Фотоника — это физическая наука о генерации, обнаружении, преобразовании, излучении, передаче, модуляции, обработке сигналов, коммутации, усилении и индикации света (фотонов). Большинство приложений находится в видимом и инфракрасном спектре, хотя диапазон распространяется на весь спектр.
Кремниевая фотоника является перспективной областью исследований, и дальнейшее развитие промышленности связано с растущим успехом этой области.
История
Фотоника выделилась с созданием в 1960 году лазера. За этим изобретением последовали: лазерный диод в 1970-х годах, оптоволокно для передачи данных, и оптический усилитель на волокне, легированном эрбием. Эти изобретения создали основу для телекоммуникационной революции в конце 20-го века и обеспечили создание инфраструктуры Интернета.
Этот термин вошел в обиход в 1980-х годах, когда операторы телекоммуникационных сетей освоили технологию передачи данных по оптоволокну с помощью компании Bell Laboratories Inc. Использование этого термина стало популярным, когда в конце 1980-х годов Институт лазеров и электрооптики Института инженеров по электротехнике и электронике учредил журнал Photonic Technology Communications.
В период до краха доткомов (интернет-компаний) около 2001 года область фотоники состояла в основном из оптических коммуникационных сетей. К настоящему времени он охватывает большое количество научных и технических приложений, включая лазерное производство, биологическое и химическое зондирование, медицинскую диагностику и терапию, отображение информации Deep L и оптические вычисления.
Фотоника, связь с прочими областями
Классическая оптика
Здесь существует очень тесная связь. Классическая оптика предшествовала открытию того, что свет дискретен, что стало ясно, когда Альберт Эйнштейн триумфально доказал природу фотоэлектрического эффекта в 1905 году. Оптические приборы включают рефракторы, зеркала и многочисленные оптические элементы и инструменты, разработанные с 15 по 19 век. Основные принципы классической оптики, такие как принцип Гюйгенса, открытый в 17 веке, и волновые уравнения Максвелла, написанные в 19 веке, не были основаны на квантовых свойствах света.
Современная оптика
Эта область науки связана с оптомеханикой, электрооптикой, оптоэлектроникой и квантовой электроникой. Однако каждая область имеет свои особенности, научное сообщество и рынок.
Квантовая оптика обычно относится к фундаментальным исследованиям, а фотоника — к прикладным исследованиям и разработкам.
- Изучение свойств световых частиц.
- Использование фотонов для создания устройств обработки сигналов.
- Практическое применение оптики.
- Создание устройств, напоминающих электронные приборы.
Термин «оптоэлектроника» применяется к устройствам или схемам, которые имеют как электрические, так и оптические функции, т.е. к тонкопленочным полупроводниковым устройствам. Ранее использовался термин «электрооптический», причем электрооптический относился к нелинейным устройствам с электрооптическим взаимодействием, таким как кристаллические модуляторы in vitro (ячейки Поккельса) и усовершенствованные датчики изображения, обычно используемые для наблюдения гражданскими или правительственными организациями.
Вновь возникающие области
Фотоника тесно связана с развивающимися областями квантовой информатики и квантовой оптики, поскольку они используют общие технологии. Другие развивающиеся области включают оптомеханику, которая предполагает изучение влияния механических колебаний мезоскопических или макроскопических объектов на свет, а также создание устройств, объединяющих фотонные и атомные приборы для синхронизации, навигации и метрологии. Отличие ауроники в том, что основным носителем информации является аурон (смесь фотонов и фононов), работающий на частотах от 300 ГГц до примерно 10 ТГц.
Обзор исследований
Фотоника изучает излучение, передачу, усиление, обнаружение и модуляцию света.
Источники света
Источники света в фотонике зачастую сложнее, чем структура ламп накаливания. Используются светодиоды, сверхсветоизлучающие диоды и лазеры, а также однофотонные источники, флуоресцентные лампы, электронно-лучевые трубки и плазменные экраны. Электронно-лучевые трубки, плазменные экраны и дисплеи на органических светодиодах вырабатывают собственный свет, в то время как ЖК-дисплеи (похожие на TTF-экраны) требуют подсветки от люминесцентных ламп с холодным катодом или, чаще всего, светодиодов.
Особенностью полупроводниковых источников света является то, что вместо классических полупроводников (кремния и германия) все чаще используются интерметаллические материалы. Примерами таких систем материалов являются арсенид галлия (GaAs) и арсенид галлия алюминия (AlGaAs) или другие составные полупроводники. Эти материалы также используются в сочетании с кремнием для создания гибридных кремниевых лазеров.
