La fotónica es una rama de la óptica que implica la aplicación de la generación, detección y manipulación de luz en forma de fotones mediante 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 cubren todas las aplicaciones técnicas de la luz en todo el espectro , la mayoría de las aplicaciones fotónicas se encuentran en el rango de la luz visible y del infrarrojo cercano . El término fotónica surgió como consecuencia de los primeros emisores de luz semiconductores prácticos inventados a principios de los años 1960 y las fibras ópticas desarrolladas en los años 1970.
La palabra 'Fotónica' se deriva de la palabra griega "phos" que significa luz (que tiene el caso genitivo "fotos" y en palabras compuestas se utiliza la raíz "foto-"); apareció a finales 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 necesaria ]
Un ejemplo temprano de la palabra se encuentra 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 ocupará de las unidades individuales; ¡La óptica y la EE se ocupan de los fenómenos grupales! ¡Y tenga en cuenta que con la electrónica se pueden hacer cosas que son imposibles en ingeniería eléctrica! [3]
La fotónica como campo comenzó con la invención del máser y el láser entre 1958 y 1960. [1] 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 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 necesaria ] En ese momento, el término se usaba ampliamente en Bell Laboratories . [ cita necesaria ] Su uso se confirmó cuando la Sociedad de Láseres y Electroóptica IEEE estableció una revista de archivo llamada Photonics Technology Letters a finales de la década de 1980. [ cita necesaria ]
Durante el período previo al colapso de las puntocom alrededor de 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 médicos, la tecnología de visualización y la computación óptica . Es probable que la fotónica siga creciendo si los desarrollos actuales de la fotónica de silicio tienen éxito. [4]
La fotónica está estrechamente relacionada con la óptica . La óptica clásica precedió durante mucho tiempo al descubrimiento de que la luz está cuantificada, cuando Albert Einstein explicó el efecto fotoeléctrico en 1905. Las herramientas ópticas incluyen la lente refractiva, 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 XIX, no dependen de las propiedades cuánticas de la luz.
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:
El término optoelectrónica denota dispositivos o circuitos que comprenden funciones tanto eléctricas como ópticas, es decir, un dispositivo semiconductor de película delgada. El término electroóptica se utilizó anteriormente y abarca específicamente interacciones eléctrico-ópticas 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 en la definición moderna de fotónica es que no necesariamente existe un acuerdo generalizado en la percepción de los límites del campo. Siguiendo una fuente en óptica.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 diferencias significativas en la forma en que los términos "óptica " y "fotónica" describen el área temática, y algunas descripciones proponen que "la fotónica abarca la óptica". En la práctica, a medida que el campo evoluciona, las evidencias de que "óptica moderna" y fotónica a menudo se usan indistintamente están muy difundidas y absorbidas en la jerga científica.
La fotónica también se relaciona con la ciencia emergente de la información cuántica y la óptica cuántica. Otros campos emergentes incluyen:
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Las aplicaciones de la fotónica son omnipresentes. Se incluyen todos los campos, desde la vida cotidiana hasta las ciencias más avanzadas, por ejemplo, detección de luz, telecomunicaciones , procesamiento de información , energía 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, diagnóstico artístico (que incluye 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 de los dispositivos fotónicos semiconductores incluyen el registro óptico de datos, 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 chips, sensores, defensa láser y energía de fusión , por nombrar varios ejemplos adicionales interesantes.
La microfotónica y la nanofotónica suelen incluir cristales fotónicos y dispositivos de estado sólido . [8]
La ciencia de la fotónica incluye la investigación de la emisión , transmisión, amplificación , detección y modulación de la 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 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 emisores de luz orgánicos generan su propia luz, las pantallas de cristal líquido (LCD), como las pantallas TFT, requieren una luz de fondo de lámparas fluorescentes de cátodo frío o, más a menudo hoy en día, LED.
Una característica de la investigación sobre fuentes de luz semiconductoras 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 silicio para producir láseres de silicio híbridos .
La luz se puede transmitir a través de cualquier medio transparente . Se puede utilizar 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 dependiendo de la velocidad 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 y "materiales" especiales con propiedades ópticas diseñadas. Estos incluyen cristales fotónicos , fibras de cristales fotónicos y metamateriales .
Los amplificadores ópticos se utilizan para amplificar una señal óptica. Los amplificadores ópticos utilizados en las comunicaciones ópticas son amplificadores de fibra dopada con erbio , amplificadores ópticos semiconductores , amplificadores Raman y amplificadores ópticos paramétricos . Un tema de investigación muy avanzado sobre amplificadores ópticos es la investigación sobre amplificadores ópticos semiconductores de puntos cuánticos .
Los fotodetectores detectan la luz. Los fotodetectores van desde fotodiodos muy rápidos para aplicaciones de comunicaciones, pasando por dispositivos de carga acoplada ( CCD ) de velocidad media para cámaras digitales , hasta células solares muy lentas que se utilizan para recolectar energía de la luz solar . También existen muchos otros fotodetectores basados en efectos térmicos, químicos , cuánticos, fotoeléctricos y otros.
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 sencillos es utilizar una linterna para enviar código Morse . Otro método consiste en tomar la luz de una fuente de luz y modularla en un modulador óptico externo . [9]
Un tema adicional cubierto por la investigación sobre modulación es el formato de modulación. La codificación 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 la manipulación 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.
La fotónica también incluye la investigación sobre sistemas fotónicos. Este término se utiliza a menudo para 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 necesaria ]
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 lograr el éxito comercial; [10] Los PIC basados en sustratos de obleas de silicio también son ahora una tecnología comercializada.
Las aplicaciones clave de la fotónica integrada incluyen:
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 enfermedades infecciosas) [12] , pero también se puede utilizar para aplicaciones medioambientales o de otro tipo. [13] [14] Las principales ventajas de este enfoque son la velocidad de análisis, el diagnóstico no invasivo y la capacidad de trabajar in situ .