Φωτονική

Φωτονική ονομάζεται ο κλάδος των επιστημών και της τεχνολογίας που ασχολείται με την δημιουργία, τον έλεγχο και την ανίχνευση φωτονίων ιδιαίτερα στην περιοχή του ορατού φωτός και στο κοντινό υπέρυθρο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. 

Η Φωτονική ως επιστήμη σχετίζεται με την κβαντική οπτική και την οπτοηλεκτρονική, ενώ τα όρια μεταξύ τους δεν είναι σαφή. Συνήθως με τον όρο «κβαντική οπτική» αναφέρεται κανείς στην βασική έρευνα και με τον όρο «φωτονική» αναφέρεται στην εφαρμοσμένη έρευνα. Ο όρος «οπτοηλεκτρονική» αναφέρεται στην στενή περιοχή της μελέτης ενεργών αλλά και παθητικών υλικών που αλληλιπεδρούν ηλεκτρικά με το φως. Επιπλέον, δεν υπάρχει σαφής διαχωρισμός μεταξύ αυτών των πεδίων και της οπτικής, ενώ χρησιμοποιούνται διαφορετικοί ορισμοί σε διαφορετικές γεωγραφικές περιοχές και σε διαφορετικές βιομηχανίες.
Το πεδίο της φωτονικής παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον στις οπτικές τηλεπικοινωνίες. Η επιστήμη και οι εφαρμογές της φωτονικής στηρίζονται κυρίως στην χρήση των λέιζερ.

 Περίληψη των ερευνητικών πεδίων της φωτονικής 
Το πεδίο της φωτονικής περιλαμβάνει την εκπομπή, την μετάδοση, την ενίσχυση, την ανίχνευση και την διαμόρφωση του φωτός. Οι φωτονικές διατάξεις περιλαμβάνουν τις οπτοηλεκτρονικές διατάξεις (όπως τα λέιζερ και τους φωτοανιχνευτές), τους φωτονικούς κρυστάλλους, οπτικές ίνες, τους επίπεδους κυματοδηγούς και άλλα παθητικά οπτικά στοιχεία.

Μερικές από τις περιοχές όπου βρίσκει εφαρμογή η φωτονική είναι οι τηλεπικοινωνίες, η επεξεργασία πληροφοριών, η φωταψία, η μετρολογία, η φασματοσκοπία, η ολογραφία, η ιατρική (χειρουργική, διόρθωση όρασης, ενδοσκόπηση, παρακολούθηση υγείας), επεξεργασία υλικών με χρήση λέιζερ, τέχνη της όρασης, βιοφωτονική, γεωργία, ρομποτική και άμυνα.

 Ιστορία της φωτονικής 
Ο όρος φωτονική είναι σχετικά πρόσφατος. Προκύπτει από το ελληνικό φῶς, φωτὁς  και εμφανίζεται στην επιστημονική και τεχνική βιβλιογραφία αρχικά ως επίθετο για να θυμίζει τη σχέση με τα φωτόνια ή τη φωτεινή ακτινοβολία, και στη συνέχεια ως ουσιαστικό στα τέλη της δεκαετίας του 1960 για να περιγράψει έναν τομέα έρευνας που χρησιμοποιεί το φως για εφαρμογές που τότε συνδέονταν με την ηλεκτρονική (τηλεπικοινωνίες, επεξεργασία σήματος).

Μια πρώτη αναφορά της λέξεως ήταν σε μια επιστολή του Δεκεμβρίου 1954 από τον Τζον Γ. Κάμπελ προς τον Γκότχαρντ Γκούντερ:
Αποφάσισα να ιδρύσω μια νέα επιστήμη, τη φωτονική. Έχει την ίδια σχέση με την Οπτική που έχει η ηλεκτρονική με την ηλεκτρολογία. Η φωτονική, όπως και η ηλεκτρονική, θα ασχολείται με τις μεμονωμένες μονάδες- η οπτική και η ηλεκτρολογία ασχολούνται με τα ομαδικά φαινόμενα! Και να σημειωθεί ότι μπορεί κανείς να κάνει πράγματα  με την ηλεκτρονική που είναι εντελώς αδύνατα στην ηλεκτρολογική μηχανική! Campbell, John W. (1991). "December 14, 1954". In Chapdelaine, Perry A. (ed.). The John W. Campbell Letters With Isaac Asimov and A.E. van Vogt, Volume II. AC Projects, Inc. ISBN 9780931150197..

