Fotónica
Aplicaciones técnicas de la óptica
Dispersión de luz (fotones) por un prisma

La fotónica es una rama de la óptica que implica la aplicación de la generación , detección y manipulación de la luz en forma de fotones a través de la emisión , transmisión , modulación , procesamiento de señales , conmutación, amplificación y detección . [1] [2] La fotónica está estrechamente relacionada con la electrónica cuántica, donde la electrónica cuántica se ocupa de la parte teórica, mientras que la fotónica se ocupa de sus aplicaciones de ingeniería. [1] Aunque cubre todas las aplicaciones técnicas de la luz en todo el espectro , la mayoría de las aplicaciones fotónicas están en el rango de la luz visible y cercana al infrarrojo . El término fotónica se desarrolló como una 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 del griego "phos", que significa luz (que tiene el caso genitivo "fotos" y en palabras compuestas se utiliza 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 caían dentro del dominio típico de la electrónica, como las telecomunicaciones, el procesamiento de información, etc. [ cita requerida ]

Un ejemplo temprano de la palabra fue en una carta de diciembre de 1954 de John W. Campbell a Gotthard Gunther :

Por cierto, he decidido inventar una nueva ciencia: la fotónica. Tiene la misma relación con la óptica que la electrónica con la ingeniería eléctrica. La fotónica, al igual que la electrónica, se ocupa de las unidades individuales; la óptica y la ingeniería eléctrica se ocupan de los fenómenos grupales. ¡Y observe que con la electrónica se pueden hacer cosas que son imposibles en la ingeniería eléctrica! [3]

La fotónica como campo comenzó con la invención del máser y el láser entre 1958 y 1960. [1] A esto le 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 . Estas invenciones formaron la base de la revolución de las telecomunicaciones de finales del siglo XX y proporcionaron la infraestructura para Internet .

Aunque fue 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. [ cita requerida ] En ese momento, el término se usó ampliamente en Bell Laboratories . [ cita requerida ] 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. [ cita requerida ]

Durante el período que precedió al colapso de las puntocom en 2001, la fotónica era un campo centrado 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 médica, la tecnología de visualización y la computación óptica . Es probable que la fotónica siga creciendo si los desarrollos actuales en fotónica de silicio tienen éxito. [4]

Relación con otros campos

Óptica clásica

La fotónica está estrechamente relacionada con la óptica . La óptica clásica precedió por mucho tiempo al descubrimiento de que la luz está cuantizada, cuando Albert Einstein explicó el famoso efecto fotoeléctrico en 1905. Las herramientas ópticas incluyen la lente refractora , el espejo reflector y varios componentes e instrumentos ópticos desarrollados entre los siglos XV y 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 en 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 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 hace referencia a dispositivos o circuitos que comprenden funciones tanto eléctricas como ópticas, es decir, un dispositivo semiconductor de película delgada. El término electroóptica se empezó a utilizar antes y abarca específicamente interacciones electroópticas no lineales aplicadas, por ejemplo, como moduladores de cristal en masa como la celda de Pockels , pero también incluye sensores de imágenes avanzados.

Un aspecto importante de la definición moderna de la fotónica es que no existe necesariamente un acuerdo generalizado en la percepción de los límites del campo. Siguiendo una fuente en optics.org, [5] la respuesta a una consulta del editor de Journal of Optics: A Pure and Applied Physics al consejo editorial sobre la racionalización del nombre de la revista informó de diferencias significativas en la forma en que los términos "óptica" y "fotónica" describen el área temática, con algunas descripciones que proponen que "la fotónica abarca la óptica". En la práctica, a medida que el campo evoluciona, las evidencias de que "óptica moderna" y fotónica se utilizan a menudo indistintamente están muy difundidas y absorbidas en la jerga científica.

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 marino ( Aphrodita aculeata ), [6] mostrando espinas coloridas, un ejemplo notable de ingeniería fotónica por parte de un organismo vivo.

Las aplicaciones de la fotónica son omnipresentes. Se incluyen todas las áreas, desde la vida cotidiana hasta la ciencia más avanzada, por ejemplo, detección de luz, telecomunicaciones , procesamiento de información , energía fotovoltaica , computación fotónica , iluminación , metrología , espectroscopia , holografía , medicina (cirugía, corrección de la visión, endoscopia, monitoreo de la salud), biofotónica , tecnología militar , procesamiento de materiales láser, diagnósticos artísticos (que involucran reflectografía infrarroja , rayos X , fluorescencia ultravioleta , XRF ), agricultura y robótica .

