Fotónica

Dispersión de la 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. La fotónica está estrechamente relacionada con la electrónica cuántica, donde la electrónica cuántica se ocupa de la parte teórica de la misma, mientras que la fotónica se ocupa de sus aplicaciones de ingeniería. Aunque cubre todas las aplicaciones técnicas de la luz en todo el espectro, la mayoría de las aplicaciones fotónicas se encuentran en el rango de luz visible e infrarroja cercana. El término fotónica se desarrolló como consecuencia de los primeros emisores de luz semiconductores prácticos inventados a principios de la década de 1960 y las fibras ópticas desarrolladas en la década de 1970.

Historia

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

La fotónica como campo comenzó con la invención del máser y el láser entre 1958 y 1960. Siguieron otros desarrollos: el diodo láser en la década de 1970, las fibras ópticas para transmitir información y el amplificador de fibra dopada con erbio. Estos inventos formaron la base de la revolución de las telecomunicaciones de finales del siglo XX y proporcionaron la infraestructura para Internet.

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

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

Relación con otros campos

Óptica clásica

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

Óptica moderna

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

El término fotónica connota más específicamente:

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

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

Un aspecto importante en la definición moderna de fotónica es que no existe necesariamente un acuerdo generalizado en la percepción de los límites del campo. Siguiendo una fuente en optics.org, 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 diferencias significativas en la forma en que los términos "óptica". 34; y "fotónica" describa el área temática, con alguna descripción que proponga que "la fotónica abarca la óptica. En la práctica, a medida que evoluciona el campo, se evidencia que la "óptica moderna" y la fotónica se usan a menudo indistintamente y 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:

• Optoacústica o imagen fotoacústica donde la energía láser entregada en tejidos biológicos será absorbida y convertida en calor, lo que llevará a la emisión ultrasónica.
• Optomecánica, que implica el estudio de la interacción entre la luz y las vibraciones mecánicas de objetos mescópicos o macroscópicos;
• Optómicos, en los que los dispositivos integran dispositivos fotonicos y atómicos para aplicaciones tales como tiempo de precisión, navegación y metrología;
• Plasmonics, que estudia la interacción entre la luz y los plasmones en estructuras dieléctricas y metálicas. Los plasmones son las cuantizaciones de las oscilaciones plasmáticas; cuando se unen a una onda electromagnética, se manifiestan como polaritos de superficie o plasmones de superficie localizados.
• Polaritonics, que difiere de fotonics en que el portador de información fundamental es un polariton. Los Polariton son una mezcla de fotones y fonos, y operan en la gama de frecuencias de 300 gigahertz a aproximadamente 10 terahertz.
• Fotonico programable, que estudia el desarrollo de circuitos fotonicos que pueden ser reprogramados para implementar diferentes funciones de la misma manera que un FPGA electrónico

Aplicaciones

Un ratón de marAphrodita aculeata), mostrando espinas coloridas, un ejemplo notable de ingeniería fotonica por un organismo viviente

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

Así como las aplicaciones de la electrónica se han expandido dramáticamente desde que se inventó el primer transistor en 1948, las aplicaciones únicas de la fotónica continúan surgiendo. Las aplicaciones económicamente importantes para los dispositivos fotónicos de semiconductores incluyen la grabación de datos ópticos, las telecomunicaciones de 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 prácticamente ilimitadas e incluyen síntesis química, diagnóstico médico, comunicación de datos en chip, sensores, defensa láser y energía de fusión, por nombrar varios ejemplos adicionales interesantes.

• Equipo de consumo: escáner de códigos de barras, impresora, dispositivos CD/DVD/Blu-ray, dispositivos de control remoto
• Telecomunicaciones: comunicaciones de fibra óptica, convertidor óptico a microondas
• Energía renovable: Sistemas de energía solar
• Medicina: corrección de mala vista, cirugía láser, endoscopia quirúrgica, eliminación del tatuaje
• Fabricación industrial: uso de láseres para soldadura, perforación, corte y diversos métodos de modificación superficial
• Construcción: nivelación de láser, determinación de láser, estructuras inteligentes
• Aviación: giroscopios fotonicos sin piezas móviles
• Military: IR sensors, command and control, navigation, search and rescue, mine laying and detection
• Entretenimiento: espectáculos láser, efectos de haz, arte holográfico
• Procesamiento de la información
• Enfriamiento radiativo pasivo diurno
• Sensores: LIDAR, sensores para electrónica de consumo
• Metrología: medición de tiempo y frecuencia, determinación de rango
• Computación fotográfica: distribución de relojes y comunicación entre ordenadores, tableros de circuito impresos o dentro de circuitos integrados optoelectrónicos; en el futuro: computación cuántica

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

Resumen 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 suele utilizar fuentes de luz basadas en semiconductores, como diodos emisores de luz (LED), diodos superluminiscentes y láseres. Otras fuentes de luz incluyen fuentes de fotones individuales, lámparas fluorescentes, tubos de rayos catódicos (CRT) y pantallas de plasma. Tenga en cuenta que mientras que 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, LED.

