Фотоника

Дисперзија на светлината (фотоните) предизвикана од преминот на светлината низ призмата.

Фотоника е физичка наука за генерирање, откривање и манипулација на светлина (фотон) преку емисија, пренос, модулација, обработка на сигнали, префрлање, засилување и сензори. Иако ги покриваат сите светлосни технички апликации во целиот спектар, повеќето фотонски апликации се во опсегот на видлива и блиска инфрацрвена светлина. Терминот фотоника развиен како издигнување на првите практични полупроводнички светлосни емитери измислени во раните 1960-ти и оптички влакна развиени во 1970-тите.

Историја

Зборот 'photonics' е изведен од грчкиот збор "phos" што значи светлина (која има генитивен случај "photos" и во сложени зборови се користи коренот "photo-"); се појави во доцните 1960-ти за да се опише поле за истражување чија цел беше да се користи светло за да се извршат функции кои традиционално паднаа во рамките на типичниот домен на електроника, како што се телекомуникациите, обработка на информации итн.

Фотониката како поле започна со пронајдокот на ласерот во 1960 година. Следеа и други случувања: ласерската диода во 1970-тите, оптичките влакна за пренос на информации и влакното засилувач допир со ербиум. Овие пронајдоци ја формираа основата за телекомуникациската револуција на крајот на 20 век и ја обезбедија инфраструктурата за Интернет.

Иако претходно беше измислена, терминот фотоника се најде во општа употреба во 1980-тите, кога телекомуникациските мрежни оператори усвоија фибер-оптички пренос на податоци. Во тоа време, терминот бил широко користен во Bell Laboratories.Неговата употреба беше потврдена кога IEEE Lasers и Electro-Optics Society основа архивски весник со име Photonics Technology Letters на крајот на 1980-тите.

За време на периодот кој доведе до онлајн падот околу 2001 година, фотоника како поле беше фокусирана главно на оптички телекомуникации. Сепак, фотониката опфаќа широк спектар на научни и технолошки апликации, вклучувајќи ласерско производство, биолошко и хемиско чувство, медицинска дијагностика и терапија, технологија на прикажување и оптички компјутери. Понатамошен раст на фотониката е извесен ако моменталните силициумски фотонски развивања се успешни.

Поврзаност со останатите науки

Класична оптика

Фотониката е тесно поврзана со оптиката. Класичната оптика долго му претходеше на откривањето дека светлината е квантитативна, кога Алберт Ајнштајн славно го објасни фотоелектричниот ефект во 1905 година. Алатките на оптиката вклучуваат рефрактерна леќа, рефлектирачко огледало и разни оптички компоненти и инструменти развиени во текот на 15 до 19 век. Клучните принципи на класичната оптика, како што е Хајгенсовиот принцип, развиен во 17 век, Максвеловите равенки и равенки на бранови, развиени во 19 век, не зависат од квантните својства на светлината.

Современа оптика

Фотоника е поврзана со квантната оптика, оптомеханиката, електрооптика, оптоелектроника и квантна електроника. Сепак, секоја област има малку поинакви конотации од научните и од владините заедници и на пазарот. Квантната оптика често конотира фундаментално истражување, додека фотониката се користи за поврзување на применетото истражување и развој.

Терминот фотоника поконкретно конотира:

1. На честички својства на светлината,
2. Потенцијалот за создавање на технологии за обработка на сигналот со користење на фотони,
3. Практичната примена на оптика, и
4. Аналогија на електроника.

Терминот оптоелектроника конотира уреди или кола што опфаќаат и електрични и оптички функции, т.е. тенок филмски полупроводнички уред. Терминот електрооптика дојде во претходна употреба и посебно ги опфаќа нелинеарните електрично-оптички интеракции кои се применуваат, на пример, како модулатори на големи кристали, како што е клетката на Покели, но исто така вклучува и напредни сензори за сликање.

