Фотоника это кратко и понятно

Обновлено: 05.07.2024

Физик Ильдар Габитов об использовании света для передачи информации, квантовых технологиях и курсах по фотонике

Фотоника — это область науки и техники, которая работает со световыми потоками, потоками фотонов. Фотоны — это частички света, кванты света. Фотоника в настоящее время — это наиболее бурно развивающаяся область науки и техники.

Примерно 35 % всей продукции в мире, которая производится, производится с применением фотонных технологий. Ведущие научные центры занимаются развитием фотонных технологий, и это стало возможным благодаря развитию новых методов, которые позволяют изготавливать устройства очень маленьких размеров. Успехи в фотонике возникли в основном благодаря успехам в области миниатюризации и в области новых материалов.

В последнее время благодаря успехам в области фотоники произошло несколько революций. Например, изобретение оптического волокна привело к революции в области информационных технологий. Ранее информация передавалась по электрическим кабелям, и в середине прошлого века эта технология достигла своего предела. Дальнейшее увеличение скорости передачи информации с использованием электрических принципов, с использованием электронов стало невозможным. Поэтому потребовались какие-то новые принципы, и было изобретено оптическое волокно. Использование света для передачи информации, а точнее, оптических импульсов позволило фантастическим образом увеличивать объемы передаваемой информации.

То, что мы сейчас имеем интернет, мобильные телефоны, все информационное пространство, кардинальным образом изменившее нашу жизнь, ― все это произошло благодаря оптическому волокну. Когда мы разговариваем по мобильному телефону, на самом деле сигнал доходит до приемно-передающей станции, а дальше он выпускается или принимается из оптического волокна. Оптическое волокно и оптические технологии сейчас широко используются в медицине, навигации, технологии, для сварки. Трудно перечислить все полезные применения оптических технологий, которые используются сейчас повсеместно.

Важной темой исследований и технологических разработок являются квантовые технологии. Мотивации этих исследований две. Первая связана с тем, что происходит миниатюризация электронных устройств, а поскольку происходит миниатюризация электронных устройств, становится важным учитывать квантовые эффекты малых размеров. Вторая мотивация связана с тем, что развитие технологии само по себе позволяет использовать удивительные свойства квантового мира ― использовать их для самого широкого спектра различных приложений. Прошлый век с технологической точки зрения был веком электроники. Вторая половина прошлого века была временем не просто электроники, а это был век квантовой электроники. Имеется в виду, что вначале электроника была дискретной, то есть электронные устройства представляли собой лампы, конденсаторы, различные индуктивности, которые собирались в единые электрические цепи, и мы имели телевизоры и радиоприемники. Постепенно возникли транзисторы, они превратились в микросхемы, и в конце концов появились микропроцессоры высокой степени интеграции.

Микропроцессоры высокой степени интеграции содержат громадное количество элементов. Современные процессоры, которые находятся в каждом компьютере или телефоне, содержат огромное количество транзисторов и отличаются исключительно высокой степенью надежности. Но если бы мы попытались сделать устройство такого типа сложности из дискретных элементов, то такое устройство работать в принципе не смогло бы. Оно бесконечно перегорало бы и просто не могло бы функционировать: во-первых, лампы не могут так долго работать, а во-вторых, они потребляли бы огромное количество энергии, возникали бы проблемы с теплоотводом. Здесь очень хорошо работает философский закон, который каждый хорошо знает со школьной скамьи, — переход количества в качество. В этом случае высокая степень интеграции привела к очень широким функциональным возможностям, которые 15–20 лет назад невозможно было себе представить, ― я говорю о компьютерах и гаджетах, которые мы теперь носим в карманах.

Что же произошло на рубеже веков, нынешнего и прошлого? Дальнейшая миниатюризация, а следует отметить, что на сегодняшний день современные технологии составляют 15 нанометров. Что такое нанометр? Нанометр — это 10-9 метра. Это один метр нужно поделить на величину, у которой единичка, а за ней следует 9 нулей — одна миллиардная от метра. Очень маленькая величина и 15 нанометров — это очень мало. Следует выделение тепла. Несмотря на то что каждый транзистор выделяет небольшое количество тепла, их так много в единице объема, что общее выделение тепла становится заметным, и сейчас нет материалов, которые позволяют удалять это тепло. Кроме того, транзисторы нужно соединять проводами, и проводов становится так много, что паразитные индуктивности, емкости, сопротивления начинают ограничивать тактовую частоту и производительность процессоров, что мы и наблюдаем в последнее время: тактовая частота процессоров не растет.

