Фотоника что это: Что такое фотоника? Факультет фотоники и оптоинформатики – Университет ИТМО

Фотоника. Современная и особенности. Работа и применение

Фотоника – это физическое учение о генерации света (фотонов), его обнаружении, преобразовании, эмиссии, передаче, модуляции, обработке сигналов, переключении, усилении и индикации. Большинство применений задействовано в области видимого и инфракрасного излучения, хотя сфера применения распространяется на всю область спектра.

Перспективной областью исследований является кремниевая фотоника, и дальнейшее развитие отрасли связано с ростом успехов этого направления.

История

Фотоника выделилась с созданием в 1960 году лазера. За этим изобретением последовали: лазерный диод в 1970-х годах, оптоволокно для передачи данных, и оптический усилитель на волокне, легированном эрбием. Эти изобретения создали основу для телекоммуникационной революции в конце 20-го века и обеспечили создание инфраструктуры Интернета.

Широкое распространение термин получил в 1980-х годах, когда операторы телекоммуникационных сетей освоили передачу данных по оптоволокну, способствовала его распространению фирма Bell Laboratories. Использование слова закрепилось, когда Общество лазеров и электронной оптики Института инженеров электротехники и электроники учредило в конце 1980-х годов журнал Photonics Technology Letters.

В течение периода, приведшего к краху доткомов (интернет-компаний) около 2001 года, к сфере фотоники относились в основном оптические сети связи. К настоящему времени она объемлет огромное количество научных и технологических приложений, включая производство лазеров, биологическое и химическое зондирование, медицинскую диагностику и терапию, технику отображения информации и оптические вычисления.

Фотоника, связь с прочими областями

Классическая оптика

Здесь связь очень тесная. Классическая оптика предшествовала открытию, что свет дискретен, что стало совершенно ясно, когда Альберт Эйнштейн триумфально обосновал в 1905 году природу фотоэлектрического эффекта. К оптическим инструментам относятся преломляющие линзы, отражающие зеркала, и многочисленные оптические компоненты, и инструменты, разработанные с 15-го по 19-й века. Выявленные в 17 веке основополагающие принципы классической оптики, наподобие принципа Гюйгенса, и выписанные в 19 веке уравнения Максвелла, и волновые уравнения, не основываются на квантовых свойствах света.

Современная оптика

Эта область науки связана с оптомеханикой, электрооптикой, оптоэлектроникой и квантовой электроникой. Однако, каждой области свойственны свои особенности, свои научные сообщества и место на рынке.

К квантовой оптике обычно относят проведение фундаментальных исследований, а фотоника это прикладные исследования и разработки:

• Изучение свойств частиц света.
• Создание устройств обработки сигнала с использованием фотонов.
• Практические приложения оптики.
• Создание устройств, аналогичных электронным.

Термин «оптоэлектроника» приложим к устройствам или схемам, которым одновременно свойственны электрические и оптические функции, т.е. к тонкопленочным полупроводниковым устройствам. Ранее использовался термин «электрооптика», и к электрооптике относились нелинейные устройства с электрооптическими взаимодействиями, как, например, модуляторы на объемных кристаллах (ячейки Поккельса), а также перспективные датчики изображения, обычно используемые гражданскими или правительственными организациями для наблюдения.

Вновь возникающие области

Фотоника тесно связана с возникающими квантовой информатикой и квантовой оптикой, в той части, где они используют общие методы. Прочие вновь возникающие направления включают оптомеханику, занимающуюся изучением влияния на свет механических вибраций мезоскопических или макроскопических объектов, и создание устройств, объединяющих фотонные и атомные приборы для служб хранения времени, навигации и метрологии. Отличие поляритоники заключается в том, что фундаментальными носителями информации являются поляритоны (смеси фотонов и фононов), работающие в диапазоне частот от 300 Ггц до примерно 10 ТГц.

Обзор исследований

Фотоника занимается исследованиями эмиссии, передачи, усиления, обнаружения и модуляции света.

Источники света

Источники света в фотонике обычно устроены конструктивно посложнее ламп накаливания. Используются светодиоды, суперлюминесцентные диоды и лазеры, а также однофотонные источники, люминесцентные лампы, электронно-лучевые трубки и плазменные экраны. При этом электронно-лучевые трубки, плазменные экраны и органические светодиодные дисплеи генерируют свой собственный свет, в то время как ЖК-дисплеи (подобные TTF-экранам), требуют фоновой подсветки от флуоресцентных ламп с холодным катодом или, гораздо чаще, светодиодов.

Для полупроводниковых источников света характерно то, что взамен классических полупроводников (кремния и германия) чаще используются интерметаллиды. Примерами используемых систем материалов являются арсенид галлия (GaAs) и арсенид галлия и алюминия (AlGaAs), либо иные составные полупроводники. Эти материалы также используются в соединении с кремнием для изготовления гибридных кремниевых лазеров.

Среда передачи данных

Свет может проходить через любую прозрачную среду. Для направления света по нужному пути можно использовать стекловолокно или пластиковое оптоволокно. В системах оптической связи оптоволокно позволяет передавать данные на расстояния свыше 100 км без усиления, в зависимости от скорости цифрового потока и вида применяемой для передачи модуляции. Очень перспективным направлением исследования является разработка и производство специальных структур и материалов с заданными оптическими свойствами — фотонных кристаллов, фотонно-кристаллического оптоволокна и метаматериалов.

Усилители

Для усиления оптических сигналов используются оптические усилители. В оптических линиях связи используются легированные эрбием оптоволоконные усилители, полупроводниковые оптические усилители, усилители на эффекте Рамана и оптические параметрические усилители. Очень перспективной областью является исследование квантовых точечных полупроводниковых оптических усилителей.

Обнаружение (детектирование)

Фотодетекторы предназначены для обнаружения света, к ним относятся устройства разной степени быстродействия: быстродействующие фотодиоды, среднескоростные приборы с зарядовой связью, инертные солнечные элементы, применяемые для преобразования световой энергии Солнца в электрическую. Существует также и множество фотодетекторов, основанных на термических, химических, квантовых, фотоэлектрических и прочих эффектах.

Модуляция

Модуляция источников света используется для кодирования информации, передаваемой источниками света. Одним из самых простых примеров прямой модуляции источника света является включение и выключение фонарика для передачи сообщения кодом Морзе. Возможно и управление источником света посредством внешнего оптического модулятора.

Дополнительной областью исследований является вид модуляции. В оптической коммуникации обычно применяемым видом модуляции является переключение по типу «включено-выключено». В последние годы разработаны более совершенные виды модуляции наподобие фазового сдвига или ортогонального уплотнения каналов с частотным разделением для нейтрализации ухудшающих качество передачи сигнала эффектов наподобие дисперсии.

Фотонные системы

Наука занимается также исследованиями фотонных приборов для применения в системах оптической связи. Данная область исследований фокусируется на внедрении фотонных устройств, подобных высокоскоростным фотонным сетям, и объемлет исследования оптических регенераторов, улучшающих качество оптических сигналов.

Фотонные интегральные схемы

К областям микрофотоники и нанофотоники обычно относятся устройства на фотонных кристаллах и твердотельные устройства.

Фотонные интегральные схемы – это оптические активные интегральные полупроводниковые фотонные приборы, состоящие по меньшей мере из двух различных функциональных блоков (области усиления и лазерных зеркал на основе решетки). Эти устройства с улучшенными характеристиками ответственны за коммерческий успех оптической связи и возможность увеличения доступной ширины полосы без существенного увеличения стоимости связи для конечного потребителя. Наиболее часто применяются фотонные интегральные схемы на основе фосфида индия.

Применения

Фотоника стала вездесущей и проникла во все области повседневной жизни. Совершенно так же, как изобретение в 1948 году транзистора существенно расширило приложения электроники, продолжают развиваться уникальные приложения отрасли, которые фактически безграничны.

К экономически важным приложениям полупроводниковых фотонных приборов относятся:

• Запись и обработка оптических данных.
• Отображение информации.
• Оптическая накачка мощных лазеров.
• Телекоммуникации: связь посредством оптоволокна, оптические конверторы с понижением частоты.
• Вычисления посредством фотонных компьютеров: распределение синхросигналов и коммуникация между компьютерами, печатными платами, или в пределах оптоэлектронных интегральных схем.
• Бытовая аппаратура.
• Освещение.
• Основанная на ксерографии лазерная печать.
• Сканеры штрих-кодов, принтеры.
• CD/DVD/Blu-Ray устройства.
• Устройства дистанционного управления.
• Медицина: мониторинг здоровья, диагностика, коррекция слабого зрения, лазерная хирургия, хирургическая эндоскопия, удаление татуировки.
• Промышленность: использование лазера для сварки, сверления отверстий, резки и обработки поверхностей различными методами.
• Робототехника.
• Сельское хозяйство.
• Химический синтез.
• Термоядерная энергетика.
• Строительство: лазерное нивелирование, лазерные дальномеры, интеллектуальные конструкции.
• Авиация: фотонные гироскопы без подвижных деталей.
• Военная техника: системы лазерной обороны, ИК-датчики, управление, навигация, поисково-спасательные операции.
• Метрология: измерение времени, частоты и расстояний.
• спектроскопия.
• Залегание и обнаружение пластов в шахтах.
• Индустрия развлечений: лазерные шоу, голографическое искусство.
• В будущем: квантовые вычисления.

