Кіріспе
Оптиканың техникалық қолданыстары
Фотоника – бұл жарықты фотон түрінде шығару, анықтау және манипуляциялауды, сәуле шығару, тарату, модуляциялау, сигнал өңдеу, коммутациялау, күшейте түсу және сезімталдық арқылы қамтитын оптиканың бір саласы. Фотоника кванттық электроникамен тығыз байланысты, онда кванттық электроника оның теориялық бөлігімен, ал фотоника оның инженерлік қолданыстарымен айналысады. Фотоника саласы 1958-1960 жылдары мазер мен лазердің ойлап табылуымен басталды.
Классикалық оптика
Фотоника оптикамен тығыз байланысты. Классикалық оптика жарық квантталғандығы ашылғанға дейін көп бұрын пайда болды, 1905 жылы Альберт Эйнштейн фотоэлектрлік эффектіні түсіндірген кезде. Оптикалық құралдарға: сыну линзалары, шағылыстыратын айналар және 15-19 ғасырларда дамытылған түрлі оптикалық компоненттер мен құралдар жатады. Хьюгенс принципі сияқты классикалық оптиканың негізгі қағидалары 17 ғасырда, ал Максвелл теңдеулері мен толқын теңдеулері 19 ғасырда жарықтың кванттық қасиеттеріне тәуелді емес дамыды.
Фотоника саласындағы зерттеулер
Фотоника ғылымы жарықтың шығарылуын, таралуын, күшейтілуін, қабылдануын және модуляциялануын зерттеуді қамтиды.
Жарық көздері
Фотоника көбінесе жарықдиодтар (LED), суперлюминесцентті диодтар және лазерлер сияқты жартылай өткізгіш негіздес жарық көздерін қолданады. Басқа жарық көздеріне бір фотондық көздер, флуоресцентті шамдар, катодты сәулелі түтіктер (CRT) және плазмалық экрандар жатады. CRT, плазмалық экрандар және органикалық жарықдиодты дисплейлер өздері жарық шығаратынын, ал TFT экрандары сияқты сұйық кристалды дисплейлердің (LCD) артқы жарыққа мұқтаж екенін атап өткен жөн – бұл суық катодты люминесцентті шамдар немесе, қазіргі кезде көбінесе, жарықдиодтар (LED) болып табылады. Жартылай өткізгіш жарық көздерін зерттеуде кремний мен германий сияқты классикалық жартылай өткізгіштердің орнына III-V жартылай өткізгіштерін жиі пайдалану қалыпты жағдай. Бұл III-V жартылай өткізгіштердің жарық шығаратын құрылғыларды жасауға мүмкіндік беретін ерекше қасиеттерімен байланысты. Мысал ретінде галлий арсениді (GaAs) және алюминий-галлий арсениді (AlGaAs) немесе басқа да қосымша жартылай өткізгіштерді келтіруге болады. Олар кремниймен бірге гибридтік кремний лазерлерін жасау үшін де қолданылады.
Тарату құралдары
Жарық кез келген мөлдір орта арқылы таралуы мүмкін. Жарықты қажетті бағытқа бағыттау үшін шыны талшықтар немесе пластикалық оптикалық талшықтар қолданылуы мүмкін. Оптикалық байланыста оптикалық талшықтар берілу жылдамдығы мен модуляция форматына байланысты күшейтусіз 100 км-ден астам қашықтыққа сигналды таратуға мүмкіндік береді. Фотоника саласындағы аса дамыған зерттеу тақырыбы – жобаланған оптикалық қасиеттері бар арнайы құрылымдар мен "материалдарды" зерттеу және жасау болып табылады. Оларға фотондық кристалдар, фотондық кристалл талшықтары және метаматериалдар жатады.
Көшейткіштер
Оптикалық күшейткіштер оптикалық сигналды күшейту үшін қолданылады. Оптикалық байланыста қолданылатын оптикалық күшейткіштер – эрбиймен легирленген талшықты күшейткіштер, жартылай өткізгіш оптикалық күшейткіштер, Раман күшейткіштері және оптикалық параметрлік күшейткіштер. Оптикалық күшейткіштердегі өте дамыған зерттеу тақырыбы – кванттық нүктелі жартылай өткізгіш оптикалық күшейткіштерді зерттеу.
Анықтау
Фотодетекторлар жарықты анықтайды. Фотодетекторлар байланыс саласында қолданылатын өте жылдам фотодиодтардан бастап, цифрлық камералар үшін орташа жылдамдықта жұмыс істейтін зарядталған құрылғыларға (CCD) дейін, күн сәулесінен энергия жинауға арналған өте баяу күн жасушаларына дейін алуан түрлі болады. Сонымен қатар, жылулық, химиялық, кванттық, фотоэлектрлік және басқа да әсерлерге негізделген көптеген фотодетекторлар да бар.
Модуляция
Жарық көзінің модуляциясы жарық көзінде ақпаратты кодтау үшін қолданылады. Модуляцияны жарық көзі тікелей жүзеге асыруы мүмкін. Ең қарапайым мысалдың бірі – Морзе кодын жіберу үшін фонарьды пайдалану. Тағы бір әдіс – жарық көзінен жарық алып, оны сыртқы оптикалық модуляторда модуляциялау. Модуляция зерттеулерінің қосымша тақырыбы – модуляция форматы. Қосу-өшіру кілті (on-off keying) оптикалық байланыста кеңінен қолданылатын модуляция форматы болып табылады. Соңғы жылдары сигналдың сапасын нашарлататын дисперсия сияқты әсерлерге қарсы тұру үшін фазалық ауысу кілті (phase shift keying) және тіпті ортогональды жиілік бөлу мультиплексі (orthogonal frequency division multiplexing) сияқты озық модуляция форматтары зерттелді.
Фотоникалық жүйелер
Фотоника фотоникалық жүйелерді зерттеуді де қамтиды. Бұл термин көбінесе оптикалық байланыс жүйелері үшін қолданылады. Осы зерттеу саласы жоғары жылдамдықты фотоникалық желілер сияқты фотоникалық жүйелерді іске қосуға бағытталған. Сондай-ақ, оптикалық сигналдың сапасын жақсартатын оптикалық регенераторларды зерттеу де осыған кіреді.
Биофотоника
Биофотоника биологияны зерттеу үшін фотоника саласының құралдарын пайдаланады. Биофотониканың басты назары медициналық диагностикалық мүмкіндіктерді жақсартуға (мысалы, қатерлі ісіктерді немесе жұқпалы ауруларды анықтауда) бағытталған, бірақ оны қоршаған ортаны зерттеу және басқа да салаларда қолдануға болады. Бұл тәсілдің негізгі артықшылықтары – талдаудың жылдамдығы, инвазивті емес диагностика және тікелей ортада жұмыс істеу мүмкіндігі.