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

Amplificadores

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

Detección

Los fotodetectores detectan la luz. Los fotodetectores van desde fotodiodos muy rápidos para aplicaciones de comunicaciones hasta dispositivos acoplados de carga (CCD) de velocidad media para cámaras digitales y 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 fuente de luz puede lograr la modulación directamente. Uno de los ejemplos más simples es usar una linterna para enviar código Morse. Otro método es tomar la luz de una fuente de luz y modularla en un modulador óptico externo.

Un tema adicional cubierto por la investigación de modulación es el formato de modulación. La modulación on-off ha sido el formato de modulación comúnmente utilizado en las comunicaciones ópticas. En los últimos años se han investigado formatos de modulación más avanzados como modulación por desplazamiento de fase o incluso 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 investigaciones 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.

Circuitos integrados fotónicos

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

Las aplicaciones clave de la fotónica integrada incluyen:

• Data Center Interconexión: Los centros de datos siguen creciendo a medida que las empresas e instituciones almacenan y procesan más información en la nube. Con el aumento en el cálculo del centro de datos, aumentan las demandas de redes de centros de datos correspondientemente. Los cables ópticos pueden soportar mayor ancho de banda de carril a distancias de transmisión más largas que los cables de cobre. Para distancias de corto alcance y tasas de transmisión de datos de hasta 40 Gbps, se pueden utilizar enfoques no integrados como láseres emisores de superficie verticales para transceptores ópticos en redes de fibra óptica multimodo. Más allá de esta gama y ancho de banda, los circuitos integrados fotonicos son clave para permitir transceptores ópticos de alto rendimiento y bajo costo.
• Aplicaciones de señalización RF analógica: Utilizando el procesamiento de señales de precisión GHz de circuitos integrados fotonicos, las señales de radiofrecuencia (RF) se pueden manipular con alta fidelidad para agregar o soltar múltiples canales de radio, diseminados a través de un rango de frecuencia de banda ultra-broad. Además, los circuitos integrados fotonicos pueden eliminar el ruido de fondo de una señal RF con precisión sin precedentes, lo que aumentará el rendimiento de la señal al ruido y hará posibles nuevos puntos de referencia en el rendimiento de baja potencia. Juntos, este procesamiento de alta precisión nos permite ahora empaquetar grandes cantidades de información en comunicaciones de radio de ultra larga distancia.
• Sensores: Los fotones también se pueden utilizar para detectar y diferenciar las propiedades ópticas de los materiales. Pueden identificar gases químicos o bioquímicos de contaminación del aire, productos orgánicos y contaminantes en el agua. También pueden utilizarse para detectar anomalías en la sangre, como niveles bajos de glucosa, y medir biometrías como la tasa de pulso. Los circuitos integrados fotonicos están siendo diseñados como sensores completos y ubicuos con vidrio/silicon, e integrados a través de la producción de alto volumen en varios dispositivos móviles. Los sensores de plataforma móvil nos permiten involucrarnos más directamente con prácticas que mejor protegen el medio ambiente, monitorean el suministro de alimentos y nos mantienen sanos.
• LIDAR y otras imágenes de matriz graduales: Arrays of PICs puede aprovechar los retrasos de fase en la luz reflejada de objetos con formas tridimensionales para reconstruir imágenes 3D, y Light Imaging, Detection and Ranging (LIDAR) con luz láser puede ofrecer un complemento al radar proporcionando imágenes de precisión (con información 3D) a corta distancia. Esta nueva forma de visión de la máquina está teniendo una aplicación inmediata en automóviles sin conductor para reducir las colisiones, y en la imagen biomédica. También se pueden utilizar arrays de fase para comunicaciones de espacio libre y tecnologías de visualización novedosas. Las versiones actuales de LIDAR dependen predominantemente de partes móviles, haciéndolos grandes, lentos, de baja resolución, costosos y propensos a vibración mecánica y fracaso prematuro. Los fotonicos integrados pueden realizar LIDAR dentro de una huella del tamaño de un sello postal, escanear sin mover partes, y ser producidos en alto volumen a bajo costo.

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), pero también se puede utilizar para aplicaciones medioambientales o de otro tipo. Las principales ventajas de este enfoque son la velocidad de análisis, el diagnóstico no invasivo y la capacidad de trabajar in situ.