Нови подрачја

Фотониката, исто така, се однесува на новата наука за квантната информација и квантната оптика. Другите нови полиња вклучуваат:

1. Оптоакустика или фотоакустични слики каде што ласерската енергија што се испорачува во биолошките ткива ќе се апсорбира и се претвора во топлина, што ќе доведе до ултразвучна емисија;
2. Оптомеханиката, која вклучува проучување на интеракцијата помеѓу светлината и механичките вибрации на мезоскопските или макроскопските објекти;
3. Опто-атомика, во која уредите ги интегрираат и фотонските и атомските уреди за апликации како што се прецизно мерење на времето, навигација и метрологија;
4. Поларитоника, која се разликува од фотониката затоа што основниот носител на информации е поларитон. Поларитоните се мешавина на фотони и фонони и работат во опсег на честоти од 300 гигахерци до приближно 10 терахерц.

Примена

Морски глушец (Aphrodita aculeata), кај кој се обоени бодликавите израстоци, одличен пример за фотонско инжинерство од страна на жив организам.

Апликациите на фотоника се сеприсутни. Вклучени се сите области од секојдневниот живот до најнапредната наука, на пр. откривање на светлина, телекомуникации, обработка на информации, фотонски компјутери, осветлување, метрологија, спектроскопија, холографија, медицина (хирургија, исправка на видот, ендоскопија, мониторинг на здравјето), биофотоника, воена технологија, обработка на ласерски материјали, арт дијагностика (вклучувајќи инфрацрвена рефлектографија, x-зраци, ултравиолетова флуоресценција, x-зрачна флуоресценција), земјоделство и роботика.

Исто како што примената на електрониката драстично се проширила откако првиот транзистор бил измислен во 1948 година, единствените примени на фотоника продолжуваат да се појавуваат. Економски важни апликации за полупроводнички фотонски уреди вклучуваат снимање на оптички податоци, оптички телекомуникации, ласерско печатење (врз основа на ксерографија), дисплеи и оптичко пумпање на високомоќни ласери. Потенцијалните апликации на фотоника се практично неограничени и вклучуваат хемиска синтеза, медицинска дијагностика, комуникација на податоци на чип, ласерска одбрана и енергија на соединување, за да именуваат неколку интересни дополнителни примери.

1. Потрошувачка опрема: баркод скенер, печатач, CD / DVD / Blu-ray уреди, уреди за далечинско управување
2. Телекомуникации: оптички комуникации, оптички надолен претворач во микробранова печка
3. Медицина: исправка на лош вид, ласерска хирургија, хируршка ендоскопија, отстранување на тетоважи
4. Индустриско производство: употреба на ласери за заварување, дупчење, сечење и разни методи на модификација на површината
5. Градежништво: ласерско израмнување, ласерски опсег, паметни конструкции
6. Воздухопловство: фотонски гироскопи без мобилни делови
7. Војска: IR сензори, команда и контрола, навигација, пребарување и спасување, поставување и откривање на мините
8. Забава: ласерски емисии, ефекти на зрак, холографска уметност
9. Обработка на информации
10. Метрологија: мерење на време и честота, распоредување на опсегот
11. Фотонски пресметки: распределба на часовник и комуникација помеѓу компјутери, печатени кола или во оптоелектронски интегрирани кола; во иднина: квантно пресметување

Микрофотониката и нанофотониката обично вклучуваат фотонски кристали и уреди со цврста состојба.

Преглед на фотоничкото истражување

Науката за фотоника вклучува испитување на емисијата, пренос, засилување, откривање и модулација на светлината.

Извори на светлината

Изворите на светло кои се користат во фотоника обично се далеку пософистицирани од светилките. Фотоника најчесто користи полупроводнички извори на светлина како диоди кои се емитуваат со светлина (LED), суперлуминисцентни диоди и ласери. Други извори на светлина вклучуваат единечни фотонски извори, флуоресцентни светилки, катодни цевки (CRTs) и плазма екрани. Забележете дека додека катодните цевки, плазма екраните и органски светлечки диоди генерираат сопствено светло, LCD екраните како TFT екраните бараат позадинско осветлување на ладна катодна флуоресцентна ламба или, почесто, денес.