Кроме того, возникает следующая проблема: число электронов, которые участвуют в единице логической операции, приближается к единице. То есть дальше наступает физическое ограничение. Мы же не можем изготавливать устройства, в которых половина или четверть электрона участвует в одной логической операции. Это бессмыслица.

Какой выход из этой ситуации? Люди пытаются вместо электронов использовать фотоны, тем более что есть замечательный пример, когда вместо электронов использовали оптические импульсы для передачи информации. Что пытаются делать люди сейчас — использовать фотоны не только для передачи, но и для обработки информации. Но на этом пути есть огромные проблемы: электрон имеет заряд, поэтому электроном можно управлять электрическим или магнитным полем, а фотон нейтрален. Кроме того, электрон очень маленький (я уже упоминал, что технологические размеры у Samsung или Apple сейчас 10-15 ), а фотон большой. Длина волны, которая используется в современной телекоммуникации, ― 1500 нанометров. Это очень много по сравнению с 15 нанометрами. То есть фотон нельзя поместить в такой маленький размер. Поэтому что сейчас пытаются сделать — это гибридные технологии: совместить электронику и фотонику. Но на этом пути огромные проблемы, потому что технологии несовместимы. К сожалению, фотонные технологии, во-первых, трудно печатать, во-вторых, их нет, и это огромная проблема на сегодняшний день.

Поэтому, во-первых, у нас в Сколково ведутся исследования в этой области. Во-вторых, мы ведем преподавательскую работу и вводим курсы по электронике, фотонике и гибридизации. В частности, у нас имеются курсы по новым квантовым материалам ― это графены, углеродные нанотрубки, различные эффекты, которые в твердых телах, в частности в полупроводниках, возникают, связанные с электроникой. Это основы квантовой электроники, явления сверхпроводимости и многое другое, что связано с квантовой механикой, с современными материалами, в частности с метаматериалами и плазмониками, включая различные квантовые эффекты. И курсы, которые включают в себя современные методы, направленные на гибридизацию фотоники и электроники.

кандидат физико-математических наук, профессор, директор центра фотоники и квантовых материалов Сколковского института науки и технологий, профессор факультета математики University of Arizona, ведущий научный сотрудник Институт теоретической физики им. Л. Д. Ландау РАН

Фотоника – это физическое учение о генерации света (фотонов), его обнаружении, преобразовании, эмиссии, передаче, модуляции, обработке сигналов, переключении, усилении и индикации. Большинство применений задействовано в области видимого и инфракрасного излучения, хотя сфера применения распространяется на всю область спектра.

Перспективной областью исследований является кремниевая фотоника, и дальнейшее развитие отрасли связано с ростом успехов этого направления.

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.

Широкое распространение термин получил в 1980-х годах, когда операторы телекоммуникационных сетей освоили передачу данных по оптоволокну, способствовала его распространению фирма Bell Laboratories. Использование слова закрепилось, когда Общество лазеров и электронной оптики Института инженеров электротехники и электроники учредило в конце 1980-х годов журнал Photonics Technology Letters.

В течение периода, приведшего к краху доткомов (интернет-компаний) около 2001 года, к сфере фотоники относились в основном оптические сети связи. К настоящему времени она объемлет огромное количество научных и технологических приложений, включая производство лазеров, биологическое и химическое зондирование, медицинскую диагностику и терапию, технику отображения информации и оптические вычисления.