Η φωτονική ως πεδίο εμφανίστηκε ουσιαστικά το 1960, με την εφεύρεση των λέιζερ. Κατά την διάρκεια του 1970 η ανάπτυξη των οπτικών ινών όπως επίσης και των ενισχυτών προσμίξεων Ερβίου αποτέλεσαν την κύρια εφαρμογή της φωτονικής και έθεσαν τις βάσεις για την ανάπτυξη των τηλεπικοινωνιών στα τέλη του 20ου αιώνα, ενώ παρείχαν την απαραίτητη υποδομή για την ανάπτυξη του διαδικτύου.

Στις αρχές της δεκαετίας του 2000, η Ευρωπαϊκή Ένωση συνέβαλε στη διάδοση του όρου μέσω της πλατφόρμας Photonics 21 (που δημιουργήθηκε το 2005) και μέσω των εργασιών της σχετικά με τις μελλοντικές γενικές τεχνολογίες με ισχυρό τεχνικό και οικονομικό δυναμικό (ή KETs για τις Key Enabling Technologies). Από το 2009, η Ευρωπαϊκή Επιτροπή θεωρεί τη φωτονική ως μία από τις έξι βασικές τεχνολογίες τεχνολογιών.

Ο όρος φωτονική αποκτά νέα πνοή με την ευρύτερη διάδοση κατά τη διάρκεια του Έτους Φωτός (2015). Σήμερα, ο όρος φωτονική περιλαμβάνει όλους τους τομείς της επιστήμης και της τεχνολογίας του φωτός, συμπεριλαμβανομένης της οπτικής, του φωτισμού, της όρασης, των λέιζερ, των οπτικών ινών και της οπτρονικής.

 Εφαρμογές της φωτονικής 

Συσκευές καθημερινής χρήσης: Σαρωτές ραβδοκωδικών (barcode scanners), εκτυπωτές, συσκευές CD/DVD/Blue-ray, συσκευές τηλεχειρισμού.
Τηλεπικοινωνίες. Τηλεπικοινωνίες οπτικών ινών
Ιατρική: Διόρθωση όρασης, χειρουργική με λέιζερ, χειρουργική ενδοσκόπιση, αφαίρεση τατουάζ 
Βιομηχανία: χρήση λέιζερ για κολλήσεις, κοπή και άλλες μορφές επεξεργασίας επιφανειών
Κατασκευαστική: Μέτρηση αποστάσεων, αποτύπωση κατασκευών, δημιουργία χαρτών
Αεροναυπηγική: φωτονικά γυροσκόπια
Άμυνα: Ανιχνευτές υπερύθρου, πλοήγηση, διάσωση, εντοπισμός ναρκών
Διασκέδαση: laser show, τεχνικές ολογραφίας
Μετρολογία: μέτρηση χρόνου και συχνότητας, μέτρηση αποστάσεων
Φωτονική υπολογιστική: συγχρονισμός και επικοινωνία μεταξύ υπολογιστών, πίνακες κυκλωμάτων με οπτοηλεκτρονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα. Στο μέλλον: κβαντικοί υπολογιστές.

Επισκόπηση της έρευνας φωτονικής
Η επιστήμη της φωτονικής περιλαμβάνει τη μελέτη της εκπομπής, της μετάδοσης, της ενίσχυσης, της ανίχνευσης και της διαμόρφωσης του φωτός.
Πηγές φωτός
Η φωτονική χρησιμοποιεί γενικά πηγές φωτός που βασίζονται σε ημιαγωγούς, όπως οι δίοδοι εκπομπής φωτός (LED), οι δίοδοι υπερφωταύγειας και τα λέιζερ. Άλλες πηγές φωτός περιλαμβάνουν πηγές μεμονωμένων φωτονίων, λαμπτήρες φθορισμού, καθοδικές λυχνίες (CRT) και οθόνες πλάσματος. Πρέπει να σημειωθεί ότι ενώ οι CRT, οι οθόνες πλάσματος και οι οθόνες οργανικών διόδων εκπομπής φωτός παράγουν το δικό τους φως, οι οθόνες υγρών κρυστάλλων (LCD), όπως οι TFT, απαιτούν οπίσθιο φωτισμό από λαμπτήρες φθορισμού ψυχρής καθόδου ή, πιο συχνά σήμερα, από διόδους εκπομπής φωτός (LED).

