Fotónica - Photonics

Dispersión de luz (fotones) por un prisma.

La fotónica es la ciencia física y la aplicación de la generación, detección y manipulación de la luz ( fotones ) a través de la emisión , transmisión , modulación , procesamiento de señales , conmutación, amplificación y detección . Aunque cubre todas las aplicaciones técnicas de la luz en todo el espectro , la mayoría de las aplicaciones fotónicas se encuentran en el rango de la luz visible y del infrarrojo cercano . El término fotónica se desarrolló como consecuencia de los primeros emisores de luz semiconductores prácticos inventados a principios de la década de 1960 y las fibras ópticas desarrolladas en la década de 1970.

Historia

La palabra 'fotónica' se deriva de la palabra griega "phos" que significa luz (que tiene el genitivo "fotos" y en palabras compuestas se usa la raíz "foto-"); apareció a fines de la década de 1960 para describir un campo de investigación cuyo objetivo era utilizar la luz para realizar funciones que tradicionalmente se encontraban dentro del dominio típico de la electrónica, como las telecomunicaciones, el procesamiento de información, etc.

La fotónica como campo comenzó con la invención del láser en 1960. Siguieron otros desarrollos: el diodo láser en la década de 1970, las fibras ópticas para transmitir información y el amplificador de fibra dopada con erbio . Estos inventos formaron la base de la revolución de las telecomunicaciones de finales del siglo XX y proporcionaron la infraestructura para Internet .

Aunque acuñado antes, el término fotónica se volvió de uso común en la década de 1980 cuando los operadores de redes de telecomunicaciones adoptaron la transmisión de datos por fibra óptica. En ese momento, el término se usaba ampliamente en Bell Laboratories . Su uso se confirmó cuando la IEEE Lasers and Electro-Optics Society estableció una revista de archivo llamada Photonics Technology Letters a fines de la década de 1980.

Durante el período que condujo al colapso de las puntocom alrededor de 2001, la fotónica como campo se centró principalmente en las telecomunicaciones ópticas. Sin embargo, la fotónica cubre una amplia gama de aplicaciones científicas y tecnológicas, incluida la fabricación de láser, la detección biológica y química, el diagnóstico y la terapia médicos, la tecnología de visualización y la computación óptica . Es probable que haya un mayor crecimiento de la fotónica si los desarrollos actuales de la fotónica de silicio tienen éxito.

Relación con otros campos

Óptica clásica

La fotónica está estrechamente relacionada con la óptica . La óptica clásica precedió al descubrimiento de la cuantificación de la luz, cuando Albert Einstein explicó el efecto fotoeléctrico en 1905. Las herramientas ópticas incluyen la lente refractora , el espejo reflectante y varios componentes e instrumentos ópticos desarrollados a lo largo de los siglos XV al XIX. Los principios clave de la óptica clásica, como el principio de Huygens , desarrollado en el siglo XVII, las ecuaciones de Maxwell y las ecuaciones de onda, desarrolladas en el siglo XIX, no dependen de las propiedades cuánticas de la luz.

Óptica moderna

La fotónica está relacionada con la óptica cuántica , la optomecánica , la electroóptica , la optoelectrónica y la electrónica cuántica . Sin embargo, cada área tiene connotaciones ligeramente diferentes por parte de las comunidades científicas y gubernamentales y en el mercado. La óptica cuántica a menudo connota investigación fundamental, mientras que la fotónica se utiliza para connotar investigación y desarrollo aplicados.

El término fotónica connota más específicamente:

  • Las propiedades de las partículas de la luz,
  • El potencial de crear tecnologías de dispositivos de procesamiento de señales utilizando fotones,
  • La aplicación práctica de la óptica y
  • Una analogía con la electrónica .

El término optoelectrónica connota dispositivos o circuitos que comprenden funciones tanto eléctricas como ópticas, es decir, un dispositivo semiconductor de película delgada. El término electroóptica se utilizó anteriormente y engloba específicamente las interacciones eléctrico-ópticas no lineales aplicadas, por ejemplo, como moduladores de cristal a granel como la celda de Pockels , pero también incluye sensores de imagen avanzados.

Campos emergentes

La fotónica también se relaciona con la ciencia emergente de la información cuántica y la óptica cuántica . Otros campos emergentes incluyen:

Aplicaciones

Un ratón de mar ( Aphrodita aculeata ), mostrando coloridas espinas, un notable ejemplo de ingeniería fotónica por un organismo vivo

Las aplicaciones de la fotónica son ubicuas. Se incluyen todas las áreas, desde la vida cotidiana hasta la ciencia más avanzada, por ejemplo, detección de luz, telecomunicaciones , procesamiento de información , computación fotónica , iluminación , metrología , espectroscopia , holografía , medicina (cirugía, corrección de la visión, endoscopia, monitoreo de la salud), biofotónica , tecnología militar. , láser de procesamiento de material, el diagnóstico de la técnica (que implican InfraRed reflectografía, rayos X , ultravioleta fluorescencia, fluorescencia de rayos X ), la agricultura , y robótica .