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

La microfotónica y la nanofotónica generalmente incluyen cristales fotónicos y dispositivos de estado sólido . [8]

Panorama de la investigación en 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 utiliza habitualmente 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, si bien 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 retroiluminación de lámparas fluorescentes de cátodo frío o, más a menudo hoy en día, LED.

Una característica de la investigación sobre fuentes de luz de semiconductores 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 galio y aluminio (AlGaAs) u otros semiconductores compuestos . También se utilizan junto con el silicio para producir láseres híbridos de silicio .

Medios de transmisión

La luz se puede transmitir a través de cualquier medio transparente . Se puede utilizar fibra óptica de vidrio o 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 velocidad de bits y del 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 cristales fotónicos y metamateriales .

Amplificadores

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

Detección

Los fotodetectores detectan la luz. Los fotodetectores varían desde fotodiodos muy rápidos para aplicaciones de comunicaciones, pasando por dispositivos acoplados a carga ( CCD ) de velocidad media para cámaras digitales, hasta células solares muy lentas que se utilizan para recolectar 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 utilizar una linterna para enviar código Morse . Otro método es tomar la luz de una fuente de luz y modularla en un modulador óptico externo . [9]

Otro tema que se aborda en la investigación sobre modulación es el formato de modulación. La modulación on-off ha sido el formato de modulación más utilizado en las comunicaciones ópticas. En los últimos años se han investigado formatos de modulación más avanzados, como la modulación 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 utiliza a menudo para los 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. [ cita requerida ]

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 alcanzar el éxito comercial; [10] Los PIC basados ​​en sustratos de obleas de silicio son ahora también una tecnología comercializada.

Las aplicaciones clave de 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 de la computación en los centros de datos, aumentan en consecuencia las demandas sobre las redes de los centros de datos. 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 Gbit/s, se pueden utilizar enfoques no integrados, como láseres de emisión superficial de cavidad vertical, para transceptores ópticos en redes de fibra óptica multimodo . [11] Más allá de este rango y ancho de banda, los circuitos integrados fotónicos son clave para permitir transceptores ópticos de alto rendimiento y bajo costo.
  • Aplicaciones de señales de RF analógicas: mediante el procesamiento de señales de precisión de 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 la relación señal/ruido y hará posible nuevos puntos de referencia en el rendimiento de bajo consumo. En conjunto, este procesamiento de alta precisión nos permite ahora agrupar grandes cantidades de información en comunicaciones de radio de distancia ultralarga. [ cita requerida ]
  • 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 cardíaca. Se están diseñando circuitos fotónicos integrados como sensores integrales y ubicuos con vidrio/silicio, y se están integrando mediante una producción en gran volumen en varios dispositivos móviles. [ cita requerida ] Los sensores de plataformas móviles nos permiten participar más directamente en prácticas que protegen mejor el medio ambiente, controlan 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 de objetos con formas tridimensionales para reconstruir imágenes 3D, y la detección, medición y determinación de distancias mediante luz (LIDAR) con luz láser puede ofrecer un complemento al radar al proporcionar imágenes de precisión (con información 3D) a distancias cercanas. Esta nueva forma de visión artificial está teniendo una aplicación inmediata en los automóviles sin conductor para reducir las colisiones y en la obtención de imágenes biomédicas. Las matrices en fase también se pueden utilizar para comunicaciones en el espacio libre y nuevas tecnologías de visualización. Las versiones actuales de LIDAR se basan predominantemente 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 dentro de un espacio del tamaño de un sello postal, escanear sin piezas móviles y producirse en gran volumen a bajo costo. [12] [13]

Biofotónica

La biofotónica emplea herramientas del campo de la fotónica para el estudio de la biología . La biofotónica se centra principalmente en mejorar las capacidades de diagnóstico médico (por ejemplo, para el cáncer o las enfermedades infecciosas) [14], pero también se puede utilizar para aplicaciones medioambientales o de otro tipo. [15] [16] Las principales ventajas de este enfoque son la velocidad de análisis, los diagnósticos no invasivos y la capacidad de trabajar in situ .