Похожие темы:

Что такое фотоника: часть 1

Что такое фотоника? Как минимум, очень перспективная область исследований, за которой будущее. Чем же оно так перспективно и почему в скором времени утрёт нос привычной электронике? Попытаемся наглядно объяснить в иллюстрационной серии, посвященной жёлтому парню — фотону.

Как научная дисциплина, фотоника занимается фундаментальными и прикладными аспектами работы с оптическими сигналами, а также созданием устройств на их базе. Временем ее зарождения можно считать 1960 год, когда американский физик Теодор Харальд Майман создал первый рабочий лазер.

Фотон — это самая элементарная частица, способная переносить электромагнитное взаимодействие. В отличие от отрицательно заряженного электрона, эта частица не обладает собственным зарядом — она только переносит излучение. Сам термин «фотон» ввел в употребление американский физиохимик Гилберт Льюис в 1926 году.

Волны фотонов могут быть и не просто светом. Они переносят самые разные виды излучений, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни: ультрафиолетовое, рентгеновское, терагерцовое, инфракрасное, гамма и другие.

В Университете ИТМО исследованиями в области фотоники занимается одноименный мегафакультет. В его состав входят факультеты фотоники и оптоинформатики, прикладной оптики, лазерной фотоники и оптоэлектроники и физико-технический факультет

Технология Li-Fi обозначает класс беспроводных технологий передачи данных с использованием светодиодов. С ними можно достичь высокоскоростной двусторонней связи с возможностью объединения отдельных точек доступа в единую сеть. Больше о технологии можно прочитать в этом материале ITMO.NEWS. Квантовый компьютер — это вычислительное устройство, которое работает по принципам квантовой механики. Больше информации — здесь.

Перейти к содержанию

Что такое фотоника: часть 2

Продолжаем разбираться, что такого классного в фотонике и почему тысячи ученых по всему миру обращаются к этой области. 

В первом выпуске мы разобрались, что фотон – это самая элементарная частица, способная переносить электромагнитное взаимодействие. Волны фотонов – это и есть свет. На их основе сейчас ведутся работы по разработке роутеров Li-Fi (более быстрый аналог Wi-Fi), а также квантовых компьютеров. Но с последними все не так просто.

«Квантовые компьютеры почти как футбол в России: все про них что-то знают и могут

о них рассуждать. Но каких-то глубоких знаний не хватает. Во-первых, потому что тема сложная, а во-вторых, потому что скорость добавления новых знаний очень велика. Поэтому очень важно очертить современный ландшафт и понять, на какой стадии сейчас находятся исследования в области квантовых вычислений», — говорит Иван Иорш, научный сотрудник физико-технического факультета, руководитель Международной научной лаборатории фотопроцессов в мезоскопических системах Университета ИТМО.

Так о системах, подобных NISQ, говорил ученый Александр Кириенко, участник программы ITMO Fellowship.

«На сегодняшний день квантовый компьютер — это очень узконаправленное устройство, которое может быстро решать какие-то задачи.

Например, можно понять, какие процессы происходят в молекулах, которые мы не можем исследовать на сегодняшний день. Есть процесс Габера — Боша, благодаря которому мы можем произвести азот при температуре 2000 градусов Цельсия. Азот, как известно, является удобрением. Но в то же время есть биологический процесс, который позволяет делать это при обычной температуре и в нормальных условиях. Мы до сих пор не научились его использовать, потому что молекулы, которые в этом участвуют, чересчур сложны, и мы не знаем, какие реакции там происходят. Если мы возьмем квантовый компьютер и применим даже существующие алгоритмы, мы сможем найти основное возбужденное состояние квантовой системы, предсказать скорость реакции и предложить новые катализаторы. Таким образом, мы, например, смогли бы сократить использование природного газа на величину от 2 до 5%. На самом деле это гигантские суммы денег, которые можно было бы сэкономить».

Дополнительно о разработке квантовых компьютеров можно прочитать здесь, здесь и здесь.

Перейти к содержанию

Что такое фотоника: часть 3

Продолжаем разбираться, что такого классного в фотонике и почему тысячи ученых по всему миру обращаются к этой области. В третьем выпуске животрепещущая история про злоумышленника Еву, фотона и квантовую криптографию. 

Об Антоне Козубове мы писали уже не раз. Год назад он выступал на встрече стендап-клуба Квантовый потанцевал, а совсем недавно ездил на QKD Security Workshop  — семинар, который объединяет лучших ученых в области доказательств секретности квантового распределения ключей. Вот тут подробнее о поездке Антона и его работе.

Квантовым компьютерам — их принципам работы и возможному году появления —  мы посвятили второй выпуск серии «Что такое фотоника?». Ученые по-разному смотрят на то, когда подобная продвинутая техника войдет в широкое пользование. Антон Козубов считает, что ждать осталось недолго.

Ева — это теоретический соперник, который обладает настолько мощной техникой, насколько это возможно. Согласно традиционному подходу к криптографии с ней уже нельзя соперничать.

В основе квантового шифрования лежат законы физики, согласно которым состояние фотона нельзя прочесть дважды: уже после первого воздействия на фотон его состояние изменится, и повторная попытка даст другой результат, что позволит моментально определить любую попытку вмешательства в канал связи. Таким образом, информация, которая передается в виде однофотонных лазерных импульсов даже по существующим оптоволоконным каналам связи, защищена от прослушивания, а взлом системы, по сути, противоречит законам физики.

«Раньше по разным, скорее маркетинговым причинам люди говорили, что квантовое распределение ключей позволяет обеспечить абсолютную стойкость зашифрованной с помощью этих ключей информации. Но нужно понимать, что это неправда, даже более того, это не является задачей квантового распределения ключей. Его задача заключается в том, что со временем стойкость вырабатываемых системой ключей не будет меняться, в отличие от той криптографии, которая у нас есть на сегодняшний день. Там стойкость ключа падает, иногда даже экспоненциально, со временем, а у нас она остается неизменной», — рассказывает Антон Козубов.

 

«Прямое применение сервисов по генерации квантовых ключей — это любые финансовые структуры и государственные департаменты. Кроме Австрии и Швейцарии, квантовое шифрование уже также применяется в Китае. В ближайшие два года эта технология может появиться повсюду», — продолжает Антон.

 

Хранение персональной информации — это одна одна из главных задач и сложностей современных сервисов. Квантовое шифрование поможет минимализоровать количество случаев, когда важные данные попадают к злоумышленникам либо по их собственной инициативе, либо вследствии ошибок разработчиков.

Перейти к содержанию

Биофотоника — Biophotonics — qaz.wiki

О спонтанном низкоуровневом излучении фотонов из живых тканей см. Биофотон .

Термин биофотоника обозначает комбинацию биологии и фотоники , причем фотоника — это наука и технология генерации, манипулирования и обнаружения фотонов , квантовых единиц света . Фотоника связана с электроникой и фотонами . Фотоны играют центральную роль в информационных технологиях, таких как волоконная оптика, точно так же , как электроны в электронике.

Биофотонику можно также описать как «развитие и применение оптических методов, в частности визуализации, для изучения биологических молекул, клеток и тканей». Одним из основных преимуществ использования оптических методов, составляющих биофотонику, является то, что они сохраняют целостность исследуемых биологических клеток.

Таким образом, биофотоника стала общепризнанным общим термином для всех методов, связанных с взаимодействием биологических объектов и фотонов. Это относится к излучению, обнаружению, поглощению, отражению, модификации и созданию излучения от биомолекул, клеток, тканей, организмов и биоматериалов. Области применения: биологические науки , медицина , сельское хозяйство и экология . Подобно различию между « электрическими » и « электронными », можно провести различие между такими приложениями, как терапия и хирургия , в которых свет используется в основном для передачи энергии, и такими приложениями, как диагностика , в которых свет используется для возбуждения материи и передачи информации. обратно к оператору. В большинстве случаев термин биофотоника относится к последнему типу применения.