Así como las aplicaciones de la electrónica se han expandido dramáticamente desde que se inventó el primer transistor en 1948, las aplicaciones únicas de la fotónica continúan surgiendo. Las aplicaciones de importancia económica para los dispositivos fotónicos semiconductores incluyen grabación de datos ópticos, telecomunicaciones de fibra óptica, impresión láser (basada en xerografía), pantallas y bombeo óptico de láseres de alta potencia. Las aplicaciones potenciales de la fotónica son virtualmente ilimitadas e incluyen síntesis química, diagnóstico médico, comunicación de datos en chip, sensores, defensa láser y energía de fusión , por nombrar varios ejemplos adicionales interesantes.

La microfotónica y la nanofotónica suelen incluir cristales fotónicos y dispositivos de estado sólido .

Resumen de la investigación fotónica

La ciencia de la fotónica incluye la investigación de la emisión , transmisión , amplificación , detección y modulación de la luz.

Fuentes de luz

La fotónica suele utilizar fuentes de luz basadas en semiconductores, como diodos emisores de luz (LED), diodos superluminiscentes y láseres . Otras fuentes de luz incluyen fuentes de fotón único , lámparas fluorescentes , tubos de rayos catódicos (CRT) y pantallas de plasma . Tenga en cuenta que mientras los CRT, las pantallas de plasma y las pantallas de diodos orgánicos emisores de luz generan su propia luz, las pantallas de cristal líquido (LCD), como las pantallas TFT, requieren una luz de fondo de lámparas fluorescentes de cátodo frío o, más a menudo en la actualidad, LED.

Una característica de la investigación sobre fuentes de luz semiconductoras es el uso frecuente de semiconductores III-V en lugar de los semiconductores clásicos como el silicio y el germanio . Esto se debe a las propiedades especiales de los semiconductores III-V que permiten la implementación de dispositivos emisores de luz . Ejemplos de sistemas de materiales utilizados son el arseniuro de galio (GaAs) y el arseniuro de aluminio y galio (AlGaAs) u otros semiconductores compuestos . También se utilizan junto con el silicio para producir láseres de silicio híbridos .

Medios de transmisión

La luz se puede transmitir a través de cualquier medio transparente . Se puede usar fibra de vidrio o fibra óptica de plástico para guiar la luz a lo largo de un camino deseado. En las comunicaciones ópticas, las fibras ópticas permiten distancias de transmisión de más de 100 km sin amplificación, dependiendo de la tasa de bits y el formato de modulación utilizado para la transmisión. Un tema de investigación muy avanzado dentro de la fotónica es la investigación y fabricación de estructuras especiales y "materiales" con propiedades ópticas diseñadas. Estos incluyen cristales fotónicos , fibras de cristal fotónico y metamateriales .

Amplificadores

Los amplificadores ópticos se utilizan para amplificar una señal óptica. Los amplificadores ópticos utilizados en las comunicaciones ópticas son amplificadores de fibra dopada con erbio , amplificadores ópticos semiconductores , amplificadores Raman y amplificadores paramétricos ópticos . Un tema de investigación muy avanzado sobre amplificadores ópticos es la investigación sobre amplificadores ópticos semiconductores de puntos cuánticos .

Detección

Los fotodetectores detectan la luz. Los fotodetectores van desde fotodiodos muy rápidos para aplicaciones de comunicaciones a través de dispositivos de carga acoplada ( CCD ) de velocidad media para cámaras digitales hasta células solares muy lentas que se utilizan para la recolección de energía de la luz solar . También hay muchos otros fotodetectores basados ​​en efectos térmicos, químicos , cuánticos, fotoeléctricos y otros.

Modulación

La modulación de una fuente de luz se utiliza para codificar información sobre una fuente de luz. La modulación se puede lograr directamente mediante la fuente de luz. Uno de los ejemplos más simples es usar una linterna para enviar código Morse . Otro método es tomar la luz de una fuente de luz y modularla en un modulador óptico externo .

Un tema adicional cubierto por la investigación de modulación es el formato de modulación. La codificación on-off ha sido el formato de modulación comúnmente utilizado en las comunicaciones ópticas. En los últimos años, se han investigado formatos de modulación más avanzados como la manipulación por desplazamiento de fase o incluso la multiplexación por división de frecuencia ortogonal para contrarrestar efectos como la dispersión que degradan la calidad de la señal transmitida.