Η έρευνα για τις πηγές φωτός από ημιαγωγούς χαρακτηρίζεται από τη συχνή χρήση ημιαγωγών III-V αντί των συμβατικών ημιαγωγών όπως το πυρίτιο και το γερμάνιο. Αυτό οφείλεται στις ειδικές ιδιότητες των ημιαγωγών III-V, οι οποίες επιτρέπουν την υλοποίηση διατάξεων εκπομπής φωτός. Τα συστήματα υλικών που χρησιμοποιούνται είναι, για παράδειγμα, το αρσενιούχο γάλλιο (GaAs) και το αρσενιούχο γάλλιο (AlGaAs) ή άλλοι σύνθετοι ημιαγωγοί. Χρησιμοποιούνται επίσης σε συνδυασμό με πυρίτιο για την παραγωγή υβριδικών λέιζερ πυριτίου.

Μέσα μετάδοσης
Το φως μπορεί να μεταδοθεί μέσω οποιουδήποτε διαφανούς μέσου. Γυάλινες ή πλαστικές οπτικές ίνες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την καθοδήγηση του φωτός κατά μήκος μιας επιθυμητής διαδρομής. Στις οπτικές επικοινωνίες, οι οπτικές ίνες επιτρέπουν αποστάσεις μετάδοσης άνω των 100 km χωρίς ενίσχυση, ανάλογα με το ρυθμό μετάδοσης και τη μορφή διαμόρφωσης που χρησιμοποιείται για τη μετάδοση. Ένας πολύ προηγμένος τομέας έρευνας στη φωτονική είναι η μελέτη και η κατασκευή ειδικών δομών και "υλικών" με συγκεκριμένες οπτικές ιδιότητες. Σε αυτά περιλαμβάνονται οι φωτονικοί κρύσταλλοι, οι ίνες φωτονικών κρυστάλλων και τα μεταϋλικά.

Ενισχυτές
Οι οπτικοί ενισχυτές χρησιμοποιούνται για την ενίσχυση ενός οπτικού σήματος. Οι οπτικοί ενισχυτές που χρησιμοποιούνται στις οπτικές επικοινωνίες περιλαμβάνουν ενισχυτές ινών με επικάλυψη έρβιου, οπτικούς ενισχυτές ημιαγωγών, ενισχυτές Ράμαν και οπτικούς παραμετρικούς ενισχυτές. Ένα πολύ προηγμένο θέμα έρευνας στους οπτικούς ενισχυτές είναι η έρευνα στους οπτικούς ενισχυτές ημιαγωγών με κβαντικές κουκίδες.

Ανίχνευση
Οι φωτοανιχνευτές ανιχνεύουν το φως. Οι φωτοανιχνευτές κυμαίνονται από τις πολύ γρήγορες φωτοδιόδους για εφαρμογές επικοινωνίας, έως τις μεσαίας ταχύτητας διατάξεις σύζευξης φορτίου (CCD) για ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές, καθώς και τις πολύ αργές ηλιακές κυψέλες που χρησιμοποιούνται για τη συλλογή ενέργειας από το ηλιακό φως. Υπάρχουν επίσης πολλοί άλλοι φωτοανιχνευτές που βασίζονται σε θερμικά, χημικά, κβαντικά, φωτοηλεκτρικά και άλλα φαινόμενα.