Véase también

Referencias

  1. ^ abc Chai Yeh (2 de diciembre de 2012). Fotónica aplicada. Elsevier. pp. 1–. ISBN 978-0-08-049926-0.
  2. ^ Richard S. Quimby (14 de abril de 2006). Fotónica y láseres: una introducción. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-79158-4.
  3. ^ Campbell, John W. (1991). "14 de diciembre de 1954". En Chapdelaine, Perry A. (ed.). Las cartas de John W. Campbell con Isaac Asimov y AE van Vogt, volumen II . AC Projects, Inc. ISBN 9780931150197.
  4. ^ Nanoestructuras fotónicas reactivas: materiales ópticos inteligentes a nanoescala, editor: Yadong Yin RSC Cambridge 2013 https://pubs.rsc.org/en/content/ebook/978-1-84973-653-4
  5. ^ Optics.org. "Óptica o fotónica: ¿qué hay detrás de un nombre?". Optics.org.
  6. ^ "El ratón marino promete un futuro brillante". BBC News . 2001-01-03 . Consultado el 2013-05-05 .
  7. ^ Archivado en Ghostarchive y Wayback Machine: - YouTube
  8. ^ Hervé Rigneault; Jean-Michel Lourtioz; Claude Delalande; Ariel Levenson (5 de enero de 2010). Nanofotónica. John Wiley e hijos. págs.5–. ISBN 978-0-470-39459-5.
  9. ^ Al-Tarawni, Musab AM (octubre de 2017). "Mejora del sensor de campo eléctrico integrado basado en una guía de onda de ranura segmentada híbrida". Ingeniería óptica . 56 (10): 107105. Bibcode :2017OptEn..56j7105A. doi :10.1117/1.oe.56.10.107105. S2CID  125975031.
  10. ^ Ivan Kaminow; Tingye Li; Alan E Willner (3 de mayo de 2013). Telecomunicaciones por fibra óptica Volumen VIA: Componentes y subsistemas. Academic Press. ISBN 978-0-12-397235-4.
  11. ^ Chang, Frank (17 de agosto de 2018). Tecnologías de conectividad de centros de datos: principios y práctica. River Publishers. ISBN 978-87-93609-22-8.
  12. ^ Notaros, Jelena (11 de julio de 2022). "Fotónica de silicio para LiDAR, realidad aumentada y más allá". Congreso de imágenes y óptica aplicada 2022 (3D, AOA, COSI, ISA, pcAOP) (2022), artículo CM4A.3 . Optica Publishing Group: CM4A.3. doi :10.1364/COSI.2022.CM4A.3.
  13. ^ Bhargava, P.; Kim, T.; Poulton, CV; Notaros, J.; Yaacobi, A.; Timurdogan, E.; Baiocco, C.; Fahrenkopf, N.; Kruger, S.; Ngai, T.; Timalsina, Y.; vatios, señor; Stojanovic, V. (junio de 2019). "LiDAR coherente totalmente integrado en fotónica de silicio integrada 3D / CMOS de 65 nm". Simposio de 2019 sobre circuitos VLSI : C262 – C263. doi : 10.23919/VLSIC.2019.8778154.
  14. ^ Lorenz, Björn; Wichmann, Cristina; Stöckel, Stephan; Rösch, Petra; Popp, Jürgen (mayo de 2017). "Investigaciones espectroscópicas de bacterias Raman sin cultivo". Tendencias en Microbiología . 25 (5): 413–424. doi :10.1016/j.tim.2017.01.002. ISSN  1878-4380. PMID  28188076.
  15. ^ Wichmann, Christina; Chhallani, Mehul; Bocklitz, Thomas; Rösch, Petra; Popp, Jürgen (5 de noviembre de 2019). "Simulación de transporte y almacenamiento y su influencia en los espectros Raman de bacterias". Química analítica . 91 (21): 13688–13694. doi :10.1021/acs.analchem.9b02932. ISSN  1520-6882. PMID  31592643. S2CID  203924741.
  16. ^ Taubert, Martín; Stöckel, Stephan; Geesink, Patricia; Girnus, Sofía; Jehmlich, Nico; von Bergen, Martín; Rösch, Petra; Popp, Jürgen; Küsel, Kirsten (enero de 2018). "Seguimiento de microbios activos de aguas subterráneas con etiquetado D2 O para comprender la función de su ecosistema". Microbiología Ambiental . 20 (1): 369–384. doi :10.1111/1462-2920.14010. ISSN  1462-2920. PMID  29194923. S2CID  25510308.
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