Карактеристично за истражување на полупроводнички извори на светлина е честата употреба на III-V полупроводниците наместо класичните полупроводници како силициум и германиум. Ова се должи на посебните својства на полупроводниците III-V кои овозможуваат имплементација на уредите што емитуваат светлина. Примери за материјалните системи што се користат се галиум арсенид (GaAs) и алуминиумски галиум арсенид (AlGaAs) или други соединети полупроводници. Тие исто така се користат во комбинација со силициум за производство на хибридни силициумски ласери.

Пренос преку средини

Светлината може да се пренесе преку било кој проѕирен медиум. Оптичко влакно или пластично оптичко влакно може да се користи за насочување на светлината по саканата патека. Во оптичките комуникациски оптички влакна овозможуваат растојание на пренос од повеќе од 100 km без засилување, во зависност од брзината и форматот на модулација што се користи за пренос. А многу напредна тема за истражување во рамките на фотоника е истрага и изработка на специјални структури и "материјали" со инженерство на оптички својства. Тие вклучуваат фотонски кристали, фотонски кристални влакна и метаматеријали.

Засилувачи

Оптичките засилувачи се користат за засилување на оптичкиот сигнал. Оптички засилувачи кои се користат во оптичките комуникации се засилувачите со влакна од ербиум, полупроводнички оптички засилувачи, рамански засилувачи и оптички параметрични засилувачи. А многу напредна тема за истражување на оптички засилувачи е истражување на квантните точки полупроводнички оптички засилувачи.

Откривање

Фотодетекторите детектираат светлина. Фотодетекторите се движат од многу брзи фотодиоди за апликации за комуникација преку уреди со средна брзина споени со приклучок (CCD) за дигитални фотоапарати до многу бавни сончеви ќелии кои се користат за енергетска берба од сончева светлина. Исто така постојат и многу други фотодетектори засновани на топлинска, хемиска, квантна, фотоелектрична и други ефекти.

Модулација

Модулација на извор на светлина се користи за шифрирање на информации за извор на светлина. Модулација може да се постигне со изворот на светлина директно. Еден од наједноставните примери е да се користи фенерче за да се испрати Морзе код. Друг метод е да се земе светло од извор на светлина и да се модулира во надворешен оптички модулатор.

Дополнителна тема опфатена со модулациони истражувања е форматот на модулација. Вклучувањето на копчињата е најчесто користениот модулациски формат во оптичките комуникации. Во последните неколку години понапредните модулациони формати, како фаза-сменско прицврстување или дури и ортогонална поделба на мултиплексирање со честоти, беа испитувани за да се отстранат ефектите како дисперзија што го деградира квалитетот на пренесениот сигнал.

Фотонски системи

Фотониката исто така вклучува и истражување на фотонските системи. Овој термин често се користи за оптички комуникациски системи. Оваа област на истражување се фокусира на имплементација на фотонски системи како фотонски мрежи со голема брзина. Ова исто така вклучува истражување на оптички регенератори, кои го подобруваат квалитетот на оптичкиот сигнал.

Фотонски интегрирани кола

Фотониските интегрални кола се оптички активни интегрирани полупроводнички фотонски уреди кои се состојат од најмалку два различни функционални блока, (регион на добивка и огледало засновано на хелиум во ласер). Овие уреди се одговорни за комерцијалните успеси на оптичките комуникации и за способноста за зголемување на достапниот пропусен опсег без значително зголемување на трошоците на крајниот корисник, преку подобрени перформанси и намалување на трошоците што ги обезбедуваат. Најшироко распоредените ПИК се засноваат на систем на индиум фосфидните материјали. Силициумската фотоника е активна област на истражување.