Фотоника, связь с прочими областями

Классическая оптика

Здесь связь очень тесная. Классическая оптика предшествовала открытию, что свет дискретен, что стало совершенно ясно, когда Альберт Эйнштейн триумфально обосновал в 1905 году природу фотоэлектрического эффекта. К оптическим инструментам относятся преломляющие линзы, отражающие зеркала, и многочисленные оптические компоненты, и инструменты, разработанные с 15-го по 19-й века. Выявленные в 17 веке основополагающие принципы классической оптики, наподобие принципа Гюйгенса, и выписанные в 19 веке уравнения Максвелла, и волновые уравнения, не основываются на квантовых свойствах света.

Современная оптика

Эта область науки связана с оптомеханикой, электрооптикой, оптоэлектроникой и квантовой электроникой. Однако, каждой области свойственны свои особенности, свои научные сообщества и место на рынке.

К квантовой оптике обычно относят проведение фундаментальных исследований, а фотоника это прикладные исследования и разработки:

Изучение свойств частиц света.
Создание устройств обработки сигнала с использованием фотонов.
Практические приложения оптики.
Создание устройств, аналогичных электронным.

Вновь возникающие области

Фотоника тесно связана с возникающими квантовой информатикой и квантовой оптикой, в той части, где они используют общие методы. Прочие вновь возникающие направления включают оптомеханику, занимающуюся изучением влияния на свет механических вибраций мезоскопических или макроскопических объектов, и создание устройств, объединяющих фотонные и атомные приборы для служб хранения времени, навигации и метрологии. Отличие поляритоники заключается в том, что фундаментальными носителями информации являются поляритоны (смеси фотонов и фононов), работающие в диапазоне частот от 300 Ггц до примерно 10 ТГц.

Обзор исследований

Фотоника занимается исследованиями эмиссии, передачи, усиления, обнаружения и модуляции света.

Источники света

Источники света в фотонике обычно устроены конструктивно посложнее ламп накаливания. Используются светодиоды, суперлюминесцентные диоды и лазеры, а также однофотонные источники, люминесцентные лампы, электронно-лучевые трубки и плазменные экраны. При этом электронно-лучевые трубки, плазменные экраны и органические светодиодные дисплеи генерируют свой собственный свет, в то время как ЖК-дисплеи (подобные TTF-экранам), требуют фоновой подсветки от флуоресцентных ламп с холодным катодом или, гораздо чаще, светодиодов.

Для полупроводниковых источников света характерно то, что взамен классических полупроводников (кремния и германия) чаще используются интерметаллиды. Примерами используемых систем материалов являются арсенид галлия (GaAs) и арсенид галлия и алюминия (AlGaAs), либо иные составные полупроводники. Эти материалы также используются в соединении с кремнием для изготовления 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 системах оптической связи оптоволокно позволяет передавать данные на расстояния свыше 100 км без усиления, в зависимости от скорости цифрового потока и вида применяемой для передачи модуляции. Очень перспективным направлением исследования является разработка и производство специальных структур и материалов с заданными оптическими свойствами — фотонных кристаллов, фотонно-кристаллического оптоволокна и метаматериалов.

Усилители

Для усиления оптических сигналов используются оптические усилители. В оптических линиях связи используются легированные эрбием оптоволоконные усилители, полупроводниковые оптические усилители, усилители на эффекте Рамана и оптические параметрические усилители. Очень перспективной областью является исследование квантовых точечных полупроводниковых оптических усилителей.

Обнаружение (детектирование)

Фотодетекторы предназначены для обнаружения света, к ним относятся устройства разной степени быстродействия: быстродействующие фотодиоды, среднескоростные приборы с зарядовой связью, инертные солнечные элементы, применяемые для преобразования световой энергии Солнца в электрическую. Существует также и множество фотодетекторов, основанных на термических, химических, квантовых, фотоэлектрических и прочих эффектах.

Модуляция

Фотонные системы

Наука занимается также исследованиями фотонных приборов для применения в системах оптической связи. Данная область исследований фокусируется на внедрении фотонных устройств, подобных высокоскоростным фотонным сетям, и объемлет исследования оптических регенераторов, улучшающих качество оптических сигналов.

Фотонные интегральные схемы

К областям микрофотоники и нанофотоники обычно относятся устройства на фотонных кристаллах и твердотельные устройства.

