Fotonikk - Photonics

Spredning av lys (fotoner) av et prisme.

Fotonikk er fysikk og anvendelse av lys ( foton ) generering, deteksjon og manipulasjon gjennom utslipp , overføring , modulering , signalbehandling , bytte, forsterkning og sansing . Selv om de dekker alle lyss tekniske applikasjoner over hele spekteret , er de fleste fotoniske applikasjoner i området synlig og nær- infrarødt lys. Begrepet fotonikk utviklet seg som en utvekst av de første praktiske halvlederlyset som ble oppfunnet på begynnelsen av 1960 -tallet og optiske fibre utviklet på 1970 -tallet.

Historie

Ordet 'fotonikk' er avledet av det greske ordet "phos" som betyr lys (som har genitiv "bilder" og i sammensatte ord brukes roten "foto-"); det dukket opp på slutten av 1960 -tallet for å beskrive et forskningsfelt hvis mål var å bruke lys til å utføre funksjoner som tradisjonelt falt innenfor det typiske domenet til elektronikk, for eksempel telekommunikasjon, informasjonsbehandling, etc.

Fotonikk som felt begynte med oppfinnelsen av laseren i 1960. Andre utviklinger fulgte: laserdioden på 1970-tallet, optiske fibre for overføring av informasjon og erbium-dopet fiberforsterker . Disse oppfinnelsene dannet grunnlaget for telekommunikasjonsrevolusjonen på slutten av 1900 -tallet og ga infrastrukturen for Internett .

Selv om det ble laget tidligere, kom begrepet fotonikk til vanlig bruk på 1980-tallet ettersom fiberoptisk dataoverføring ble vedtatt av telekommunikasjonsnettoperatører. På den tiden ble begrepet brukt mye på Bell Laboratories . Bruken ble bekreftet da IEEE Lasers and Electro-Optics Society etablerte et arkivjournal ved navn Photonics Technology Letters på slutten av 1980-tallet.

I perioden frem til dot-com-krasjet rundt 2001 fokuserte fotonikk som felt i stor grad på optisk telekommunikasjon. Imidlertid dekker fotonikk et stort utvalg av vitenskapelige og teknologiske applikasjoner, inkludert laserproduksjon, biologisk og kjemisk sensing, medisinsk diagnostikk og terapi, displayteknologi og optisk databehandling . Ytterligere vekst av fotonikk er sannsynlig hvis dagens utvikling av silisiumfotonikk er vellykket.

Forholdet til andre felt

Klassisk optikk

Fotonikk er nært knyttet til optikk . Klassiske optikk lenge forut for oppdagelsen at lyset er kvantisert, da Albert Einstein kjent forklarte fotoelektrisk effekt i 1905. Optics verktøy inkluderer bryt linse , reflekterende speil , og forskjellige optiske komponenter og instrumenter utviklet gjennom det 15. til det 19. århundre. Viktige prinsipper for klassisk optikk, for eksempel Huygens -prinsippet , utviklet på 1600 -tallet, Maxwells ligninger og bølgelikningene, utviklet på 1800 -tallet, er ikke avhengig av lysets kvanteegenskaper.

Moderne optikk

Fotonikk er relatert til kvanteoptikk , optomekanikk , elektrooptikk , optoelektronikk og kvanteelektronikk . Hvert område har imidlertid litt forskjellige konnotasjoner fra vitenskapelige og offentlige myndigheter og på markedet. Kvanteoptikk betyr ofte grunnleggende forskning, mens fotonikk brukes til å konnotere anvendt forskning og utvikling.

Begrepet fotonikk betyr mer spesifikt:

  • Lysets partikkelegenskaper,
  • Potensialet ved å lage teknologi for signalbehandlingsenheter ved hjelp av fotoner,
  • Den praktiske anvendelsen av optikk, og
  • En analogi med elektronikk .

Begrepet optoelektronikk betyr enheter eller kretser som omfatter både elektriske og optiske funksjoner, dvs. en tynnfilm halvlederanordning. Begrepet elektrooptikk kom tidligere i bruk og omfatter spesifikt ikke-lineære elektrisk-optiske interaksjoner som brukes, f.eks. Som bulk-krystallmodulatorer som Pockels-cellen , men inkluderer også avanserte bildesensorer.