Среда передачи данных
Свет может проходить через любую прозрачную среду. Для направления света по нужному пути можно использовать стекловолокно или пластиковое оптоволокно. В оптических системах связи, в зависимости от скорости цифрового потока и типа модуляции, используемой для передачи, оптические волокна могут передавать данные на расстояния более 100 км без усиления. Очень перспективным направлением исследований является разработка и производство специальных структур и материалов с заданными оптическими свойствами — фотонных кристаллов, фотонно-кристаллических волокон и метаматериалов.
Усилители
Оптические усилители используются для усиления оптических сигналов. Волоконно-оптические усилители, легированные эрбием, полупроводниковые оптические усилители, усилители на основе эффекта Рамана и оптические параметрические усилители используются в оптических линиях связи. Очень перспективной областью исследований являются полупроводниковые оптические усилители на квантовых точках.
Обнаружение (детектирование)
Фотоприемники предназначены для обнаружения света, и к ним относятся устройства с различной степенью быстродействия: быстрые фотодиоды, среднескоростные приборы с зарядовой связью и инертные солнечные элементы для преобразования солнечной энергии в электрическую. Существует также множество фотоприемников, основанных на тепловых, химических, квантовых, фотоэлектрических и других эффектах.
Модуляция
Модуляция источников света используется для кодирования информации, передаваемой источником света. Одним из простейших примеров прямой модуляции источника света является включение и выключение фонарика для передачи информации азбукой Морзе. Также возможно управление источником света с помощью внешнего оптического модулятора.
Другой областью исследования является тип модуляции. В оптической связи обычно используется такой вид модуляции, как включение-выключение. В последние годы были разработаны более совершенные виды модуляции, такие как фазовый сдвиг или квадратурное мультиплексирование каналов с частотным разделением, для преодоления таких эффектов, как дисперсия, которые ухудшают качество передачи сигнала.
Фотонные системы
Наука также работает над фотонными устройствами для систем оптической связи. Исследования в этой области сосредоточены на внедрении фотонных устройств, таких как высокоскоростные фотонные сети и изучение оптических регенераторов для улучшения качества оптических сигналов.
Фотонные интегральные схемы
Область микро- и нанофотоники обычно включает в себя устройства на фотонных кристаллах и твердотельные устройства.
Фотонные интегральные схемы — это оптически активные полупроводниковые интегральные фотонные устройства, состоящие как минимум из двух различных функциональных блоков (область усиления и лазерное зеркало на основе решетки). Эти передовые устройства отвечают за коммерческий успех оптической связи и возможность увеличения доступной пропускной способности без значительного увеличения стоимости связи для конечного потребителя. Наиболее распространенным применением являются фотонные интегральные схемы на основе фосфида индия.
Применения
Фотоника стала вездесущей и проникла во все сферы повседневной жизни. Подобно тому, как изобретение транзистора в 1948 году значительно расширило области применения электроники, уникальные промышленные приложения продолжают развиваться — практически до бесконечности.
Экономически важные области применения полупроводниковых фотонных устройств включают.
- Регистрация и обработка оптических данных.
- Информационный дисплей.
- Оптическая накачка мощных лазеров.
- Телекоммуникации: связь через оптическое волокно, оптоэлектронные преобразователи нисходящей линии связи.
- Вычисления с помощью фотонных компьютеров: распределение часов и связь между компьютерами, печатными платами или внутри оптоэлектронных интегральных схем.
- Бытовая техника.
- Освещение.
- Лазерная печать на основе ксерографии.
- Сканеры штрих-кодов, принтеры.
- Устройства CD/DVD/Blu-ray.
- Устройства дистанционного управления.
- Медицина: мониторинг здоровья, диагностика, коррекция зрения, лазерная хирургия, хирургическая эндоскопия, удаление татуировок.
- Промышленность: сварка, сверление, резка и различные методы обработки поверхности с помощью лазеров.
- Робототехника.
- Сельское хозяйство.
- Химический синтез.
- Термоядерная энергетика.
- Строительство: лазерное нивелирование, лазерное измерение расстояния, интеллектуальное строительство.
- Аэронавтика: фотонные гироскопы без движущихся частей.
- Военные: лазерные системы обороны, инфракрасные датчики, наведение, навигация, поиск и спасение.
- Метрология: измерение времени, частоты и расстояния.
- Спектроскопия.
- Шахтная съемка и обнаружение пластов в шахтах.
- Индустрия развлечений: лазерные шоу, голографическое искусство.
- Будущее: квантовые вычисления.