Διαμόρφωση
Η διαμόρφωση φωτεινής πηγής χρησιμοποιείται για την κωδικοποίηση πληροφοριών σχετικά με μια φωτεινή πηγή. Η διαμόρφωση μπορεί να πραγματοποιηθεί απευθείας από την πηγή φωτός. Ένα από τα απλούστερα παραδείγματα είναι η χρήση ενός φακού για την αποστολή κώδικα Μορς. Μια άλλη μέθοδος είναι η λήψη του φωτός από μια πηγή φωτός και η διαμόρφωσή του σε έναν εξωτερικό οπτικό διαμορφωτή.

Ένα άλλο θέμα που καλύπτεται από την έρευνα διαμόρφωσης είναι η μορφή διαμόρφωσης. Η διαμόρφωση "όλα ή τίποτα" είναι η πιο συνηθισμένη μορφή διαμόρφωσης που χρησιμοποιείται στις οπτικές επικοινωνίες. Τα τελευταία χρόνια έχουν διερευνηθεί πιο προηγμένες μορφές διαμόρφωσης, όπως η κλειδοποίηση με μετατόπιση φάσης ή ακόμη και η ορθογώνια πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας, για την αντιμετώπιση φαινομένων όπως η διασπορά, τα οποία υποβαθμίζουν την ποιότητα του μεταδιδόμενου σήματος.

Φωτονικά συστήματα
Η φωτονική περιλαμβάνει επίσης την έρευνα σε φωτονικά συστήματα. Ο όρος αυτός χρησιμοποιείται συχνά για τα οπτικά συστήματα επικοινωνίας. Αυτός ο τομέας έρευνας επικεντρώνεται στην υλοποίηση φωτονικών συστημάτων, όπως τα φωτονικά δίκτυα υψηλής ταχύτητας. Περιλαμβάνει επίσης την έρευνα σε οπτικούς αναγεννητές, οι οποίοι βελτιώνουν την ποιότητα των οπτικών σημάτων.

Φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα

Τα φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα (PIC) είναι οπτικά ενεργές ολοκληρωμένες φωτονικές διατάξεις ημιαγωγών. Η κύρια εμπορική εφαρμογή των PIC είναι οι οπτικοί πομποδέκτες για οπτικά δίκτυα κέντρων δεδομένων. Τα PICs κατασκευάστηκαν σε υποστρώματα πλακιδίων ημιαγωγών φωσφιδίου ινδίου III-V και ήταν τα πρώτα που σημείωσαν εμπορική επιτυχία. Τα PICs που βασίζονται σε υποστρώματα πλακιδίων πυριτίου είναι πλέον μια εμπορικά διαθέσιμη τεχνολογία.