Приложения

Биофотоника — это междисциплинарная область, включающая взаимодействие между электромагнитным излучением и биологическими материалами, включая ткани, клетки, субклеточные структуры и молекулы в живых организмах.

Недавние исследования в области биофотоники открыли новые возможности для клинической диагностики и лечения с использованием жидкостей, клеток и тканей. Эти достижения предоставляют ученым и врачам возможности для более совершенной неинвазивной диагностики сосудов и кровотока, а также инструменты для более качественного исследования кожных повреждений. В дополнение к новым диагностическим инструментам достижения в области биофотонических исследований предоставили новые методы фототермической, фотодинамической и тканевой терапии.

Рамановская диагностика и диагностика на основе FT-IR

Пример использования комбинационного рассеяния света для идентификации бактерий

Рамановская спектроскопия и ИК-Фурье спектроскопия могут применяться по-разному для улучшения диагностики. Например:

1. Выявление бактериальных и грибковых инфекций
2. Оценка опухоли тканей : кожи , печени , костей , мочевого пузыря и т. Д.
3. Определение устойчивости к антибиотикам

Другие приложения

Дерматология

Наблюдая за многочисленными и сложными взаимодействиями между светом и биологическими материалами, область биофотоники представляет уникальный набор диагностических методов, которые могут использовать практикующие врачи. Биофотонная визуализация обеспечивает дерматологию единственным неинвазивным методом диагностики рака кожи. Традиционные диагностические процедуры для рака кожи включают визуальную оценку и биопсию, но новый метод лазерно-индуцированной флуоресцентной спектроскопии позволяет дерматологам сравнивать спектрографы кожи пациента со спектрографами, которые, как известно, соответствуют злокачественной ткани. Это предоставляет врачам более ранний диагноз и варианты лечения.

«Среди оптических методов развивающаяся технология визуализации, основанная на лазерном сканировании, оптическая когерентная томография или ОКТ-визуализация, считается полезным инструментом для дифференциации здоровой ткани кожи от злокачественной». Информация сразу доступна и устраняет необходимость в иссечении кожи. Это также устраняет необходимость обработки образцов кожи в лаборатории, что снижает трудозатраты и время обработки.

Кроме того, эти технологии оптической визуализации могут использоваться во время традиционных хирургических процедур для определения границ поражений, чтобы гарантировать полное удаление пораженной ткани. Это достигается путем воздействия на наночастицы , окрашенные флуоресцентным веществом, приемлемыми фотонами света. Наночастицы, функционализированные флуоресцентными красителями и белками-маркерами, будут собираться в выбранном типе ткани. Когда частицы подвергаются воздействию света с длиной волны, соответствующей флуоресцентному красителю, нездоровая ткань начинает светиться. Это позволяет лечащему хирургу быстро визуально определять границы между здоровой и нездоровой тканью, что сокращает время нахождения на операционном столе и более быстрое восстановление пациента. «Используя диэлектрофоретические микроматрицы, наночастицы и биомаркеры ДНК были быстро изолированы и сконцентрированы в определенных микроскопических местах, где они были легко обнаружены эпифлуоресцентной микроскопией».

Оптический пинцет

Оптические пинцеты (или ловушки) — это научные инструменты, которые используются для перемещения микроскопических частиц, таких как атомы, ДНК, бактерии, вирусы и другие типы наночастиц. Они используют импульс света для приложения малых сил к образцу. Этот метод позволяет организовывать и сортировать клетки, отслеживать перемещение бактерий и изменять структуру клеток.

Лазерный микро-скальпель

Лазерные микроскальпели представляют собой комбинацию флуоресцентной микроскопии и фемтосекундного лазера, «способного проникать в ткань на глубину до 250 микрометров и воздействовать на отдельные клетки в трехмерном пространстве». Технология, запатентованная исследователями из Техасского университета в Остине, означает, что хирурги могут вырезать больные или поврежденные клетки, не нарушая и не повреждая здоровые окружающие клетки, в деликатных операциях, затрагивающих такие области, как глаза и голосовые связки.

Фотоакустическая микроскопия (ФАМ)

Фотоакустическая микроскопия (PAM) — это технология визуализации, в которой используются как лазерные, так и ультразвуковые технологии. Этот двойной метод визуализации намного превосходит предыдущие технологии визуализации при визуализации глубоких тканей и сосудов. Улучшение разрешения обеспечивает более качественные изображения глубоких тканей и сосудистых систем, позволяя неинвазивным способом дифференцировать раковые ткани от здоровых тканей, наблюдая такие параметры, как «содержание воды, уровень насыщения кислородом и концентрация гемоглобина». Исследователи также смогли использовать PAM для диагностики эндометриоза у крыс.

Показывает глубину проникновения света через кожу человека.

Лазерная терапия низкого уровня (НИЛТ)

Хотя эффективность низкоуровневой лазерной терапии (НИЛИ) несколько противоречива, эту технологию можно использовать для лечения ран путем восстановления тканей и предотвращения их гибели. Однако более поздние исследования показывают, что НИЛИ более полезны для уменьшения воспаления и снятия хронической боли в суставах. Кроме того, считается, что НИЛИ может оказаться полезной при лечении тяжелых травм или травм головного мозга, инсульта и дегенеративных неврологических заболеваний.

Фотодинамическая терапия (ФТ)

Фотодинамическая терапия (ФТ) использует фотосинтезирующие химические вещества и кислород, чтобы вызвать клеточную реакцию на свет. Его можно использовать для уничтожения раковых клеток, лечения акне и уменьшения рубцов. PT также может убивать бактерии, вирусы и грибки. Эта технология обеспечивает лечение практически без долгосрочных побочных эффектов, менее инвазивна, чем операция, и может повторяться чаще, чем облучение. Однако лечение ограничивается поверхностями и органами, которые могут подвергаться воздействию света, что исключает лечение рака глубоких тканей.

Наночастицы, введенные в опухоль для фототермической терапии

Фототермическая терапия

В фототермической терапии чаще всего используются наночастицы из благородного металла для преобразования света в тепло. Наночастицы созданы для поглощения света в диапазоне 700–1000 нм, где человеческое тело оптически прозрачно . Когда на частицы попадает свет, они нагреваются, разрушая или разрушая окружающие клетки посредством гипертермии. Поскольку используемый свет не взаимодействует с тканями напрямую, фототермическая терапия имеет мало долгосрочных побочных эффектов и может использоваться для лечения рака глубоко внутри тела.

FRET

Флуоресцентный резонансный перенос энергии, также известный как резонансный перенос энергии Фёрстера (FRET в обоих случаях), — это термин, обозначающий процесс, при котором два возбужденных «флуорофора» передают энергию друг другу без излучения (то есть без обмена фотоном). Благодаря тщательному выбору возбуждения этих флурофоров и регистрации излучения FRET стал одним из наиболее широко используемых методов в области биофотоники, что дает ученым возможность исследовать субклеточные среды.

Биофлуоресценция

Биофлуоресценция описывает поглощение ультрафиолетового или видимого света и последующее испускание фотонов на более низком энергетическом уровне (возбужденное состояние S_1 релаксирует до основного состояния S_0) собственно флуоресцентными белками или синтетическими флуоресцентными молекулами, ковалентно прикрепленными к интересующему биомаркеру. Биомаркеры представляют собой молекулы, указывающие на заболевание или дистресс, и обычно они контролируются системно в живом организме или с использованием образца ткани ex vivo для микроскопии или in vitro : в крови, моче, поте, слюне, интерстициальной жидкости, водянистой влаге и т. Д. или мокрота. Стимулирующий свет возбуждает электрон, повышая энергию до нестабильного уровня. Эта нестабильность неблагоприятна, поэтому электрон под напряжением возвращается в стабильное состояние почти сразу же, как и становится нестабильным. Временная задержка между возбуждением и повторным излучением, которая возникает при возвращении в стабильное основное состояние, приводит к тому, что повторно излучаемый фотон приобретает другой цвет (т.е. он релаксирует до более низкой энергии, и, таким образом, излучаемый фотон имеет более короткую длину волны, в соответствии с соотношением Планка-Эйнштейна ), чем поглощенный возбуждающий свет. Этот возврат к стабильности соответствует высвобождению избыточной энергии в виде флуоресцентного света. Это излучение света наблюдается только тогда, когда возбуждающий свет все еще передает фотоны флуоресцентной молекуле и обычно возбуждается синим или зеленым светом и излучает фиолетовый, желтый, оранжевый, зеленый, голубой или красный цвет. Биофлуоресценцию часто путают со следующими формами биотического света: биолюминесценцией и биофосфоресценцией. E знак равно час c λ {\ displaystyle E = {\ frac {hc} {\ lambda}}}

Биолюминесценция

Биолюминесценция отличается от биофлуоресценции тем, что это естественное производство света в результате химических реакций внутри организма, тогда как биофлуоресценция и биофосфоресценция представляют собой поглощение и переизлучение света из окружающей среды.