Sistemas fotónicos

La fotónica también incluye la investigación sobre sistemas fotónicos. Este término se usa a menudo para sistemas de comunicación óptica . Esta área de investigación se centra en la implementación de sistemas fotónicos como redes fotónicas de alta velocidad. Esto también incluye la investigación sobre regeneradores ópticos , que mejoran la calidad de la señal óptica.

Circuitos integrados fotónicos

Los circuitos integrados fotónicos (PIC) son dispositivos fotónicos semiconductores integrados ópticamente activos. La principal aplicación comercial de los PIC son los transceptores ópticos para redes ópticas de centros de datos. Los PIC se fabricaron sobre sustratos de obleas semiconductoras de fosfuro de indio III-V y fueron los primeros en lograr el éxito comercial; Los PIC basados ​​en sustratos de obleas de silicio también son ahora una tecnología comercializada.

Las aplicaciones clave para la fotónica integrada incluyen:

  • Interconexiones de centros de datos: los centros de datos siguen creciendo en escala a medida que las empresas e instituciones almacenan y procesan más información en la nube. Con el aumento en la computación del centro de datos, las demandas en las redes del centro de datos aumentan en consecuencia. Los cables ópticos pueden soportar un mayor ancho de banda de carril a distancias de transmisión más largas que los cables de cobre. Para distancias de corto alcance y velocidades de transmisión de datos de hasta 40 Gbps, los enfoques no integrados, como los láseres emisores de superficie de cavidad vertical, se pueden utilizar para transceptores ópticos en redes de fibra óptica multimodo . Más allá de este rango y ancho de banda, los circuitos integrados fotónicos son clave para habilitar transceptores ópticos de alto rendimiento y bajo costo.
  • Aplicaciones de señales de RF analógicas: utilizando el procesamiento de señales de precisión en GHz de los circuitos integrados fotónicos, las señales de radiofrecuencia (RF) se pueden manipular con alta fidelidad para agregar o eliminar múltiples canales de radio, distribuidos en un rango de frecuencia de banda ultra ancha. Además, los circuitos integrados fotónicos pueden eliminar el ruido de fondo de una señal de RF con una precisión sin precedentes, lo que aumentará el rendimiento de señal a ruido y hará posibles nuevos puntos de referencia en rendimiento de baja potencia. En conjunto, este procesamiento de alta precisión nos permite ahora empaquetar grandes cantidades de información en comunicaciones de radio de ultra larga distancia.
  • Sensores: los fotones también se pueden utilizar para detectar y diferenciar las propiedades ópticas de los materiales. Pueden identificar gases químicos o bioquímicos de la contaminación del aire, productos orgánicos y contaminantes en el agua. También se pueden utilizar para detectar anomalías en la sangre, como niveles bajos de glucosa, y medir datos biométricos como la frecuencia del pulso. Los circuitos integrados fotónicos se están diseñando como sensores completos y ubicuos con vidrio / silicio, y se integran a través de una producción de alto volumen en varios dispositivos móviles. Los sensores de plataforma móvil nos permiten participar más directamente en prácticas que protegen mejor el medio ambiente, monitorean el suministro de alimentos y nos mantienen saludables.
  • LIDAR y otras imágenes de matriz en fase : las matrices de PIC pueden aprovechar los retrasos de fase en la luz reflejada por objetos con formas tridimensionales para reconstruir imágenes en 3D, y las imágenes de luz, detección y determinación de distancia (LIDAR) con luz láser pueden ofrecer un complemento para radar al proporcionar imágenes de precisión (con información 3D) a distancias cortas. Esta nueva forma de visión artificial está teniendo una aplicación inmediata en automóviles sin conductor para reducir colisiones y en imágenes biomédicas. Las matrices en fase también se pueden utilizar para comunicaciones en el espacio libre y tecnologías de visualización novedosas. Las versiones actuales de LIDAR se basan principalmente en piezas móviles, lo que las hace grandes, lentas, de baja resolución, costosas y propensas a vibraciones mecánicas y fallas prematuras. La fotónica integrada puede realizar LIDAR en un espacio del tamaño de un sello postal, escanear sin partes móviles y producirse en grandes volúmenes a bajo costo.

Biofotónica

La biofotónica emplea herramientas desde el campo de la fotónica hasta el estudio de la biología . La biofotónica se centra principalmente en mejorar las capacidades de diagnóstico médico (por ejemplo, para el cáncer o enfermedades infecciosas), pero también se puede utilizar para aplicaciones medioambientales o de otro tipo. Las principales ventajas de este enfoque son la velocidad de análisis, eldiagnóstico no invasivo y la capacidad de trabajar in situ .

Ver también

Referencias