فوتونيات

الأنظمة الضوئية

علاوةً على ذلك، يتضمن علم الفوتونيات كذلك أبحاثا على الأنظمة الضوئية. وعادة ما يستعمل المصطلح لأنظمة الاتصال الضوئي. وينصب تركيز هذا المجال من الأبحاث على تنفيذ الأنظمة الضوئية مثل الشبكات الضوئية عالية السرعة. كما يتضمن هذا أبحاثا حول المجددات الضوئية، التي تعمل على تحسين جودة الإشارة الضوئية.

• انظر كذلك
• بصريات النانو
• البصريات
• الخلية الشمسية
• مراجع

مصادر الضوء

إضافةً إلى ذلك، وتتميز الأبحاث التي يتم إجراؤها على مصادر الضوء من أشباه الموصلات بالاستخدام المتكرر لأشباه الموصلات من نوع 3-4 بدلا من أشباه الموصلات الكلاسيكية مثل السيليكون والجيرمانيوم. وهذا يرجع إلى الخصائص الخاصة التي تتمتع بها أشباه الموصلات من نوع 3-4 التي تتيح تنفيذ الخدمات المشعة للضوء. ومن الأمثلة على أنظمة المواد المستعملة زرنيخيد الغاليوم (GaAs) وزرنيخيد ألومنيوم غاليوم (AlGaAs) أو غيره من أشباه الموصلات المركبة الأخرى. كما أنها تستعمل بالاشتراك مع السيليكون لإنتاج ليزر السيليكون الهجين.

وفي هذا السياق، مصادر الضوء المستعملة في الفوتونيات عادة ما تكون أكثر تطورا من المصابيح الكهربائية. وعادة ما تستعمل الفوتونيات مصادر الضوء من أشباه الموصلات مثل الصمامات الثنائية المشعة للضوء (LEDs) والصمامات الثنائية فائقة الإشعاع الضوئي والليزر. ومن بين مصادر الضوء الأخرى مصابيح الفلورسنت ومصابيح الأشعة المهبطية (CRTs) وشاشات البلازما. يرجى ملاحظة أنه في حين أن مصابيح الأشعة المهبطية وشاشات البلازما وشاشات الصمام الثنائي المشع للضوء العضوي تقوم بتوليد الضوء الخاص بها، فإن شاشات الكريستال السائل (LCDs) مثل شاشات TFT تتطلب ضوء خلفيا من مصابيح الفلورسنت ذات القطب البارد أو، الأكثر شيوعا اليوم، الصمامات الثنائية المشعة للضوء.

وسائط الإرسال

في هذا الإطار، يمكن نقل الضوء عبر أي وسيط شفاف. ويمكن استخدام الألياف الزجاجية أو الألياف الضوئية البلاستيكية لتوجيه الضوء على طول المسار المطلوب. وفي الاتصالات البصرية تتيح الألياف البصرية مسافات إرسال تزيد على 100 كم دون تضخيم وذلك اعتمادا على معدل البت ونسق التعديل المستعمل للإرسال. ومن بين الموضوعات البحثية المتقدمة للغاية في مجال الفوتونيات أبحاث وتصنيع الهياكل الخاصة و«المواد» التي تتمتع بخصائص بصرية هندسية. ومن هذه المواد الكريستالات الضوئية والألياف الكريستالية الفوتونية والميتاماتريال.

البصريات الحديثة

الخصائص الجسيمية للضوء،

التطبيق العملي للبصريات،

وعلى صعيد آخر، القدرة على ابتكار تقنيات لمعالجة الإشارات باستخدام الفوتونات،

ويشير المصطلح الفوتونيات على نحو أكثر تحديدا إلى:

وفي هذا السياق، يشير المصطلح الإلكترونيات البصرية إلى الأجهزة أو الدوائر التي تتألف من وظائف كهربائية وبصرية على حد سواء، أي الأجهزة ذات المادة الفيلمية الرقيقة من أشباه الموصلات. ودخل مصطلح البصريات الكهربائية حيز التنفيذ في وقت سابق ويشمل على نحو محدد التفاعلات الكهربائية-البصرية غير الخطية التطبيقية، مثلًا، أجهزة التضمين الكريستالية مثل خلية بوكلز، ولكنها تتضمن كذلك أجهزة استشعار التصوير المتقدمة التي تستعمل عادة لأغراض المراقبة من قبل مؤسسات مدنية أو حكومية.

التناظر مع الإلكترونيات.

في هذا الإطار، ويرتبط علم الفوتونيات بالبصريات الكمية والميكانيكا البصرية والبصريات الكهربائية والإلكترونيات البصرية والإلكترونيات الكمية. ومع ذلك، لكل مجال دلالات مختلفة اختلافا قليلا باختلاف المجتمعات العلمية والحكومية وفي السوق. وتشير البصريات الكمية عادة إلى الأبحاث الأساسية، في حين أن الفوتونيات تستعمل للإشارة إلى البحوث التطبيقية وعمليات التطوير.

الكشف

وفي هذا الصدد، تقوم أجهزة الكشف الضوئية بالكشف عن الضوء. وتتراوح أجهزة الكشف الضوئية من الصمامات الثنائية الضوئيةالخاصة بتطبيقات الاتصالات والأجهزة المتصلة بالشحنات متوسطة السرعة (CCDs) الخاصة بالكاميرات الرقميةوصولا إلى الخلايا الشمسية شديدة البطء التي تستعمل لتجميع الطاقة من أشعة الشمس. وهناك كذلك الكثير من أجهزة الكشف الضوئية الأخرى التي تقوم على المؤثرات الكيميائية والكمية والكهروضوئية وغيرها من المؤثرات الأخرى.