Фотонные интегральные схемы – это оптические активные интегральные полупроводниковые фотонные приборы, состоящие по меньшей мере из двух различных функциональных блоков (области усиления и лазерных зеркал на основе решетки). Эти устройства с улучшенными характеристиками ответственны за коммерческий успех оптической связи и возможность увеличения доступной ширины полосы без существенного увеличения стоимости связи для конечного потребителя. Наиболее часто применяются фотонные интегральные схемы на основе фосфида индия.

Применения

Фотоника стала вездесущей и проникла во все области повседневной жизни. Совершенно так же, как изобретение в 1948 году транзистора существенно расширило приложения электроники, продолжают развиваться уникальные приложения отрасли, которые фактически безграничны.

Фотоника - передовая отрасль науки и технологии, занимающаяся фундаментальными и прикладными аспектами работы с оптическими сигналами, а также созданием на их базе устройств различного назначения. Фотоника по сути является аналогом электроники, использующим вместо электронов кванты электромагнитного поля — фотоны. То есть, она занимается фотонными технологиями обработки сигналов, что связано с существенно меньшими энергопотерями, а значит имеет бо?льшую возможность миниатюризации.

Фотоника и оптоинформатика - это энергично развивающаяся высокотехнологическая отрасль, ежегодный доход от продаж устройств и систем которой составляет в мире десятки триллионов рублей.

Егор Литвинов, студент

Фотоника для меня – это искусство управления светом, искусство использования света во благо человека. Как и любое искусство, фотоника имеет множество образов, представлений и интерпретаций и каждый человек видит ее по-своему. Занимаясь подобным искусством, ты получаешь целый ряд инструментов, из которых можешь выбрать те, которые тебе нужны, научиться в совершенстве пользоваться ими и применить их, чтобы получить фотонику такой, какой ты ее видишь. Владение этим искусством может приносить вдохновение и просто удовольствие. А в стремлении получить что-то новое ты рискуешь быть захваченным полностью.

Татьяна Вовк, студент

Я учусь на образовательной программе "Физика и технология наноструктур", и логично было бы предположить, что область моих знаний и интересов -- это именно нанофотоника, наука о взаимодействии света с различными наноструктурами и частицами. Это действительно так: в качестве научной работы я провожу исследование об оптическом охлаждении нанокристаллов. Однако на третьем курсе преподаватель нашей группы по квантовой механике, Юрий Владимирович Рождественский (также мой научный руководитель), разбирал классическую задачу о состояниях электронов в поле тяжести Земли. Самым активным студентам он предложил рассмотреть эту задачу не возле Земли, а возле нейтронной звезды, обладающей мощным полем тяготения. Было очень здорово обнаружить, что с помощью этой задачи можно объяснить радиоизлучение от нейтронных звезд, по поводу которого у специалистов-астрофизиков до сих пор нет единого мнения. В результате мы с однокурсником и нашими руководителями опубликовали исследование в высокорейтинговом зарубежном журнале - The Astrophysical Journal! Такое признание научного сообщества очень ценно, ведь никто из нас до этого не занимался астрофизикой. Нам было очень интересно развиваться и получать результаты в совершенно другой области физики -- на "Физике наноструктур" для этого есть все необходимое. Наши руководители и преподаватели всегда приветствуют инициативу и с удовольствием "запускают процесс" научного творчества. При должном упорстве это приводит к порой удивительным результатам!

Максим Масюков, студент

Имея широкий кругозор, мне было довольно трудно выбрать мою будущую профессию. В основном мне были интересны три дисциплины: информатика, физика, математика, и для меня было важно, чтобы в процессе обучения данные три дисциплины были главенствующими. Участвуя в олимпиаде для школьников, я услышал о факультете Фотоники и Оптоинформатики Университета ИТМО. Изучив сайт и дисциплины подготовки, я понял, что это то, что мне нужно. Фотоника – одна из наиболее молодых и быстроразвивающихся отраслей науки. Загоревшись желанием внести свой вклад в научный прогресс, я поступил на данный факультет, и остался удовлетворен. Со 2 курса я занимаюсь научной работой, которая включает в себя изучение свежих иностранных статей в данной научной области, программирование, математические расчёты, компьютерное моделирование. Разносторонние знания гарантируют успех в будущей карьере.