Клучни апликации за интегрирана фотоника вклучуваат -

Центри за податоци: Денес, Фејсбук, Амазон, Епл и Гугл сами работат масовно облак компјутери центри за податоци. Бидејќи компаниите и институциите чуваат и обработуваат повеќе информации во облакот, побарувањата за жичените и безжичните мрежи се размножуваат. Во 2013 година, американскиот Национален совет за одбрана на ресурсите пресметал дека центрите за податоци потрошиле еквивалент од 34 големи (500 мегават) јаглен, или доволно енергија за напојување на Њујорк за две години. За уште седум години се предвидува двојно зголемување на податочниот сообраќај. Користејќи интегрирани технологии на фотоника, центрите ќе можат да се справат со поголема брзина на пренос на податоци од брзини на наносекунди, додека трошат само половина од моќта, што резултира со драматични заштеди на трошоците.

Аналогни RF сигнални апликации: Користејќи GHz прецизна обработка на сигнали на фотонски интегрирани кола, радиочестотните (RF) сигнали може да се манипулираат со голема верност за да додадат или испуштат повеќе канали на радио, распространети низ ултра-широкопојасен честотен опсег. Освен тоа, фотонското интегрирано коло може да го отстрани шумот во позадината од RF сигнал со невидена прецизност, што ќе ги зголеми перформансите на сигналот до бучава и ќе овозможи нови репери за ниска моќност. Заедно, оваа обработка со висока прецизност ни овозможува да испратиме големи количини на информации во радио-комуникации со ултра-долги растојанија.

Сензори: фотоните, исто така, може да се користат за откривање и диференцијација на оптичките својства на материјалите. Тие можат да идентификуваат хемиски или биохемиски гасови од загадување на воздухот, органски производи и загадувачи во водата. Тие исто така можат да се користат за откривање на абнормалности во крвта, како што се ниски нивоа на гликоза, и мерење на биометриката како пулсот. Фотонските интегрирани кола се дизајнирани како сеопфатни и сеприсутни сензори со стакло / силициум и вградени преку производство на голем волумен во различни мобилни уреди.

Мобилните платформи сензори ни овозможуваат да се подиректно ангажирани со практики кои подобро ја штитат животната средина, го следат снабдувањето со храна и нè одржуваат здраво.

LIDAR и други слики од фазирани слики: Низи на PIC можат да ги искористат предностите на фазни одложувања во светлината што се рефлектира од објекти со тридимензионални облици за да се реконструираат 3D-слики, а светлото за сликање, откривање и распоред (LIDAR) со ласерско светло може да понуди дополнување радар со обезбедување прецизна слика (со 3D информации) на блиски растојанија. Оваа нова форма на машинска визија има непосредна примена во возилата без возачи за да се намалат судирите и во биомедицинските слики. Фазните низи, исто така, може да се користат за комуникација со слободен простор и нови технологии за прикажување. Тековните верзии на LIDAR претежно се потпираат на подвижните делови, што ги прави големи, бавни, ниски резолуции, скапи и склони кон механички вибрации и предвремено откажување. Интегрираната фотоника може да го реализира LIDAR во рамките на стапало со големина на поштенски марки, скенирање без подвижни делови и да се произведува во голем обем со ниска цена.

Поврзано

• Нанооптика
• Оптроника
• Органска фотоника
• Биопоттикната фотоника
• Фотонски јарбол
• Фотоника21

Надворешни врски

• PhotonDelta.EU. An independent not-for profit European Union Digital Innovation Hub connecting photonics research and industry with the aim of accelerating adoption of photonic integrated circuits.
• World Technology Mapping Forum Архивирано на 1 септември 2018 г.. Set up in June 2017 in The Netherlands, this international non-competitive forum with European, North American and Asian participants has started the process of making long-range technology maps for the photonics industry.
• Photonics activities funded by the European Commission
• AIM Photonics Academy Архивирано на 11 јануари 2019 г.. The MIT-based AIM Photonics Academy brings cutting-edge knowledge for the design and manufacture of photonic integrated circuits to a broad range of audiences, from elementary school students to professionals from multi-national companies. AIM Photonics Academy is also building a roadmap together with PhotonDelta.eu to chart the transformative impact of integrated photonics, as this maturing technology expands and extends the applications and successes of the electronics industry.