Οι κύριες εφαρµογές της ολοκληρωµένης φωτονικής είναι οι εξής:
Διασυνδέσεις κέντρων δεδομένων: Οι επιχειρήσεις και τα ιδρύματα αποθηκεύουν και επεξεργάζονται όλο και περισσότερες πληροφορίες στο σύννεφο. Καθώς αυξάνονται οι υπολογισμοί στα κέντρα δεδομένων, αυξάνονται και οι απαιτήσεις για τα δίκτυα των κέντρων δεδομένων. Τα οπτικά καλώδια μπορούν να υποστηρίξουν υψηλότερο εύρος ζώνης σε μεγαλύτερες αποστάσεις μετάδοσης από ό,τι τα χάλκινα καλώδια. Για μικρές αποστάσεις και ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων έως και 40 Gbit/s, μπορούν να χρησιμοποιηθούν μη ολοκληρωμένες προσεγγίσεις, όπως λέιζερ κάθετης κοιλότητας, για οπτικούς πομποδέκτες σε δίκτυα οπτικών ινών πολλαπλών τρόπων . Πέραν αυτής της εμβέλειας και του εύρους ζώνης, τα φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα είναι απαραίτητα για να καταστεί δυνατή η χρήση οπτικών πομποδεκτών χαμηλού κόστους και υψηλής απόδοσης.
Εφαρμογές αναλογικών σημάτων RF: Χρησιμοποιώντας την επεξεργασία σήματος ακριβείας GHz των φωτονικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, τα σήματα ραδιοσυχνοτήτων (RF) μπορούν να χειριστούν με υψηλή πιστότητα για να προσθέσουν ή να αφαιρέσουν πολλαπλά ραδιοκανάλια, που κατανέμονται σε ένα πολύ ευρύ φάσμα συχνοτήτων. Επιπροσθέτως, τα φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα μπορούν να αφαιρέσουν το θόρυβο υποβάθρου από ένα σήμα RF με πρωτοφανή ακρίβεια, αυξάνοντας το λόγο σήματος προς θόρυβο και θέτοντας νέα σημεία αναφοράς για την απόδοση χαμηλής ισχύος. Συνολικά, αυτή η επεξεργασία υψηλής ακρίβειας μας επιτρέπει πλέον να ενσωματώνουμε μεγάλες ποσότητες πληροφοριών σε ραδιοεπικοινωνίες πολύ μεγάλων αποστάσεων.
Ανιχνευτές: Τα φωτόνια μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση και τη διαφοροποίηση των οπτικών ιδιοτήτων των υλικών. Μπορούν να εντοπίσουν χημικά ή βιοχημικά αέρια από την ατμοσφαιρική ρύπανση, οργανικά προϊόντα και ρύπους στο νερό. Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση ανωμαλιών στο αίμα, όπως τα χαμηλά επίπεδα γλυκόζης, και τη μέτρηση βιομετρικών παραμέτρων, όπως ο ρυθμός παλμών. Τα φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα σχεδιάζονται ως πλήρεις, πανταχού παρόντες αισθητήρες με γυαλί/πυρίτιο και ενσωματώνονται σε μια ποικιλία κινητών συσκευών μέσω της παραγωγής όγκου[αναφορά που απαιτείται] Οι αισθητήρες σε κινητές πλατφόρμες μας επιτρέπουν να συμμετέχουμε πιο άμεσα σε πρακτικές που προστατεύουν καλύτερα το περιβάλλον, παρακολουθούν τα αποθέματα τροφίμων και μας διατηρούν υγιείς.
LIDAR και άλλες απεικονίσεις φασικής συστοιχίας: LIDAR (Light Imaging, Detection and Ranging) με φως λέιζερ μπορεί να ολοκληρώσει το ραντάρ παρέχοντας απεικόνιση ακριβείας (με πληροφορίες 3D) αποστάσεις. Αυτή η νέα μορφή μηχανικής όρασης έχει άμεσες εφαρμογές σε αυτοκίνητα χωρίς οδηγό, για τη μείωση των συγκρούσεων και στη βιοϊατρική απεικόνιση. Οι φασικές συστοιχίες μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για επικοινωνίες ελεύθερου χώρου και νέες τεχνολογίες απεικόνισης. Οι σημερινές εκδόσεις του LIDAR βασίζονται κυρίως σε κινούμενα μέρη, γεγονός που τα καθιστά ογκώδη, αργά, χαμηλής ανάλυσης, ακριβά και επιρρεπή σε μηχανικούς κραδασμούς και πρόωρη βλάβη. Η ολοκληρωμένη φωτονική καθιστά δυνατή την κατασκευή ενός LIDAR σε μέγεθος γραμματοσήμου, τη σάρωση χωρίς κινούμενα μέρη και την παραγωγή του σε μεγάλες ποσότητες με χαμηλό κόστος.

Βιοφωτονική

Η βιοφωτονική χρησιμοποιεί εργαλεία από τον τομέα της φωτονικής για τη μελέτη της βιολογίας. Η βιοφωτονική επικεντρώνεται κυρίως στη βελτίωση των ιατρικών διαγνωστικών δυνατοτήτων (π.χ. για τον καρκίνο ή τις μολυσματικές ασθένειες) αλλά μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για περιβαλλοντικές ή άλλες εφαρμογές.  Τα κύρια πλεονεκτήματα αυτής της προσέγγισης είναι η ταχύτητα της ανάλυσης, η μη επεμβατική διάγνωση και η δυνατότητα εργασίας εντός του χώρου.

Παραπομπές

 Εξωτερικοί σύνδεσμοι 

iesl.forth.gr
eie.gr
telecom.ece.ntua.gr
physics.uoi.gr
EOS European Optical Society (EOS)

Κατηγορία:Οπτική
Φωτονικη
Φωτονικη