, обнаружение и модуляция света.

Источники света

Фотоника обычно использует источники света на основе полупроводников, такие как светодиоды (Светодиоды), суперлюминесцентные диоды, и лазеры. Другие источники света включают источники одиночных фотонов, флюоресцентные лампы, электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) и плазменные экраны. Обратите внимание, что в то время как ЭЛТ, плазменные экраны и органический светоизлучающий диод дисплеи генерируют собственный свет, жидкокристаллические дисплеи (ЖК-дисплеи) как TFT-экраны требуется подсветка либо люминесцентные лампы с холодным катодом или, чаще всего, светодиоды.

Для исследований полупроводниковых источников света характерно частое использование Полупроводники III-V вместо классических полупроводников, таких как кремний и германий. Это связано с особыми свойствами Полупроводники III-V которые позволяют реализовать светоизлучающие устройства. Примеры используемых систем материалов: арсенид галлия (GaAs) и арсенид алюминия-галлия (AlGaAs) или другие составные полупроводники. Они также используются вместе с кремнием для производства гибридные кремниевые лазеры.

Средства передачи

Свет может передаваться через любой прозрачный средний. Стекловолокно или же пластиковое оптическое волокно можно использовать для направления света по желаемому пути. В оптическая связь оптические волокна позволяют коробка передач расстояния 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

Оптические усилители используются для усиления оптического сигнала. Оптические усилители, используемые в оптической связи: усилители на волокне, легированном эрбием, полупроводниковые оптические усилители, Рамановские усилители и оптические параметрические усилители. Очень продвинутая тема исследования оптических усилителей - это исследование квантовая точка полупроводниковые оптические усилители.

Обнаружение

Фотоприемники обнаружить свет. Фотоприемники варьируются от очень быстрых фотодиоды для коммуникационных приложений через устройства с зарядовой связью средней скорости (ПЗС-матрицы ) за цифровые фотоаппараты очень медленно солнечные батареи которые используются для сбор энергии из Солнечный свет. Также существует множество других фотоприемников на основе тепловых, химический, квант, фотоэлектрический и другие эффекты.

Модуляция

Модуляция источника света используется для кодирования информации об источнике света. Модуляция может быть достигнута непосредственно источником света. Один из простейших примеров - использовать фонарик отправлять азбука Морзе. Другой метод - взять свет от источника света и модулировать его внешним светом. оптический модулятор.[6]

Дополнительной темой, охватываемой исследованиями модуляции, является формат модуляции. Включение-выключение был широко используемым форматом модуляции в оптической связи. В последние годы более продвинутые форматы модуляции, такие как фазовая манипуляция или даже мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов были исследованы для противодействия таким эффектам, как разброс которые ухудшают качество передаваемого сигнала.

Фотонные системы

Фотоника также включает исследования фотонных систем. Этот термин часто используется для оптическая связь системы. Эта область исследований сосредоточена на реализации фотонных систем, таких как высокоскоростные фотонные сети. Это также включает исследования по оптические регенераторы, улучшающие качество оптического сигнала.[нужна цитата ]

Фотонные интегральные схемы

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. ПИК были изготовлены на III-V фосфид индия подложки из полупроводниковых пластин 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 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 Лазеры поверхностного излучения с вертикальным резонатором может использоваться для оптических трансиверов на многомодовое оптическое волокно сети.[8] За пределами этого диапазона и полосы пропускания фотонные интегральные схемы играют ключевую роль в создании высокопроизводительных и недорогих оптических трансиверов.

Применение аналоговых радиочастотных сигналов: используя прецизионную обработку сигналов на частоте ГГц в фотонных интегральных схемах, можно с высокой точностью манипулировать радиочастотными (РЧ) сигналами для добавления или отбрасывания нескольких каналов радиосвязи 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.[нужна 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 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 проектируются как универсальные и повсеместные датчики из стекла / кремния и встраиваются в массовые производства в различные мобильные устройства.[нужна цитата ]

Датчики на мобильных платформах позволяют нам более непосредственно заниматься методами, которые лучше защищают окружающую среду, контролируют снабжение продуктами питания и сохраняют 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 световое изображение, обнаружение и ранжирование (LIDAR) с лазерным светом может предложить дополнение к радар, обеспечивая точное отображение (с трехмерной информацией) на близком расстоянии. Эта новая форма машинное зрение находит немедленное применение в беспилотных автомобилях для уменьшения столкновений и в биомедицинской визуализации. Фазированные решетки также могут использоваться для связи в открытом космосе и новых технологий отображения. Текущие версии LIDAR в основном используют 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.[нужна цитата ]

Биофотоника

Биофотоника использует инструменты из области фотоники для изучения биология. Биофотоника в основном направлена ​​на улучшение медицинских диагностических возможностей (например, для рака или инфекционных заболеваний).[9] но также может использоваться для экологических или других приложений.[10][11] Основные преимущества такого подхода - скорость анализа, неинвазивный диагностика и работоспособность на месте.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Чай Йе (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: Ядун Инь RSC Cambridge 2013 https://pubs.rsc.org/en/content/ebook/978-1-84973-653-4
  4. ^ «Морская мышь обещает светлое будущее». Новости BBC. 2001-01-03. Получено 2013-05-05.
  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. ^ Ат-Таравни, Мусаб А. М. (октябрь 2017 г.). «Усовершенствование интегрированного датчика электрического поля на основе гибридного сегментированного щелевого волновода». Оптическая инженерия. 56 (10): 107105. Bibcode:2017OptEn..56j7105A. Дои:10.1117 / 1.oe.56.10.107105. S2CID  125975031.
  7. ^ Иван Каминов; 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. ^ 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. Дои: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 рамановские спектры бактерий». Аналитическая химия. 91 (21): 13688–13694. Дои: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 подземных вод с помощью маркировки D2O для понимания их экосистемных функций». Экологическая микробиология. 20 (1): 369–384. Дои:10.1111/1462-2920.14010. ISSN  1462-2920. PMID  29194923. S2CID  25510308.