Биофосфоресценция

Биофосфоресценция аналогична биофлуоресценции в том, что она требует света определенной длины волны в качестве источника энергии возбуждения. Разница здесь заключается в относительной стабильности электрона под напряжением. В отличие от биофлуоресценции, здесь электрон сохраняет стабильность в запрещенном триплетном состоянии (неспаренные спины) с более длительной задержкой излучения света, в результате чего он продолжает «светиться в темноте» даже спустя долгое время после воздействия источника стимулирующего света. был удален.

Биолазинг

Биолазер — это когда лазерный свет генерируется живой клеткой или изнутри нее. Визуализация в биофотонике часто зависит от лазерного света, и интеграция с биологическими системами рассматривается как многообещающий путь к совершенствованию методов зондирования и визуализации. Биолазеры, как и любая лазерная система, требуют трехкомпонентной среды усиления, структуры оптической обратной связи и источника накачки. В качестве усиливающей среды в различных лазерных структурах можно использовать множество естественных флуоресцентных белков. Заключение структуры с оптической обратной связью в ячейку было продемонстрировано с использованием вакуолей ячейки, а также с использованием полностью закрытых лазерных систем, таких как полимерные микросферы, легированные красителем, или лазеры на полупроводниковых нанодисках.

Источники света

Преимущественно используемые источники света — это лучи . Светодиоды и суперлюминесцентные диоды также играют важную роль. Типичные длины волн, используемые в биофотонике, составляют от 600 нм (видимый) до 3000 нм (ближний ИК ).

Лазеры

Лазеры играют все более важную роль в биофотонике. Их уникальные внутренние свойства, такие как точный выбор длины волны, широчайший диапазон длин волн, высочайшая фокусируемость и, следовательно, лучшее спектральное разрешение, высокая плотность мощности и широкий спектр периодов возбуждения, делают их наиболее универсальным световым инструментом для широкого спектра применений. Как следствие, сегодня на рынке можно найти множество различных лазерных технологий от большого числа поставщиков.

Газовые лазеры

Основные газовые лазеры, используемые для биофотоники, и их наиболее важные длины волн:

— Ионный аргоновый лазер : 457,8 нм, 476,5 нм, 488,0 нм, 496,5 нм, 501,7 нм, 514,5 нм (возможна работа в несколько линий)

— Криптон-ионный лазер : 350,7 нм, 356,4 нм, 476,2 нм, 482,5 нм, 520,6 нм, 530,9 нм, 568,2 нм, 647,1 нм, 676,4 нм, 752,5 нм, 799,3 нм

— Гелий-неоновый лазер : 632,8 нм (543,5 нм, 594,1 нм, 611,9 нм)

— HeCd-лазеры : 325 нм, 442 нм

Другие коммерческие газовые лазеры, такие как лазеры на диоксиде углерода (CO2), монооксиде углерода, азоте, кислороде, ксенон-ионах, эксимерных лазерах или лазерах на парах металлов, не имеют или имеют очень незначительное значение в биофотонике. Основным преимуществом газовых лазеров в биофотонике является их фиксированная длина волны, отличное качество луча и низкая ширина линии / высокая когерентность. Лазеры на ионах аргона также могут работать в многолинейном режиме. Основным недостатком является высокое энергопотребление, возникновение механического шума из-за охлаждения вентилятора и ограниченная мощность лазера. Основными поставщиками являются Coherent, CVI / Melles Griot, JDSU, Lasos, LTB и Newport / Spectra Physics.

Диодные лазеры

Наиболее часто интегрированные лазерные диоды , которые используются для диодных лазеров в биофотонике, основаны на полупроводниковом материале GaN или GaAs. GaN покрывает спектр длин волн от 375 до 488 нм (недавно были объявлены коммерческие продукты на 515 нм), тогда как GaAs покрывает спектр длин волн, начиная с 635 нм.

Наиболее часто используемые длины волн диодных лазеров в биофотонике: 375, 405, 445, 473, 488, 515, 640, 643, 660, 675, 785 нм.

Лазерные диоды доступны в 4 классах:

— Односторонний излучатель / широкая полоса / широкая область

— Поверхностный излучатель / VCSEL

— Краевой излучатель / гребневидный волновод

— Решетка стабилизированная (FDB, DBR, ECDL)

Для биофотонных приложений чаще всего используются лазерные диоды с краевым излучением / ребристыми волноводными диодами, которые работают с одной поперечной модой и могут быть оптимизированы для получения почти идеального качества луча TEM00. Из-за небольшого размера резонатора цифровая модуляция может быть очень быстрой (до 500 МГц). Длина когерентности мала (обычно <1 мм), а типичная ширина линии находится в диапазоне нм. Типичные уровни мощности составляют около 100 мВт (в зависимости от длины волны и поставщика). Ключевые поставщики: Coherent , Melles Griot, Omicron, Toptica , JDSU, Newport , Oxxius, Power Technology. Диодные лазеры со стабилизированной решеткой имеют либо встроенную литографическую решетку (DFB, DBR), либо внешнюю решетку (ECDL). В результате длина когерентности возрастет до нескольких метров, а ширина линии упадет значительно ниже пикометров (пм). Биофотонные приложения, в которых используются эти характеристики, включают рамановскую спектроскопию (требуется ширина линии ниже см-1) и спектроскопическое зондирование газа.

Твердотельные лазеры

Твердотельные лазеры — это лазеры на основе твердотельных усиливающих сред, таких как кристаллы или стекла, легированные ионами редкоземельных или переходных металлов, или полупроводниковые лазеры. (Хотя полупроводниковые лазеры, конечно, также являются твердотельными устройствами, они часто не включаются в термин твердотельные лазеры.) Ионно-легированные твердотельные лазеры (также иногда называемые лазерами на легированных изоляторах) могут быть выполнены в виде объемных лазеры, волоконные лазеры или другие типы волноводных лазеров. Твердотельные лазеры могут генерировать выходную мощность от нескольких милливатт до (в версиях с высокой мощностью) многих киловатт.

Ультрахромные лазеры

Многие передовые приложения в биофотонике требуют индивидуально выбираемого света с несколькими длинами волн. Как следствие, был представлен ряд новых лазерных технологий, которые в настоящее время требуют точных формулировок.

Наиболее часто используемая терминология — это суперконтинуумные лазеры, которые одновременно излучают видимый свет в широком спектре. Затем этот свет фильтруется, например, с помощью акустооптических модуляторов (AOM, AOTF) на 1 или до 8 различных длин волн. Типичными поставщиками этой технологии были NKT Photonics или Fianium. Недавно компания NKT Photonics купила Fianium, оставаясь основным поставщиком технологии суперконтинуума на рынке.

В другом подходе (Toptica / iChrome) суперконтинуум генерируется в инфракрасном диапазоне, а затем преобразуется на одной выбираемой длине волны в видимый режим. Этот подход не требует использования AOTF и имеет бесфоновую спектральную чистоту.

Поскольку обе концепции имеют большое значение для биофотоники, часто используется общий термин «ультрахромные лазеры».

Искаженные источники

Источники с разверткой предназначены для непрерывного изменения («развертки») частоты излучаемого света во времени. Обычно они непрерывно проходят через заранее определенный диапазон частот (например, 800 +/- 50 нм). Продемонстрированы свечные источники в терагерцовом режиме. Типичное применение развернутых источников в биофотонике — визуализация оптической когерентной томографии (ОКТ) .

Источники ТГц

Колебательная спектроскопия в терагерцовом (ТГц) диапазоне частот, 0,1–10 ТГц, является быстро развивающимся методом для снятия отпечатков пальцев биологических молекул и видов. На протяжении более 20 лет теоретические исследования предсказывали множественные резонансы в спектрах поглощения (или пропускания) биологических молекул в этом диапазоне. ТГц излучение взаимодействует с низкочастотными внутренними колебаниями молекул, возбуждая эти колебания.

Источники одиночных фотонов

Источники одиночных фотонов — это новые типы источников света, отличные от источников когерентного света (лазеров) и тепловых источников света (например, ламп накаливания и ртутных ламп), которые излучают свет в виде отдельных частиц или фотонов.

Рекомендации

Кремниевая фотоника — Silicon photonics

фотонные системы, использующие кремний в качестве оптической среды

Кремниевая фотоника — это исследование и применение фотонных систем, в которых кремний используется в качестве оптической среды . Силикон обычно разбивается на микрофотонные компоненты с точностью до микрометра . Они работают в инфракрасном диапазоне , чаще всего на длине волны 1,55 микрометра, используемой в большинстве оптоволоконных телекоммуникационных систем. Кремний обычно лежит поверх слоя кремнезема, который (по аналогии с аналогичной конструкцией в микроэлектронике ) известен как кремний на изоляторе (КНИ).

