Введение
Технические приложения оптики
Фотоника – это раздел оптики, который включает в себя применение генерации, детектирования и манипулирования светом в форме фотонов посредством излучения, передачи, модуляции, обработки сигналов, коммутации, усиления и зондирования. Фотоника тесно связана с квантовой электроникой, где квантовая электроника занимается теоретическими аспектами, а фотоника – ее инженерными приложениями. Фотоника как область науки возникла с изобретением мазера и лазера в 1958–1960 годах.
Классическая оптика
Фотоника тесно связана с оптикой. Классическая оптика задолго предшествовала открытию того, что свет квантован, когда Альберт Эйнштейн в 1905 году знаменито объяснил фотоэлектрический эффект. Инструменты оптики включают в себя преломляющие линзы, отражающие зеркала, а также различные оптические компоненты и приборы, разработанные в XV–XIX веках. Ключевые положения классической оптики, такие как принцип Гюйгенса, разработанный в XVII веке, уравнения Максвелла и волновые уравнения, разработанные в XIX веке, не зависят от квантовых свойств света.
Обзор исследований в области фотоники
Наука о фотонике включает в себя изучение излучения, распространения, усиления, детектирования и модуляции света.
Источники света
Фотоника обычно использует полупроводниковые источники света, такие как светодиоды (LED), сверхлюминесцентные диоды и лазеры. К другим источникам света относятся источники одиночных фотонов, люминесцентные лампы, электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) и плазменные экраны. Следует отметить, что ЭЛТ, плазменные экраны и органические светодиодные дисплеи генерируют собственный свет, в то время как жидкокристаллические дисплеи (LCD), такие как TFT-экраны, требуют подсветки либо холоднокатодной люминесцентной лампой, либо, что чаще встречается сегодня, светодиодами. Для исследований полупроводниковых источников света характерно частое использование полупроводников группы III-V вместо классических полупроводников, таких как кремний и германий. Это обусловлено особыми свойствами полупроводников группы III-V, позволяющими создавать светоизлучающие приборы. Примерами используемых материальных систем являются арсенид галлия (GaAs) и арсенид алюминия-галлия (AlGaAs) или другие соединения полупроводников. Они также используются в сочетании с кремнием для создания гибридных кремниевых лазеров.
Средства передачи
Свет может распространяться через любую прозрачную среду. Стеклянное волокно или пластиковое оптическое волокно может использоваться для направления света по заданному пути. В оптических системах связи оптические волокна обеспечивают передачу данных на расстояния более 100 км без усиления, в зависимости от скорости передачи данных и формата модуляции. Очень перспективным направлением исследований в фотонике является изучение и создание специальных структур и "материалов" с заданными оптическими свойствами. К ним относятся фотонные кристаллы, фотонные кристаллопроводники и метаматериалы.
Усилители
Оптические усилители используются для усиления оптического сигнала. Оптические усилители, применяемые в оптических системах связи, включают усилители волокна, легированные эрбием, полупроводниковые оптические усилители, усилители Рамана и оптические параметрические усилители. Очень перспективным направлением исследований в области оптических усилителей является изучение полупроводниковых оптических усилителей на квантовых точках.
Обнаружение
Фотодетекторы обнаруживают свет. Они варьируются от очень быстрых фотодиодов, используемых в системах связи, до устройств с зарядовой связью (ПЗС) средней скорости для цифровых камер и очень медленных солнечных элементов, применяемых для сбора энергии от солнечного света. Существуют также многочисленные другие фотодетекторы, основанные на термических, химических, квантовых, фотоэлектрических и других эффектах.
Модуляция
Модуляция источника света используется для кодирования информации в световом потоке. Модуляция может быть реализована непосредственно источником света. Одним из простейших примеров является использование фонарика для передачи кода Морзе. Другой способ – взять свет от источника света и модулировать его во внешнем оптическом модуляторе. Дополнительной областью исследований в области модуляции является формат модуляции. Включение-выключение (On-Off Keying) долгое время являлось наиболее распространенным форматом модуляции в оптической связи. В последние годы изучаются более сложные форматы модуляции, такие как фазовая манипуляция или даже ортогональное частотное мультиплексирование, для компенсации эффектов, таких как дисперсия, ухудшающих качество передаваемого сигнала.
Фотонические системы
Фотоника также включает исследования фотонных систем. Этот термин часто используется по отношению к системам оптической связи. Данное направление исследований сосредоточено на создании фотонных систем, таких как высокоскоростные фотонные сети. Оно также охватывает исследования оптических регенераторов, повышающих качество оптического сигнала.
Биофотоника
Биофотоника использует инструменты из области фотоники для изучения биологии. Биофотоника в основном направлена на улучшение возможностей медицинской диагностики (например, при раке или инфекционных заболеваниях), но также может применяться в экологических и других областях. Основными преимуществами этого подхода являются скорость анализа, неинвазивная диагностика и возможность проведения исследований in situ.