Владимир Борисов, аспирант

Ярослав Грачёв, к.ф.-м.н., ассистент, выпусник факультета

Фотоникой в настоящее время называют оптику в её современном аспекте. Факультет занимается развитием актуальных направлений оптики c применением современных информационных технологий, а это:
- и работа с лазерным импульсным излучением высокой энергии и сверхкороткой длительности;
- и, наоборот, использование низкоэнергетического излучения терагерцового диапазона электромагнитных волн для бесконтактной, неразрушающей диагностики и визуализации объектов с распознаванием веществ;
- и голография, включая как изобразительную голографию, так и создание и обработку трехмерных цифровых копий объекта в реальном времени.
Для меня работав этой области науки стала отличной возможностью для приобретения практических навыков конструкторской и экспериментальной деятельности. А человек с практическими умениями и знаниями всегда востребован.

Ольга Смолянская, к.ф.-м.н., руководитель лаборатории "Фемтомедицины" Международного института Фотоники и оптоинформатики

Мария Жукова, аспирант

Фотоника – это наука о свете, это технологии его создания, преобразования, применения и обнаружения. Свет всегда играл важную роль в жизни человека – задумайтесь, благодаря ему мы ориентируемся в пространстве, видим друг друга. Сначала люди научились создавать искусственные источники света для обеспечения комфортного существования, а теперь мы имеем огромное количество высокотехнологических устройств, которые используются в многочисленных и разнообразных областях техники.
Фотоника включает в себя применение лазеров, оптики, кристаллов, волоконной оптики, электрооптических, акустооптических устройств, камер, сложных интегральных систем. Фотоника сегодня – это, как научные исследования, так и реальные разработки в областях: медицины, альтернативной энергетики, быстрых вычислений, создания высокопроизводительных компьютеров, новых материалов, телекоммуникации, экологического мониторинга, безопасности, аэрокосмической промышленности, стандартов времени, искусства, печати, прототипирования, и практически всего, что нас окружает.
На сегодняшний день в России, как и во всем мире, все больше и больше компаний и крупный производственных предприятий начинают создавать и использовать новые технологии, связанные с фотоникой. Ф отоника открывает широкие возможности и перспективы развития в научной академической среде, а также в области реальных разработок. Это область знания, несомненно, будет развиваться из года в год!

Содержание

История

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.

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 линзаотражающий 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:

куда лазер энергия, доставляемая в биологические ткани, будет поглощена и преобразована в тепло, что приведет к ультразвуковой эмиссия. , который предполагает изучение взаимодействия света и механических колебаний мезоскопических или макроскопических объектов; , в которых устройства объединяют как фотонные, так и атомные устройства для таких приложений, как точное хронометраж, навигация и метрология; , который отличается от фотоники тем, что фундаментальным носителем информации является поляритон. Поляритоны представляют собой смесь фотонов и фононы, и работают в диапазоне частот от 300 гигагерц примерно до 10 терагерц. , в котором изучается разработка фотонных схем, которые можно перепрограммировать для реализации различных функций таким же образом, как и электроника FPGA

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.

Потребительское оборудование: штрих-код сканер, принтер, устройства CD / DVD / Blu-ray, устройства дистанционного управления : оптоволоконная связь, оптический понижающий преобразователь в СВЧ : коррекция плохого зрения, лазерная хирургия, хирургическая эндоскопия, удаление татуировок
Промышленное производство: использование лазеров для сварки, сверления, резки и различных методов модификации поверхности : лазерное нивелирование, лазерный дальномер, умные конструкции : фотонный гироскопы отсутствие мобильных частей : ИК-датчики, управление и контроль, навигация, поиск и спасание, постановка и обнаружение мин : лазерные шоу, лучевые эффекты, голографическое искусство : ЛИДАР, датчики для бытовой электроники : измерения времени и частоты, дальномер : распределение часов и связь между компьютеры, печатные платы, или в оптоэлектронных интегральные схемы; в будущем: квантовые вычисления

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

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

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.

Читайте также: