فوتونيك (علم فوتونيك) علم فيزيكي توليد ، شناسايي و دستكاري نور (فوتون) از طريق انتشار ، انتقال ، مدولاسيون ، پردازش سيگنال ، سوئيچينگ ، تقويت و سنجش است. [1] [2] اگرچه تمام برنامه هاي فني نور را در كل طيف پوشش مي دهد ، اما بيشتر برنامه هاي فوتوني در محدوده نور مرئي و نزديك به مادون قرمز هستند. اصطلاح فوتونيك به عنوان منبعي از اولين ساطع كننده هاي نور نيمه هادي عملياتي اختراع شده در اوايل دهه 1960 و فيبرهاي نوري در دهه 1970 ايجاد شده است.
تاريخ
كلمه "فوتونيك" از كلمه يوناني "phos" به معني نور گرفته شده است (كه داراي كلمه "عكس" است و در كلمات تركيبي از ريشه "عكس" استفاده مي شود). در اواخر دهه 1960 براي توصيف يك زمينه تحقيقاتي كه هدف آن استفاده از نور براي انجام كارهايي بود كه به طور سنتي در حوزه معمول الكترونيك قرار داشت ، مانند ارتباطات از راه دور ، پردازش اطلاعات و غيره ، ظاهر شد [نياز به منبع]
فوتونيك به عنوان يك ميدان با اختراع ليزر در سال 1960 آغاز شد. ساير تحولات به دنبال آن رخ داد: ديود ليزر در دهه 1970 ، فيبرهاي نوري براي انتقال اطلاعات و تقويت كننده فيبر دوپ شده با اربيوم. اين اختراعات زمينه ساز انقلاب ارتباطات از راه دور اواخر قرن بيستم و زيرساخت هاي اينترنت بود.
اصطلاح فوتونيك اگرچه زودتر ابداع شد ، در دهه 1980 با استفاده از انتقال داده هاي فيبر نوري توسط اپراتورهاي شبكه مخابراتي مورد استفاده عمومي قرار گرفت. [نياز به منبع] در آن زمان ، اين اصطلاح به طور گسترده اي در آزمايشگاه هاي بل استفاده مي شد. [نياز به منبع] استفاده از آن هنگامي كه انجمن ليزرها و الكترواپتيك IEEE يك مجله بايگاني به نام Photonics Technology Letters در پايان دهه 1980 تأسيس كرد ، تأييد شد. [نياز به منبع]
طي دوره منتهي به سقوط نقطه دات كام در سال 2001 ، فوتونيك به عنوان يك زمينه بيشتر روي ارتباطات از راه دور نوري متمركز بود. با اين حال ، فوتونيك طيف گسترده اي از كاربردهاي علمي و فناوري را شامل مي شود ، از جمله توليد ليزر ، سنجش بيولوژيكي و شيميايي ، تشخيص و درمان پزشكي ، فناوري نمايش و محاسبات نوري. اگر تحولات فوتونيك فعلي سيليكون موفقيت آميز باشد ، رشد بيشتر فوتونيك محتمل است. [3]
ارتباط با زمينه هاي ديگر
اپتيك كلاسيك
فوتونيك ارتباط نزديك با اپتيك دارد. اپتيك كلاسيك مدتها قبل از كشف كوانته شدن نور مقدم بود ، زماني كه آلبرت انيشتين در سال 1905 به طور مشهور اثر فوتوالكتريك را توضيح داد. ابزارهاي نوري شامل لنز شكست ، آينه بازتابنده و اجزا و ابزارهاي مختلف نوري است كه در قرن 15 تا 19 توسعه يافته اند. اصول اصلي اپتيك كلاسيك ، مانند اصل هويگنس ، ساخته شده در قرن هفدهم ، معادلات ماكسول و معادلات موج ، در قرن نوزدهم ، به خصوصيات كوانتومي نور بستگي ندارند.
اپتيك مدرن
فوتونيك مربوط به اپتيك كوانتوم ، اپتومكانيك ، الكترواپتيك ، اپتوالكترونيك و الكترونيك كوانتوم است. با اين حال ، هر منطقه داراي معناي كمي متفاوت توسط جوامع علمي و دولتي و بازار است. اپتيك كوانتوم اغلب به معني تحقيقات بنيادي است ، در حالي كه از فوتونيك براي معني تحقيق و توسعه كاربردي استفاده مي شود.
اصطلاح فوتونيك به طور خاص بيانگر موارد زير است:
خواص ذرات نور ،
پتانسيل ايجاد فن آوري هاي دستگاه پردازش سيگنال با استفاده از فوتون ها ،
كاربرد عملي اپتيك ، و
تشبيه الكترونيك.
اصطلاح الكترونيكي الكتروني ، وسايل يا مدارهايي را شامل مي شود كه هم توابع الكتريكي و هم نوري را تشكيل مي دهند ، يعني دستگاه نيمه هادي فيلم نازك. اصطلاح الكترواپتيك قبلاً مورد استفاده قرار گرفت و به طور خاص شامل فعل و انفعالات الكتريكي و نوري غير خطي اعمال شده است ، به عنوان مثال ، به عنوان تعديل كننده هاي كريستال حجيم مانند سلول Pockels ، اما همچنين شامل سنسورهاي تصويربرداري پيشرفته است.
زمينه هاي نوظهور
فوتونيك همچنين به علم نوظهور اطلاعات كوانتومي و اپتيك كوانتوم مربوط مي شود. ساير زمينه هاي نوظهور عبارتند از:
تصويربرداري از Optoacoustics يا photoacoustic كه در آن انرژي ليزر منتقل شده به بافت هاي بيولوژيكي جذب شده و به گرما تبديل مي شود و منجر به انتشار اولتراسونيك مي شود.
Optomechanics ، كه شامل مطالعه تعامل بين نور و ارتعاشات مكانيكي اجسام مزوسكوپي يا ماكروسكوپي است.
اتمي اتمي ، كه در آن دستگاه ها هر دو دستگاه فوتونيك و اتمي را براي كاربردهايي مانند زمان سنجي دقيق ، ناوبري و اندازه گيري ادغام مي كنند.
پلاريتون ، كه با فوتونيك تفاوت دارد در اين كه حامل اطلاعات اساسي يك قطب است. پولاريتون ها مخلوطي از فوتون و فونون هستند و در محدوده فركانس هاي 300 گيگا هرتز تا تقريباً 10 تراه هرتز كار مي كنند.
فوتونيك قابل برنامه ريزي ، كه توسعه مدارهاي فوتونيكي را بررسي مي كند كه مي توانند براي اجراي توابع مختلف به همان شيوه FPGA الكترونيكي دوباره برنامه ريزي شوند
برنامه هاي كاربردي
يك موش دريايي (Aphrodita aculeata) ، [4] خارهاي رنگارنگ را نشان مي دهد ، نمونه قابل توجهي از مهندسي فوتونيك توسط يك ارگانيسم زنده
كاربردهاي فوتونيك در همه جا وجود دارد. همه اين موارد از زندگي روزمره گرفته تا پيشرفته ترين علم شامل اين موارد است. تشخيص نور ، ارتباطات از راه دور ، پردازش اطلاعات ، محاسبات فوتونيك ، روشنايي ، اندازه گيري ، طيف سنجي ، هولوگرافي ، پزشكي (جراحي ، اصلاح بينايي ، آندوسكوپي ، نظارت بر سلامتي) ، بيوفوتونيك ، فناوري نظامي ، پردازش مواد ليزري ، تشخيص هنر (شامل بازتابي مادون قرمز ، اشعه هاي خوني ، فلورسانس ماوراio بنفش ، XRF) ، كشاورزي و رباتيك.
همانطور كه از زمان اختراع اولين ترانزيستور در سال 1948 ، كاربردهاي الكترونيكي به طرز چشمگيري گسترش يافته اند ، كاربردهاي منحصر به فرد فوتونيك نيز همچنان پديدار مي شوند. برنامه هاي مهم اقتصادي براي دستگاه هاي فوتونيك نيمه هادي شامل ضبط داده هاي نوري ، ارتباطات از راه دور فيبر نوري ، چاپ ليزر (بر اساس زيراگرافي) ، نمايشگرها و پمپاژ نوري ليزرهاي با قدرت بالا است. كاربردهاي بالقوه فوتونيك تقريباً نامحدود است و شامل سنتز شيميايي ، تشخيص پزشكي ، ارتباط داده روي تراشه ، سنسورها ، دفاع ليزر و انرژي همجوشي است كه چندين نمونه جالب ديگر را ذكر مي كند.
تجهيزات مصرف كننده: اسكنر باركد ، چاپگر ، دستگاه هاي CD / DVD / Blu-ray ، دستگاه هاي كنترل از راه دور
ارتباطات از راه دور: ارتباطات فيبر نوري ، مبدل نوري به مايكروويو
پزشكي: اصلاح ضعف بينايي ، جراحي ليزر ، آندوسكوپي جراحي ، حذف تاتو
ساخت صنعتي: استفاده از ليزر براي جوشكاري ، سوراخكاري ، برش ، و روشهاي مختلف اصلاح سطح
ساخت و ساز: تراز كردن ليزر ، فاصله يابي ليزر ، ساختارهاي هوشمند
هواپيمايي: ژيروسكوپ فوتونيكي فاقد قطعات متحرك است
نظامي: حسگرهاي مادون قرمز ، فرماندهي و كنترل ، ناوبري ، جستجو و نجات ، مين گذاري و كشف
سرگرمي: نمايش ليزر ، جلوه هاي پرتو ، هنر هولوگرافي
پردازش اطلاعات
سنسورها: LIDAR ، سنسورهاي لوازم الكترونيكي مصرفي
اندازه گيري: اندازه گيري زمان و فركانس ، پيدا كردن فاصله
محاسبات فوتونيك: توزيع ساعت و ارتباط بين رايانه ها ، برد مدار چاپي يا در مدارهاي مجتمع الكترونيكي الكترونيكي ؛ در آينده: محاسبات كوانتومي
ميكروفتونيك و نانوفوتونيك معمولاً شامل بلورهاي فوتوني و دستگاههاي حالت جامد است. [5]
بررسي اجمالي تحقيقات فوتونيك
علم فوتونيك شامل بررسي انتشار ، انتقال ، تقويت ، تشخيص و تعديل نور است.
منابع نور
فوتونيك معمولاً از منابع نوري مبتني بر نيمه هادي مانند ديودهاي ساطع كننده نور (LED) ، ديودهاي فوق لامپ و ليزر استفاده مي كند. منابع نور ديگر شامل منابع تك فوتوني ، لامپهاي فلورسنت ، لوله هاي اشعه كاتد (CRT) و صفحه هاي پلاسما است. توجه داشته باشيد كه در حالي كه CRT ها ، صفحه هاي پلاسما و نمايشگرهاي ديود ساطع كننده نور آلي خود را توليد مي كنند ، نمايشگرهاي كريستال مايع (LCD) مانند صفحه هاي TFT نياز به نور پس زمينه لامپ هاي فلورسنت كاتدي سرد يا امروزه بيشتر LED ها دارند.
ويژگي تحقيق در مورد منابع نوري نيمه هادي استفاده مكرر از نيمه هادي هاي III-V به جاي نيمه هادي هاي كلاسيك مانند سيليكون و ژرمانيم است. اين به دليل ويژگيهاي خاص نيمه هاديهاي III-V است كه امكان اجراي دستگاههاي ساطع كننده نور را فراهم مي كند. به عنوان مثال براي سيستم هاي مواد مورد استفاده مي توان به آرسنيد گاليوم (GaAs) و آرسنيد گاليم آلومينيوم (AlGaAs) يا ساير نيمه هادي هاي مركب اشاره كرد. آنها همچنين در توليد سيليكون براي توليد ليزرهاي تركيبي سيليكون استفاده مي شوند.
رسانه انتقال
نور از طريق هر محيط شفافي قابل انتقال است. از فيبر شيشه يا فيبر نوري پلاستيكي مي توان براي هدايت نور در يك مسير مورد نظر استفاده كرد. در ارتباطات نوري ، فيبرهاي نوري براي انتقال بيش از 100 كيلومتر بدون تقويت بسته به سرعت بيت و قالب مدولاسيون مورد استفاده براي انتقال ، اجازه مي دهند. يك موضوع تحقيقاتي بسيار پيشرفته در زمينه فوتونيك ، بررسي و ساخت سازه هاي خاص و "مواد" با خواص نوري مهندسي شده است. اينها شامل بلورهاي فوتوني ، الياف كريستال فوتونيك و مواد فراملي هستند.