Кремниевая фотоника, пластина 300 мм

Кремниевые фотонные устройства могут быть изготовлены с использованием существующих технологий изготовления полупроводников , а поскольку кремний уже используется в качестве подложки для большинства интегральных схем , можно создавать гибридные устройства, в которых оптические и электронные компоненты интегрированы в один микрочип. Следовательно, кремниевая фотоника активно исследуется многими производителями электроники, включая IBM и Intel , а также академическими исследовательскими группами в качестве средства соблюдения закона Мура за счет использования оптических межсоединений для обеспечения более быстрой передачи данных как между микрочипами, так и внутри них. .

Распространение света через кремниевых приборов регулируется в диапазоне нелинейных оптических явлений , в том числе эффекта Керра , в эффект комбинационного рассеяния , двухфотонного поглощения и взаимодействия между фотонами и свободных носителей заряда . Наличие нелинейности имеет фундаментальное значение, так как оно позволяет свету взаимодействовать со светом, что позволяет использовать такие приложения, как преобразование длины волны и полностью оптическая маршрутизация сигнала, в дополнение к пассивной передаче света.

Кремниевые волноводы также представляют большой академический интерес благодаря своим уникальным направляющим свойствам, их можно использовать для связи, межсоединений, биосенсоров, и они предлагают возможность поддерживать экзотические нелинейные оптические явления, такие как распространение солитонов .

Приложения

Оптическая связь

В типичном оптическом канале данные сначала передаются из электрической в ​​оптическую область с помощью электрооптического модулятора или лазера с прямой модуляцией. Электрооптический модулятор может изменять интенсивность и / или фазу оптического носителя. В кремниевой фотонике распространенным методом достижения модуляции является изменение плотности свободных носителей заряда. Вариации плотности электронов и дырок изменяют действительную и мнимую части показателя преломления кремния, как описано эмпирическими уравнениями Сорефа и Беннета. Модуляторы могут состоять как из смещенных в прямом направлении PIN-диодов , которые обычно генерируют большие фазовые сдвиги, но страдают от более низких скоростей, так и из PN-переходов с обратным смещением . Продемонстрирован прототип оптического межсоединения с модуляторами микрокольца, интегрированными с германиевыми детекторами. Нерезонансные модуляторы, такие как интерферометры Маха-Цендера , имеют типичные размеры в миллиметровом диапазоне и обычно используются в приложениях связи или передачи данных. Резонансные устройства, такие как кольцевые резонаторы, могут иметь размеры всего несколько десятков микрометров, поэтому занимают гораздо меньшие площади. В 2013 году исследователи продемонстрировали резонансный модулятор истощения, который может быть изготовлен с использованием стандартных производственных процессов «кремний-на-изоляторе, комплементарный металл-оксид-полупроводник» (КНИ КМОП). Подобное устройство было продемонстрировано также в массивной CMOS, а не в SOI.

На стороне приемника оптический сигнал обычно преобразуется обратно в электрическую область с помощью полупроводникового фотодетектора . Полупроводник, используемый для генерации носителей, обычно имеет ширину запрещенной зоны, меньшую, чем энергия фотонов, и наиболее распространенным выбором является чистый германий. Большинство детекторов используют PN-переход для извлечения носителей, однако детекторы, основанные на переходах металл-полупроводник (с германием в качестве полупроводника), также были интегрированы в кремниевые волноводы. Совсем недавно были изготовлены кремниево-германиевые лавинные фотодиоды, способные работать на скорости 40 Гбит / с. Готовые приемопередатчики были проданы в виде активных оптических кабелей.

Оптические коммуникации удобно классифицировать по протяженности или длине их каналов. Большая часть кремниевых фотонных коммуникаций до сих пор ограничивалась приложениями связи и передачи данных, где радиус действия составляет несколько километров или несколько метров соответственно.

Однако ожидается, что кремниевая фотоника будет играть значительную роль и в компьютерной сети, где оптические линии связи имеют диапазон от сантиметра до метра. Фактически, прогресс компьютерных технологий (и продолжение закона Мура ) становится все более зависимым от более быстрой передачи данных между микрочипами и внутри них . Оптические межсоединения могут обеспечить путь вперед, и кремниевая фотоника может оказаться особенно полезной после интеграции в стандартные кремниевые микросхемы. В 2006 году бывший старший вице-президент Intel Пэт Гелсинджер заявил: «Сегодня оптика — это нишевая технология. Завтра она станет основной для каждого создаваемого нами чипа».

Первый микропроцессор с оптическим вводом / выводом (I / O) был продемонстрирован в декабре 2015 года с использованием подхода, известного как CMOS-фотоника с нулевым изменением. Эта первая демонстрация была основана на 45-нм узле SOI, а двунаправленная связь от кристалла к кристаллу работала со скоростью 2 × 2,5 Гбит / с. Было рассчитано, что общее энергопотребление линии составляет 16 пДж / б, и в нем преобладает вклад внешнего лазера.

Некоторые исследователи считают, что требуется встроенный лазерный источник. Другие думают, что он должен оставаться вне кристалла из-за тепловых проблем (квантовая эффективность уменьшается с температурой, а компьютерные чипы обычно горячие) и из-за проблем совместимости с CMOS. Одним из таких устройств является гибридный кремниевый лазер , в котором кремний связан с другим полупроводником (например, фосфидом индия ) в качестве среды генерации . Другие устройства включают полностью кремниевый рамановский лазер или полностью кремниевые лазеры Бриллюэна, в которых кремний служит в качестве среды генерации.

В 2012 году IBM объявила о создании оптических компонентов в масштабе 90 нанометров, которые могут быть изготовлены с использованием стандартных технологий и включены в обычные микросхемы. В сентябре 2013 года Intel анонсировала технологию передачи данных со скоростью 100 гигабит в секунду по кабелю диаметром примерно пять миллиметров для подключения серверов внутри центров обработки данных. Обычные кабели данных PCI-E передают данные со скоростью до восьми гигабит в секунду, а сетевые кабели — до 40 Гбит / с. Максимальная скорость последней версии стандарта USB составляет десять Гбит / с. Данная технология не заменяет напрямую существующие кабели, поскольку требует отдельной печатной платы для взаимного преобразования электрических и оптических сигналов. Его повышенная скорость позволяет сократить количество кабелей, соединяющих блейд-серверы в стойке, и даже разделить процессор, хранилище и память на отдельные блейд-серверы, чтобы обеспечить более эффективное охлаждение и динамическую конфигурацию.

Графеновые фотодетекторы обладают потенциалом превосходить германиевые устройства по нескольким важным аспектам, хотя они остаются примерно на один порядок ниже нынешних генерирующих мощностей, несмотря на быстрое улучшение. Графеновые устройства могут работать на очень высоких частотах и, в принципе, могут достигать более высоких частот. Графен может поглощать более широкий диапазон длин волн, чем германий. Это свойство можно использовать для одновременной передачи большего количества потоков данных в одном луче света. В отличие от германиевых детекторов, графеновые фотодетекторы не требуют приложенного напряжения, что может снизить потребность в энергии. Наконец, графеновые детекторы в принципе позволяют более простую и менее дорогую интеграцию на кристалле. Однако графен не сильно поглощает свет. Соединение кремниевого волновода и листа графена лучше направляет свет и максимизирует взаимодействие. Первое такое устройство было продемонстрировано в 2011 году. Производство таких устройств с использованием традиционных технологий производства не продемонстрировано.

Оптические маршрутизаторы и сигнальные процессоры

Еще одно применение кремниевой фотоники — сигнальные маршрутизаторы для оптической связи . Конструкцию можно значительно упростить, если изготавливать оптические и электронные части на одном кристалле, а не размещать их на нескольких компонентах. Более широкой целью является полностью оптическая обработка сигналов, при которой задачи, которые обычно выполняются путем манипулирования сигналами в электронной форме, выполняются непосредственно в оптической форме. Важным примером является полностью оптическая коммутация , при которой маршрутизация оптических сигналов напрямую контролируется другими оптическими сигналами. Другой пример — полностью оптическое преобразование длины волны.

В 2013 году стартап-компания Compass-EOS из Калифорнии и Израиля первой представила коммерческий маршрутизатор для преобразования кремния в фотонику.

Связь на большие расстояния с использованием кремниевой фотоники

Кремниевые микрофотоники могут потенциально увеличить Интернет пропускной способности «сек, обеспечивая микро-масштаб, ультра устройств малой мощности. Кроме того, если это будет успешно достигнуто, энергопотребление центров обработки данных может быть значительно снижено. Исследователи из Sandia , Kotura, NTT , Fujitsu и различных академических институтов пытались доказать эту функциональность. В статье 2010 года сообщалось о прототипе передачи на 80 км, 12,5 Гбит / с с использованием кремниевых микроконцевиков.

Дисплеи светового поля

По состоянию на 2015 год американская стартап-компания Magic Leap работает над чипом светового поля , использующим кремниевую фотонику для дисплея дополненной реальности .

Физические свойства

Оптическое наведение и настройка дисперсии

Кремний прозрачен для инфракрасного света с длиной волны около 1,1 микрометра. Кремний также имеет очень высокий показатель преломления , около 3,5. Плотное оптическое ограничение, обеспечиваемое этим высоким показателем, позволяет создавать микроскопические оптические волноводы , размеры поперечного сечения которых могут составлять всего несколько сотен нанометров . Одномодовое распространение может быть достигнуто, таким образом (как одномодовое оптическое волокно ) устраняется проблема модовой дисперсии .

Сильные диэлектрические граничные эффекты , возникающие в результате этого жесткого ограничения, существенно изменяют соотношение оптической дисперсии . Выбирая геометрию волновода, можно настроить дисперсию для получения желаемых свойств, что имеет решающее значение для приложений, требующих ультракоротких импульсов. В частности, можно точно контролировать дисперсию групповой скорости (то есть степень, в которой групповая скорость изменяется в зависимости от длины волны). В массивном кремнии на 1,55 мкм дисперсия групповой скорости (ДГС) является нормальной, поскольку импульсы с большей длиной волны распространяются с более высокой групповой скоростью, чем импульсы с более короткой длиной волны. Однако, выбрав подходящую геометрию волновода, можно обратить это вспять и добиться аномальной ДГС, при которой импульсы с более короткими длинами волн распространяются быстрее. Аномальная дисперсия значительна, так как является предпосылкой для распространения солитонов и модуляционной неустойчивости .

Для того чтобы кремниевые фотонные компоненты оставались оптически независимыми от объемного кремния пластины, на которой они изготовлены, необходим слой промежуточного материала. Обычно это кремнезем , который имеет гораздо более низкий показатель преломления (около 1,44 в интересующей области длин волн), и, таким образом, свет на границе кремний-кремнезем будет (как свет на границе кремний-воздух) подвергаться полному внутреннему отражению , и остаются в кремнии. Эта конструкция известна как кремний на изоляторе. Он назван в честь технологии кремния на изоляторе в электронике, при которой компоненты строятся на слое изолятора , чтобы уменьшить паразитную емкость и таким образом улучшить характеристики.

Керровская нелинейность

Кремний обладает фокусирующей керровской нелинейностью , так как показатель преломления увеличивается с оптической интенсивностью. Этот эффект не особенно силен в объемном кремнии, но его можно значительно усилить, используя кремниевый волновод для концентрации света в очень малой площади поперечного сечения. Это позволяет увидеть нелинейные оптические эффекты при малых увеличениях. Нелинейность может быть дополнительно увеличена за счет использования щелевого волновода , в котором высокий показатель преломления кремния используется для ограничения света в центральной области, заполненной сильно нелинейным полимером .

Керровская нелинейность лежит в основе множества оптических явлений. Одним из примеров является четырехволновое смешение , которое было применено в кремнии для реализации оптического параметрического усиления , параметрического преобразования длины волны и генерации частотной гребенки.,

Керровская нелинейность также может вызывать модуляционную нестабильность , при которой она усиливает отклонения от формы оптического сигнала, приводя к генерации боковых полос спектра и, в конечном итоге, к распаду формы сигнала на последовательность импульсов. Другой пример (описанный ниже) — это распространение солитонов.

Двухфотонное поглощение

Кремний демонстрирует двухфотонное поглощение (ДФП), при котором пара фотонов может возбуждать электронно-дырочную пару . Этот процесс связан с эффектом Керра и по аналогии с комплексным показателем преломления может рассматриваться как мнимая часть комплексной керровской нелинейности. На длине волны электросвязи 1,55 мкм эта мнимая часть составляет примерно 10% реальной части.

Влияние TPA очень разрушительно, так как он тратит впустую свет и выделяет нежелательное тепло . Однако его можно смягчить либо переключением на более длинные волны (при которых отношение TPA к Керру падает), либо с помощью щелевых волноводов (в которых внутренний нелинейный материал имеет более низкое отношение TPA к Керру). В качестве альтернативы, энергия, потерянная через TPA, может быть частично восстановлена ​​(как описано ниже) путем извлечения ее из генерируемых носителей заряда.

Бесплатные взаимодействия носителей заряда

В свободных носителей заряда в пределах кремния может как поглощать фотоны и изменить его показатель преломления. Это особенно важно при высоких интенсивностях и в течение длительного времени из-за концентрации носителей заряда, создаваемой TPA. Влияние свободных носителей заряда часто (но не всегда) нежелательно, и были предложены различные способы их устранения. Одна из таких схем заключается в имплантации кремния гелием для усиления рекомбинации носителей . Подходящий выбор геометрии также может быть использован для уменьшения срока службы носителя. Ребристые волноводы (в которых волноводы состоят из более толстых областей в более широком слое кремния) усиливают как рекомбинацию носителей на границе кремнезем-кремний, так и диффузию носителей из сердцевины волновода.

Более продвинутая схема для удаления носителей состоит в интеграции волновода в собственной области о наличии PIN — диода , который смещен в обратном направлении , так что носители притягиваются от сердцевины волновода. Еще более сложная схема заключается в использовании диода как части схемы, в которой напряжение и ток не совпадают по фазе, что позволяет извлекать мощность из волновода. Источником этой мощности является свет, потерянный из-за двухфотонного поглощения, и поэтому, восстанавливая его часть, чистые потери (и скорость, с которой выделяется тепло) могут быть уменьшены.

Как упоминалось выше, эффекты свободных носителей заряда также могут быть использованы конструктивно для модуляции света.

Нелинейность второго порядка

В объемном кремнии нелинейности второго порядка не могут существовать из-за центросимметричности его кристаллической структуры. Однако, применяя деформацию, можно нарушить инверсионную симметрию кремния. Это может быть получено, например, путем нанесения слоя нитрида кремния на тонкую пленку кремния. Нелинейные явления второго порядка могут быть использованы для оптической модуляции , спонтанного параметрического преобразования с понижением частоты , параметрического усиления , сверхбыстрой обработки оптических сигналов и генерации в среднем инфракрасном диапазоне . Однако для эффективного нелинейного преобразования требуется синхронизация фаз между задействованными оптическими волнами. В нелинейных волноводах второго порядка на основе напряженного кремния можно добиться фазового синхронизма с помощью дисперсионной инженерии . Однако пока экспериментальные демонстрации основаны только на конструкциях, которые не согласованы по фазе . Было показано, что синхронизм может быть получен также в кремниевых двухщелевых волноводах, покрытых сильно нелинейной органической оболочкой, и в периодически напряженных кремниевых волноводах.

Рамановский эффект

Кремний демонстрирует эффект комбинационного рассеяния света , при котором фотон обменивается на фотон с немного другой энергией, что соответствует возбуждению или релаксации материала. В рамановском переходе кремния преобладает один очень узкий частотный пик, что проблематично для широкополосных явлений, таких как рамановское усиление , но полезно для узкополосных устройств, таких как рамановские лазеры . Ранние исследования рамановского усиления и рамановских лазеров начались в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, что привело к демонстрации суммарного усиления кремниевых рамановских усилителей и кремниевого импульсного рамановского лазера с волоконным резонатором (Optics express 2004). Следовательно, в 2005 году были изготовлены полностью кремниевые рамановские лазеры.

Эффект Бриллюэна

В рамановском эффекте фотоны смещаются в красную или синюю область оптическими фононами с частотой около 15 ТГц. Однако кремниевые волноводы также поддерживают возбуждения акустических фононов . Взаимодействие этих акустических фононов со светом называется рассеянием Бриллюэна . Частоты и формы колебаний этих акустических фононов зависят от геометрии и размера кремниевых волноводов, что позволяет создавать сильное бриллюэновское рассеяние на частотах от нескольких МГц до десятков ГГц. Вынужденное рассеяние Бриллюэна использовалось для создания узкополосных оптических усилителей, а также полностью кремниевых лазеров Бриллюэна. Взаимодействие между фотонами и акустическими фононами также изучается в области оптомеханики резонаторов , хотя трехмерные оптические резонаторы не являются необходимыми для наблюдения взаимодействия. Например, помимо кремниевых волноводов, оптико-механическая связь была продемонстрирована также в волокнах и в халькогенидных волноводах.

Солитоны

Эволюция света через кремниевые волноводы может быть аппроксимирована кубическим нелинейным уравнением Шредингера , которое примечательно тем, что допускает sech- подобные солитонные решения. Эти оптические солитоны (которые также известны в оптическом волокне ) являются результатом баланса между фазовой самомодуляцией (которая вызывает сдвиг переднего фронта импульса в красную сторону и синего сдвига заднего фронта) и аномальной дисперсии групповой скорости. Такие солитоны наблюдались в кремниевых волноводах группами в университетах Колумбии , Рочестера и Бата .

Рекомендации

Photonics и наша повседневная жизнь

Photonics предлагает новые и уникальные решения, в которых современные традиционные технологии приближаются к своим пределам с точки зрения скорости, емкости и точности. Влияние фотоники на нашу повседневную жизнь поразительно.

Наше здоровье

Способность света обнаруживать и измерять быстрым, чувствительным и точным способом дает фотонике уникальный потенциал для революции в здравоохранении. Биофотоника — это использование световых технологий в биологических и медицинских науках.Его можно эффективно использовать для очень раннего выявления заболеваний с помощью неинвазивных методов визуализации или применения в местах оказания медицинской помощи. Биофотоника также играет важную роль в анализе процессов на молекулярном уровне, позволяя лучше понять происхождение болезней и, следовательно, позволяя проводить профилактику и новые методы лечения. Фотонные технологии также играют важную роль в удовлетворении потребностей нашего стареющего общества: от кардиостимуляторов до синтетических костей и от эндоскопов до микрокамер, используемых в процессах in-vivo.

Освещение и экономия энергии

Фотоника также используется в передовых технологиях освещения, таких как твердотельное освещение (SSL) для общего освещения. SSL основан на технологиях светодиодов (LED) и органических светодиодов (OLED). Это обеспечивает более качественное освещение и способствует значительной экономии энергии. Интенсивная производственная и исследовательская деятельность направлена ​​на дальнейшее повышение производительности SSL, в частности энергоэффективности и качества, и, следовательно, снижение затрат.Европейский союз обязался сократить выбросы парниковых газов как минимум на 20% к 2020 году и повысить энергоэффективность на 20%. Освещение составляет до 19% потребления электроэнергии во всем мире, поэтому более эффективное освещение обеспечит огромную экономию энергии. Например, замена ламп накаливания на технологии SSL позволит сэкономить до 70% энергии, используемой сегодня в освещении.
Кроме того, освещение SLL обладает выдающимися уникальными свойствами, включая надежность, срок службы, регулировку яркости и цветопередачи, что дает беспрецедентные возможности для формирования и настройки среды освещения в соответствии с индивидуальными потребностями.

Комиссия поддерживает передовые исследования в этой области; в 2012 году были начаты два «пилотных мероприятия», демонстрирующих применение этой новой технологии. Кроме того, в декабре 2011 года Комиссия опубликовала Зеленую книгу «Освещение будущего: ускорение внедрения инновационных технологий освещения». В Зеленой книге предлагается несколько новых политик для ускорения широкого развертывания высококачественных продуктов и услуг SSL в Европе, которые поддерживаются динамично развивающейся и конкурентоспособной на мировом рынке европейской светотехнической промышленностью.

Широкополосный Интернет

Потребность в более быстрых, прозрачных, динамичных и экологически чистых широкополосных сетях определяет исследовательскую политику ЕС в области оптической передачи данных. Он направлен на резкое увеличение энергопотребления в Интернете, в центрах обработки данных и на серверах. Он обеспечивает рост трафика, быстрые изменения в сети и меняющиеся требования к трафику, делая обмен данными быстрее, дешевле и с меньшим энергопотреблением.

Охрана и безопасность

Photonics — это ключевой фактор повышения безопасности людей, товаров и окружающей среды.Это позволяет создавать бесконтактные датчики и визуальные приложения, работающие в различных диапазонах светового спектра (от рентгеновского до терагерцового), достаточно чувствительные и точные, чтобы надежно обнаруживать потенциальные опасности или опасные ситуации. Технологии фотоники имеют несколько практических применений в сфере безопасности: от оптоволоконных датчиков, используемых для обнаружения структурных дефектов в строительном секторе, предотвращения загрязнения окружающей среды или разработки систем помощи водителю, до приложений безопасности, таких как биометрия и системы безопасности границ, систем видеонаблюдения и оборудования для обнаружения опасные или нелегальные товары.

Высококачественное производство

Лазеры стали универсальным инструментом; лазерная обработка стала незаменимой для крупносерийного, недорогого и точного производства. Новые лазерные технологии стимулируют новые производственные процессы с исключительным качеством, которое позволяет производить массовую настройку и очень гибкое производство по требованию, быстрое, чистое и ресурсоэффективное производство и производство без ошибок. Европа — лидер в области промышленных лазерных технологий — разработка, поставка и применение лазеров и лазерных систем.Они используются, например, в автомобильной промышленности для обработки пластмасс, а также для производства фотоэлементов, полупроводников и миниатюрных компонентов для использования в медицинской технике и т. Д.

Чтобы узнать больше о Photonics, вы также можете посетить Photonics21, European Technology Platform, или связаться с нами для получения дополнительной информации.

Виртуальной фотоники для Quantum 2 | Веб-сайт Future Photon Initiative

Запутывание и кодирование в дискретных элементах разрешения по частоте — по сути, квантовый аналог мультиплексирования с разделением по длине волны — представляет собой относительно новую степень свободы для квантовой информации с фотонами.В этом докладе я обсуждаю бифотонные частотные гребенки, генерируемые либо спонтанным четырехволновым смешением (SFWM) из микрокольцевых резонаторов на кристалле, либо спектральной фильтрацией спонтанного параметрического преобразования с понижением частоты (SPDC) в нелинейных кристаллах второго порядка. Потенциальные преимущества включают создание крупномерных единиц квантовой информации (кудитов), которые могут переносить несколько кубитов на фотон, надежную передачу по оптоволокну, а также параллелизм и маршрутизацию частот. Со времени первых экспериментов 2–3 года назад квантовая фотоника с интервалом частот быстро развивалась [1, 2].В этом докладе я уделю особое внимание запутыванию больших размеров. Одна из интересных возможностей — выполнить микширование нескольких элементов разрешения по частоте за одну операцию, выходя далеко за рамки «взаимодействий» ближайших соседей. В этом ключе я прокомментирую два недавних эксперимента в нашей лаборатории, в каждом из которых задействовано более десятка диапазонов частот. Один эксперимент посвящен квантовым блужданиям пар частотно запутанных фотонов, в которых входное состояние может быть когерентно направлено в сторону коррелированного или антикоррелированного поведения квантового блуждания [3].Во втором случае мы показываем, что многомерная перепутанность частотных бинов позволяет измерять задержку сигнала-холостого хода на уровне в несколько пикосекунд, что в ~ 30 раз быстрее, чем используемые детекторы одиночных фотонов [4].

[1] М. Кус, К. Реймер, Дж. М. Люкенс, В. Дж. Манро, А. М. Вайнер, Д. Дж. Мосс и Р. Морандотти, «Квантовые оптические микрогребни», Nature Photonics, vol. 13, нет. 3, pp. 170-179, 2019/03/01 2019.

[2] H.-H. Лу, А.М. Вайнер, П.Луговски и Дж. М. Люкенс, «Квантовая обработка информации с помощью частотно-гребенчатых Qudits», IEEE Photonics Technology Letters, vol. 31, нет. 23. С. 1858-1861, 2019.

.

[3] П. Имани, Н. Б. Лингараджу, М. С. Альшайх, Д. Э. Лирд и А. М. Вайнер, «Исследование квантовых блужданий посредством когерентного управления запутанными фотонами больших размеров», препринт arXiv arXiv: 1911.04369, 2019.

[4] С. Сешадри, П. Имани, Н. Б. Лингараджу, Д. Э. Лиард и А. М. Вайнер, «Прецизионные измерения задержек оптического волокна с помощью квантово-частотной гребенки (FM1C.5) », представленной на конференции« Лазеры и электрооптика », 11 мая 2020 г., 2020 г.

PPT — Photonic (Optical) Computing PowerPoint Presentation, free download

Jason Plank Photonic (Optical) Computing

Темы для обсуждения • Что такое фотонные вычисления? • Как это соотносится с обычными электронными вычислениями? • Как это делается? • Какие проблемы возникают при использовании фотонных вычислений? • Что это может делать? • Каков текущий прогресс исследований?