Nye felt

Fotonikk relaterer seg også til den nye vitenskapen om kvanteinformasjon og kvanteoptikk . Andre nye felt inkluderer:

applikasjoner

En sjø mus ( Aphrodita aculeata ), som viser fargerike pigger, en bemerkelsesverdig eksempel på fotoniske prosjektering av en levende organisme

Søknader om fotonikk er allestedsnærværende. Inkludert er alle områder fra hverdagen til den mest avanserte vitenskapen, f.eks. Lysdeteksjon, telekommunikasjon , informasjonsbehandling , fotonisk databehandling , belysning , metrologi , spektroskopi , holografi , medisin (kirurgi, synskorreksjon, endoskopi, helseovervåking), biofotonikk , militær teknologi , laser materiale behandling, kunst diagnostikk (som involverer infrarød reflectography, røntgenstråler , Ultraviolet fluorescens, XRF ), jordbruk , og robotikk .

På samme måte som elektronikkapplikasjoner har ekspandert dramatisk siden den første transistoren ble oppfunnet i 1948, fortsetter de unike applikasjonene av fotonikk å dukke opp. Økonomisk viktige applikasjoner for halvlederfotoniske enheter inkluderer optisk dataregistrering, fiberoptisk telekommunikasjon, laserutskrift (basert på xerografi), skjermer og optisk pumping av lasere med høy effekt. De potensielle anvendelsene av fotonikk er praktisk talt ubegrensede og inkluderer kjemisk syntese, medisinsk diagnostikk, datakommunikasjon på chip, sensorer, laserforsvar og fusjonsenergi , for å nevne flere interessante tilleggseksempler.

Mikrofotonikk og nanofotonikk inkluderer vanligvis fotoniske krystaller og solid state -enheter .

Oversikt over fotonisk forskning

Vitenskapen om fotonikk inkluderer undersøkelse av utslipp , overføring , forsterkning , deteksjon og modulering av lys.

Lyskilder

Photonics bruker vanligvis halvlederbaserte lyskilder, for eksempel lysemitterende dioder (LED), superluminescerende dioder og lasere . Andre lyskilder inkluderer enkle fotonkilder , lysrør , katodestrålerør (CRT) og plasmaskjermer . Vær oppmerksom på at mens CRT-er, plasmaskjermer og organiske lysdioder viser sine egne lys, krever LCD- skjermer ( TFT-skjermer ) som bakgrunnsbelysning enten kalde katodefluorescerende lamper eller, oftere i dag, lysdioder.

Karakteristisk for forskning på halvlederlyskilder er hyppig bruk av III-V halvledere i stedet for de klassiske halvlederne som silisium og germanium . Dette skyldes de spesielle egenskapene til III-V halvledere som gjør det mulig å implementere lysemitterende enheter . Eksempler på materialsystemer som brukes er galliumarsenid (GaAs) og aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) eller andre sammensatte halvledere . De brukes også sammen med silisium for å produsere hybride silisiumlasere .

Overføringsmedier

Lys kan overføres gjennom hvilket som helst gjennomsiktig medium. Glassfiber eller plastoptisk fiber kan brukes til å lede lyset langs en ønsket bane. I optiske kommunikasjoner tillater optiske fibre overføringsavstander på mer enn 100 km uten forsterkning, avhengig av bithastigheten og moduleringsformatet som brukes for overføring. Et svært avansert forskningstema innen fotonikk er undersøkelse og fabrikasjon av spesielle strukturer og "materialer" med konstruerte optiske egenskaper. Disse inkluderer fotoniske krystaller , fotoniske krystallfibre og metamaterialer .

Forsterkere

Optiske forsterkere brukes til å forsterke et optisk signal. Optiske forsterkere som brukes i optisk kommunikasjon er erbium-dopede fiberforsterkere , optiske halvlederforsterkere , Raman-forsterkere og optiske parametriske forsterkere . En meget avansert forskningstema på optiske forsterkere er forskning på kvanteprikker halvledere optiske forsterkere.

Gjenkjenning

Fotodetektorer oppdager lys. Fotodetektorer spenner fra veldig raske fotodioder for kommunikasjonsapplikasjoner over mediumhastighets ladningskoblede enheter ( CCDer ) for digitale kameraer til svært langsomme solceller som brukes til energihøsting fra sollys . Det er også mange andre fotodetektorer basert på termiske, kjemiske , kvante-, fotoelektriske og andre effekter.

Modulasjon

Modulering av en lyskilde brukes til å kode informasjon om en lyskilde. Modulering kan oppnås direkte av lyskilden. Et av de enkleste eksemplene er å bruke en lommelykt til å sende morsekode . En annen metode er å ta lyset fra en lyskilde og modulere det i en ekstern optisk modulator .

Et tilleggstema som dekkes av modulasjonsforskning er modulasjonsformatet. På-av-tasting har vært det vanlige modulasjonsformatet i optisk kommunikasjon. De siste årene har mer avanserte moduleringsformater som faseskifting eller til og med ortogonal frekvensdelingsmultiplex blitt undersøkt for å motvirke effekter som spredning som forringer kvaliteten på det overførte signalet.