تقويت كننده ها
از تقويت كننده هاي نوري براي تقويت سيگنال نوري استفاده مي شود. تقويت كننده هاي نوري مورد استفاده در ارتباطات نوري ، تقويت كننده هاي الياف دوپ شده اربيوم ، تقويت كننده هاي نوري نيمه هادي ، تقويت كننده هاي رامان و تقويت كننده هاي پارامتري نوري هستند. يك موضوع تحقيقاتي بسيار پيشرفته در مورد تقويت كننده هاي نوري ، تحقيق در مورد تقويت كننده هاي نوري نيمه هادي كوانتومي است.
رديابي
ردياب هاي نوري نور را تشخيص مي دهند. آشكارسازهاي نوري از ديودهاي نوري بسيار سريع براي برنامه هاي ارتباطي با دستگاه هاي شارژر شارژ متوسط (CCD) براي دوربين هاي ديجيتال گرفته تا سلول هاي خورشيدي بسيار كند كه براي برداشت انرژي از نور خورشيد استفاده مي شوند. همچنين بسياري از آشكارسازهاي نوري ديگري نيز وجود دارند كه بر اساس اثرات حرارتي ، شيميايي ، كوانتومي ، فوتوالكتريك و غيره ساخته شده اند.
مدولاسيون
مدولاسيون منبع نور براي رمزگذاري اطلاعات روي منبع نور استفاده مي شود. مدولاسيون را مي توان مستقيماً توسط منبع نور به دست آورد. يكي از ساده ترين مثالها استفاده از چراغ قوه براي ارسال كد مورس است. روش ديگر ، گرفتن نور از يك منبع نور و تعديل آن در يك تعديل كننده نوري خارجي است. [6]
يك موضوع اضافي تحت پوشش تحقيقات مدولاسيون ، قالب مدولاسيون است. كليد خاموش (off-off) فرمت مدولاسيون معمولاً مورد استفاده در ارتباطات نوري بوده است. در سال هاي گذشته فرمت هاي مدولاسيون پيشرفته تر مانند كليد تغيير فاز يا حتي مالتي پلكسينگ تقسيم فركانس متعامد براي خنثي كردن اثراتي مانند پراكندگي كه كيفيت سيگنال منتقل شده را كاهش مي دهد ، بررسي شده است.
سيستم هاي فوتوني
فوتونيك همچنين شامل تحقيق در مورد سيستم هاي فوتوني است. اين اصطلاح اغلب براي سيستم هاي ارتباطي نوري استفاده مي شود. اين حوزه از تحقيق بر روي اجراي سيستم هاي فوتوني مانند شبكه هاي فوتوني با سرعت بالا متمركز است. اين همچنين شامل تحقيق در مورد بازسازي كننده هاي نوري است كه كيفيت سيگنال نوري را بهبود مي بخشد. [نياز به منبع]
مدارهاي مجتمع فوتوني
ويفر مدار فوتونيك يكپارچه
مدارهاي تلفيقي فوتونيك (PIC) دستگاه هاي فوتونيك نيمه هادي يكپارچه نوري فعال هستند. اصلي ترين كاربرد تجاري PIC ها گيرنده هاي نوري براي شبكه هاي نوري مركز داده هستند. PIC ها بر روي لايه هاي ويفر نيمه هادي فسفيد اينديم III-V ساخته شدند و اولين كساني بودند كه به موفقيت تجاري دست يافتند. [7] PIC هاي ساخته شده بر اساس لايه هاي ويفر سيليكوني اكنون نيز يك فناوري تجاري هستند.
برنامه هاي اصلي براي فوتونيك مجتمع شامل:
اتصالات مركز داده: با نگهداري و پردازش اطلاعات بيشتر در ابر ، مراكز داده همچنان در مقياس رشد مي كنند. با افزايش محاسبه مركز داده ، تقاضاها در شبكه هاي مركز داده به ترتيب افزايش مي يابد. كابل هاي نوري مي توانند از پهناي باند بيشتر خط در مسافت انتقال بيشتر از كابل هاي مسي پشتيباني كنند. براي مسافت هاي كوتاه و حداكثر سرعت انتقال اطلاعات تا 40 گيگابيت بر ثانيه ، مي توان از رويكردهاي غير يكپارچه مانند ليزرهاي ساطع كننده سطح حفره عمودي براي گيرنده هاي نوري در شبكه هاي فيبر نوري چند حالته استفاده كرد. [8] فراتر از اين دامنه و پهناي باند ، مدارهاي يكپارچه فوتونيك براي فعال كردن فرستنده و گيرنده هاي نوري با كارايي بالا و كم هزينه كليدي هستند.