Номенклатура • Электроника — движение электронов • Получено из электронов — субатомные частицы, несущие электрический заряд • Фотоника — движение света • Получено из фотонов — «единицы» света • Фотоны обладают свойствами обеих частиц и волны • Термин «фотонные вычисления» используется взаимозаменяемо с «оптическими вычислениями»

Текущие стандарты вычислений • Электронные вычисления являются общепринятым стандартом • В современных компьютерах используются процессоры, которые контролируют поток электронов и манипулируют им • Обработка сигналов происходит, когда электроны проходят через полупроводниковый материал, такой как кремний. • Полупроводящий материал контролирует и управляет потоком электронов. • Эти материалы составляют то, что мы знаем как процессоры.

Ограничения электроники и электронных вычислений • Скорость электронов через электропроводящие и полупроводниковые материалы ls • Потеря сигнала и электромагнитные помехи • Электрический ток выделяет тепло • Для большей скорости вычислений требуется повышенный ток, что приводит к повышенному нагреву • Не подходит для обработки изображений в отличие от числовой обработки

Преимущества фотоники и фотонных вычислений • В фотонных устройствах информация перемещается со скоростью света • Повышенная пропускная способность электронных устройств • Потери сигнала намного менее значительны по сравнению с потерями сигнала в электронике • Отсутствие помех между пересекающимися лучами • Вырабатывается незначительное количество тепла независимо от того, сколько света направлено сквозные схемы • Фотонные процессоры хорошо подходят для обработки изображений, тогда как электронные процессоры не подходят.

Проблемы фотонных вычислений • Материалы, которые действуют как процессоры для фотонов, все еще находятся на ранней стадии разработки и исследований • Действуют как аналог электронных полупроводник • Эти материалы другие называются фотонными кристаллами • Без этих процессоров оптические сигналы должны генерироваться и интерпретироваться с помощью электронных средств • Пример: сегодняшняя волоконная оптика

Фотонные кристаллы • Фотонные кристаллы — это структуры, которые контролируют и / или манипулируют потоком фотоны • Также известны как фотонные структуры с запрещенной зоной • Аналогичны электронному транзистору • Должны изготавливаться с высочайшей точностью • Непросто изготовить • После успешной миниатюризации фотонные кристаллы могут использоваться в качестве строительных блоков оптических интегральных схем

Фотонные кристаллы, продолжение • Разработаны, чтобы отражать, преломлять и / или «изгибать» свет определенной длины волны • Замедлять или улавливать свет в специализированных микрополостях • Может сделать возможными системы оптической памяти. Фальшивый крупный план кремниевого фотонного кристалла Источник: Science Новости

Приложения фотонных вычислений • Фотонные схемы могут быть первыми использоваться в качестве замены электронных компонентов в обычном оборудовании • Это приводит к гибридной оптико-электронной (оптоэлектронной) компьютерной системе • Кажется наиболее вероятным подходом для ранних фотонных приложений • Чисто фотонные компьютеры • Будет состоять из полностью оптических компонентов

Узкое место фон Неймана • Узкое место фон Неймана относится к ограниченной скорости передачи данных (пропускной способности) в результате разделения ЦП и памяти • Из-за этого узкого места увеличение скорости ЦП приводит к снижению отдачи от пропускной способности • Кэширование и параллельные вычисления уменьшают влияние узкого места, но не устраняют его

Узкое место фон Неймана, продолжение • Есть некоторые предположения, что фотонные компьютеры могут не страдать от этого узкого места • Процессоры могут содержать гораздо больше памяти Источник: cs.cmu.edu

Photonic Crystal Research • Несколько ученых построили фотонные кристаллы • В настоящее время исследования направлены на повышение эффективности • Разработан метод создания фотонного переключателя, который работает с использованием одиночных фотонов • Это улучшение технологии, в которой для управления переключателем использовалась вспышка фотонов • Снижение энергопотребления увеличивает возможность использования потенциальных оптических компонентов

Обсуждаемые темы • Что такое фотонные вычисления • Как они соотносятся с традиционными вычислениями • Как это делается • Проблемы фотонных вычислений • Приложения фотонных вычислений • Какие исследования проводились и проводятся в области фотонных вычислений

Ссылки • Amato, I.(1992). Создание кристаллов, которые говорят «нет» фотонам. Science, New Series, 255 (5051) 1512. • Чанг, Д. Э, Соренсен, А. С., Демлер, Э. А., и Лукин, М. Д. (2007). Однофотонный транзистор, использующий наноразмерные поверхностные плазмоны. Получено с http://arxiv.org/abs/0706.4335v1 • Дас, С. (2007). Вычисления скорости света становятся на шаг ближе. New Scientist, 2613, 28. • Сессия 13: цифровой дизайн. Получено с http://www.cs.cmu.edu/~ref /pgss/lecture/11/index.html • Taubes, G. (1997). Фотонный кристалл работает на оптической длине волны.Наука, Новая серия, 278 (5344) 1709-1710. • Вайс, П. (2005). Легкое педалирование. Новости науки, 168 (19), 292. • Вайс, П. (2004). Беззаботный транзистор. Новости науки, 166 (21), 324. • Яблонович, Э. (2000). Как быть по-настоящему фотонным. Science, New Series, 289 (5479), 557 + 559.

Photonic Systems Inc. (PSI)

Фотонные системы Inc. (PSI) предлагает инновационные радиочастотные и фотонные решения, позволяющие использовать новые и улучшенные беспроводные производительность и возможности системы.
Одновременная передача и получение (STAR) Каждое беспроводное устройство требует электромагнитного спектр, конечный природный ресурс, который контролируется государственными постановлениями во всем мир. Многие миллиарды долларов тратятся поставщики беспроводных услуг для лицензий на спектр но спрос на более экономичное использование спектр для удовлетворения быстрого роста беспроводных заявки не могут быть удовлетворены.Чтобы помочь решить кризис спектра, PSI изобрела тот же канал схема одновременной передачи и приема (STAR) и программные алгоритмы, которые эффективно удваивают эффективность использования спектра. Узнать больше >	Включает одноканальный полнодуплексная связь… удвоение эффективности использования спектра
Средства подавления помех RF Несмотря на то, что электромагнитный спектр перегружен среда с несколькими радиостанциями, работающими рядом друг друга, что приводит к радиочастотным помехам на одном месте.Будь то непреднамеренное или преднамеренное (глушение), внутриполосные радиочастотные помехи, которые нельзя уменьшить с помощью фильтры ухудшаются или могут полностью прервать возможность подключения к системе. PSI разработала уникальные схемы и программные алгоритмы решения значительно снизить нежелательные радиопомехи от источник помех на той же платформе или на отдельная платформа, где имеется справочная копия источник помех отсутствует. Узнать больше>	Снижает взаимные помехи от одного и того же и разных источников платформы
RF по оптоволоконным каналам RF / микроволновая печь возможность подключения сигналов с помощью оптоволоконного кабеля обеспечивает низкие потери, невосприимчивость к электромагнитным и радиопомехам, свет вес, безопасность и надежность решения в место коаксиального кабеля или свободное пространство передача инфекции.Команда инженеров PSI входит в основные участники, которые установили область микроволновой и радиочастотной фотоники установление множества рекордных показателей результаты по ходу дела. Сегодня PSI предлагает множество стандартных и индивидуальных RF по оптоволокну звенья, включая показатель наименьшего шума (NF) ссылки доступны без низкого уровня шума усилитель (МШУ). Узнать больше >	Невосприимчив к электромагнитным помехам, высокое качество, широкополосный радиочастотный / микроволновый передача сигналов
Фотонные и электронные компоненты Из развития оптических модуляторов с самым низким Vpi до сверхточный лазерный диод и модуляторы цепи управления смещением (MBC), PSI предлагает множество специализированных устройств и комплектующих для радиочастотных и фотонных систем.К тому же к стандартным предложениям продукции, конструкциям PSI, разрабатывает и производит ряд заказчиков оптический модулятор и электронное управление решения. Узнайте больше о PSI лазер и контроллеры смещения модулятора и оптический модуляторы .	Высоко производительность фотонных и электронных компонентов
Фотонная выборка с электронным квантованием (PSEQ) ADC Аналог. цифровые преобразователи (АЦП) обеспечивают критически важные связь между аналоговым интерфейсом RF и функция высокоскоростной обработки цифрового сигнала цепочка в ресивере.К сожалению, в высоком производительности приложений, АЦП обычно самое слабое звено в этой цепи; ограничение возможности цифрового ресивера. В фотонная дискретизация с электронным квантованием (PSEQ) АЦП, разрабатываемые в PSI, обеспечивают> 10x улучшение скорости и разрешения АЦП новые возможности системы и повышенная точность.	Опережающий аналог производительность цифрового преобразования

.