Fotoniske systemer

Photonics inkluderer også forskning på fotoniske systemer. Dette begrepet brukes ofte for optiske kommunikasjonssystemer . Dette forskningsområdet fokuserer på implementering av fotoniske systemer som høyhastighets fotoniske nettverk. Dette inkluderer også forskning på optiske regeneratorer , som forbedrer optisk signalkvalitet.

Fotoniske integrerte kretser

Fotoniske integrerte kretser (PIC) er optisk aktive integrerte halvlederfotoniske enheter. Den ledende kommersielle applikasjonen av PIC -er er optiske transceivere for datasenteroptiske nettverk. PIC-er ble fremstilt på III-V indiumfosfid halvlederplattesubstrater var de første som oppnådde kommersiell suksess; PIC -er basert på silisiumskiveunderlag er nå også en kommersialisert teknologi.

Viktige applikasjoner for integrert fotonikk inkluderer:

  • Datasenterforbindelser: Datasentre fortsetter å vokse i omfang ettersom selskaper og institusjoner lagrer og behandler mer informasjon i skyen. Med økningen i datasenterberegning øker kravene til datasenternettverk tilsvarende. Optiske kabler kan støtte større kjørefeltbåndbredde ved lengre overføringsavstander enn kobberkabler. For avstander med kort rekkevidde og opptil 40 Gbps dataoverføringshastigheter kan ikke-integrerte tilnærminger som overflateemitterende lasere med vertikal hulrom brukes for optiske transceivere på multimodus optiske fibernettverk . Utover dette området og båndbredden er fotoniske integrerte kretser nøkkelen for å muliggjøre høyytelse, rimelige optiske transceivere.
  • Analoge RF-signalprogrammer: Ved bruk av GHz presisjonssignalbehandling av fotoniske integrerte kretser kan radiofrekvenssignaler (RF) manipuleres med høy kvalitet for å legge til eller slippe flere radiokanaler spredt over et ultrabredbånds frekvensområde. I tillegg kan fotoniske integrerte kretser fjerne bakgrunnsstøy fra et RF -signal med enestående presisjon, noe som vil øke signalet til støyytelse og muliggjøre nye benchmarks for laveffektytelse. Til sammen setter denne høypresisjonsbehandlingen oss i stand til å nå pakke store mengder informasjon inn i ultrakommunikasjon.
  • Sensorer: Fotoner kan også brukes til å oppdage og differensiere de optiske egenskapene til materialer. De kan identifisere kjemiske eller biokjemiske gasser fra luftforurensning, organiske råvarer og forurensninger i vannet. De kan også brukes til å oppdage abnormiteter i blodet, for eksempel lave glukosenivåer, og måle biometri som puls. Fotoniske integrerte kretser blir designet som omfattende og allestedsnærværende sensorer med glass/silisium, og innebygd via høyvolumsproduksjon i forskjellige mobile enheter. Mobilplattformsensorer lar oss mer direkte engasjere oss i praksis som bedre beskytter miljøet, overvåker mattilførselen og holder oss sunne.
  • LIDAR og annen faset array- avbildning : Arrays av PIC-er kan dra fordel av faseforsinkelser i lyset som reflekteres fra objekter med tredimensjonale former for å rekonstruere 3D-bilder, og Light Imaging, Detection and Ranging (LIDAR) med laserlys kan tilby et supplement til radar ved å gi presisjonsavbildning (med 3D -informasjon) på nære avstander. Denne nye formen for maskinsyn har en umiddelbar anvendelse i førerløse biler for å redusere kollisjoner og i biomedisinsk bildebehandling. Fasede matriser kan også brukes til ledig kommunikasjon og nye displayteknologier. Nåværende versjoner av LIDAR er hovedsakelig avhengige av bevegelige deler, noe som gjør dem store, sakte, lav oppløsning, kostbare og utsatt for mekanisk vibrasjon og for tidlig svikt. Integrert fotonikk kan realisere LIDAR innenfor et fotavtrykk på størrelse med et frimerke, skanne uten bevegelige deler og produseres i stort volum til lave kostnader.

Biofotonikk

Biophotonics bruker verktøy fra fotonikk til studiet av biologi . Biophotonics fokuserer hovedsakelig på å forbedre medisinske diagnostiske evner (for eksempel for kreft eller smittsomme sykdommer), men kan også brukes til miljø eller andre applikasjoner. De viktigste fordelene med denne tilnærmingen er analysehastighet, ikke-invasiv diagnostikk og evnen til å jobbe in situ .

Se også

Referanser