برنامه هاي سيگنال RF آنالوگ: با استفاده از پردازش سيگنال دقيق گيگاهرتز در مدارهاي فوتونيك ، سيگنال هاي فركانس راديويي (RF) را مي توان با قابليت اطمينان بالا براي افزودن يا رها كردن چندين كانال راديويي ، در يك دامنه فركانس فوق باند پهن پخش كرد. علاوه بر اين ، مدارهاي فوتونيك يكپارچه مي توانند نويز پس زمينه را از سيگنال RF با دقت بي سابقه اي حذف كنند ، كه باعث افزايش عملكرد سيگنال به نويز و ايجاد معيارهاي جديد در عملكرد كم انرژي مي شود. روي هم رفته ، اين پردازش با دقت بالا ما را قادر مي سازد تا در حال حاضر مقادير زيادي از اطلاعات را در ارتباطات راديويي با مسافت بسيار طولاني بسته بندي كنيم.
حسگرها: همچنين مي توان از فوتون ها براي شناسايي و تفكيك خصوصيات نوري مواد استفاده كرد. آنها مي توانند گازهاي شيميايي يا بيوشيميايي ناشي از آلودگي هوا ، محصولات آلي و آلاينده هاي موجود در آب را شناسايي كنند. همچنين مي توان از آنها براي تشخيص ناهنجاري هايي در خون مانند سطح گلوكز پايين و اندازه گيري بيومتريك مانند ضربان نبض استفاده كرد. مدارهاي تلفيقي فوتونيك به عنوان سنسورهاي جامع و همه گير با شيشه / سيليكون طراحي مي شوند و از طريق توليد با حجم زياد در دستگاه هاي مختلف تلفن همراه جاسازي مي شوند. [نيازمند منبع]
حسگرهاي پلت فرم موبايل اين امكان را براي ما فراهم مي كنند تا مستقيماً با شيوه هايي محافظت بهتر از محيط ، نظارت بر تأمين غذا و حفظ سلامتي داشته باشيم.
LIDAR و ساير تصاوير آرايه اي مرحله اي: آرايه هاي PIC مي توانند از تاخير فاز در نور منعكس شده از اشيا with با اشكال سه بعدي براي بازسازي تصاوير سه بعدي استفاده كنند و تصويربرداري نور ، تشخيص و نوسان (LIDAR) با نور ليزر مي تواند يك مكمل براي رادار با تهيه تصويربرداري دقيق (با اطلاعات سه بعدي) در فواصل نزديك. اين شكل جديد بينايي ماشين داشتن يك كاربرد فوري در اتومبيل هاي بدون راننده براي كاهش تصادفات و تصويربرداري پزشكي است. از آرايه هاي فازي مي توان براي ارتباطات فضاي آزاد و فن آوري هاي نمايش جديد نيز استفاده كرد. نسخه هاي فعلي LIDAR عمدتا به قطعات متحرك متكي هستند ، كه آنها را بزرگ ، كند ، با وضوح پايين ، پرهزينه و مستعد لرزش مكانيكي و خرابي زودرس مي كند. فوتونيك يكپارچه مي تواند LIDAR را به اندازه يك مهر پستي درك كند ، بدون قطعات متحرك اسكن كند و با حجم كم و با هزينه كم توليد شود. [نياز به منبع]
بيوفوتونيك
Biophotonics از ابزارهاي فوتونيك تا مطالعه زيست شناسي استفاده مي كند. بيوفوتونيك عمدتاً بر بهبود توانايي هاي تشخيص پزشكي (به عنوان مثال براي سرطان يا بيماري هاي عفوني) تمركز دارد [9] اما مي تواند براي كاربردهاي محيطي يا ساير موارد نيز مورد استفاده قرار گيرد. [10] [11] مزاياي اصلي اين روش سرعت تجزيه و تحليل ، تشخيص غير تهاجمي و توانايي كار در محل است.