المجالات الناشئة

ومن ناحية أخرى، ترتبط الفوتونيات كذلك بعلوم المعلومات الكمية الناشئة في تلك الحالات التي تستعمل فيها الأساليب الضوئية. ومن بين المجالات الناشئة الأخرى علم الفيزياء النووية-البصرية، التي تقوم فيها الأجهزة الضوئية بدمج الأجهزة الفوتونية والأجهزة الذرية لإجراء تطبيقات مثل ضبط الوقت بدقة وعلم القياس والموازين؛ ونظام polaritonics، الذي يختلف عن الفوتونيات من حيث أن حامل المعلومات الأساسي هو البولاريتون، وهو مزيج من الفوتونات والفونونات، ويعمل في نطاق ترددي من 300 جيجاهرتز إلى 10 تيراهرتز على وجه التقريب.

تاريخ الفوتونيات

من جهة ثانية، وتشهد التطبيقات الفوتونية الخاصة بالاتصالات السلكية واللاسلكية نموا كبيرا، لا سيما منذ اندلاع فقاعة الإنترنت ويرجع ذلك جزئيا إلى أن الكثير من الشركات باتت تبحث عن مجالات تطبيقية جديدة. ومن المرجح حدوث مزيد من النمو للفوتونيات إذا نجحت تطورات .

العلاقة مع المجالات الأخرى

علاوةً على ذلك، وعلى الرغم من صياغته في وقت مبكر، بات مصطلح الفوتونيات شائع الاستخدام في الثمانينيات مع اعتماد مشغلي شبكات الاتصالات السلكية واللاسلكية لتقنيات إرسال البيانات عبر الألياف الضوئية. وفي ذلك الوقت، جرى استخدام المصطلح على نطاق واسع في مختبرات بل. وتم تأكيد استخدامه عندما أنشئت جمعية IEEE Lasers and Electro-Optics Society مجلة أرشيفية باسم Photonics Technology Letters في نهاية الثمانينيات.

علاوةً على ذلك، وبدأ علم الفوتونيات كحقل علمي مع ابتكار الليزر في سنة 1960. وتبع ذلك تطورات أخرى: منها الصمام الثنائي لليزر في السبعينيات والألياف البصرية لنقل المعلومات ومضخم الألياف المطعمة بالإربيوم. وشكلت هذه الاختراعات الأساس الخاص بثورة الاتصالات السلكية واللاسلكية في أواخر القرن العشرين وأتاحت البنية الأساسية لشبكة الإنترنت.

من جانب آخر، كلمة photonics مشتقة من الكلمة اليونانية "photos" التي تعني الضوء؛ وقد ظهرت في أواخر الستينيات لوصف حقل بحثي كان هدفه هو استخدام الضوء لإنجاز المهام، والذي وقع بشكل تقليدي ضمن النطاق العادي للإلكترونيات، مثل الاتصالات السلكية واللاسلكية ومعالجة المعلومات وما إلى ذلك.

من جهة ثانية، وخلال الفترة التي سبقت ما يعرف بأزمة فقاعة الإنترنت في عام 2001 على وجه التقريب، انصب تركيز الفوتونيات إلى حدّ كبير على الاتصالات السلكية واللاسلكية. ومع ذلك، تغطي الفوتونيات مجموعة كبيرة من التطبيقات العلمية والتكنولوجية، بما في ذلك: الصناعات القائمة على الليزر والاستشعار البيولوجي والكيميائي والتشخيصات والعلاجات الطبية وتكنولوجيا أجهزة العرض والحوسبة البصرية.

التعديل

كذلك، وثم موضوع إضافي تشمله الأبحاث الخاصة بالتعديل وهو تنسيق التعديل. وكان تزرير التشغيل-إيقاف التشغيل (On-off keying) هو تنسيق التعديل الشائع في الاتصالات الضوئية. وفي السنوات الأخيرة تم إجراء أبحاث على تنسيقات تعديل أكثر تطورا مثل تزرير إزاحة الطور أو حتى تقسيم التردد المتعامد المتعدد لمواجهة تأثيرات مثل التشتت الذي يؤدي إلى تدهور جودة الإشارة المرسلة.

من جهة ثانية، يستعمل تعديل مصدر الضوء لترميز المعلومات الخاصة بمصدر الضوء. ويمكن تحقيق التعديل عن طريق مصدر الضوء مباشرة. ومن أسهل الأمثلة على ذلك استخدام الضوء الوميضي لإرسال شفرة مورس. وثمة طريقة أخرى وهي أخذ الضوء من أحد مصادر الضوء وتعديله في جهاز تعديل ضوئي خارجي.

نظرة عامة على بحوث الفوتونيات

في هذا الإطار، يشمل علم الفوتونيات الأبحاث الخاصة بالانبعاث والإرسال والتضخيم والكشف عن الضوء وتعديله.

الاستعمالات والتطبيقات

في هذا الإطار، المجال العسكري: أجهزة الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء، والقيادة والتحكم، والملاحة، والبحث والإنقاذ، وزرع الألغام والكشف عنها

كذلك، أجهزة المستهلك: جهاز المسح الضوئي والطابعة وأجهزة CD/DVD/Blu-ray وأجهزة التحكم عن بعد ذات الشفرة الخيطية

وفي هذا السياق، الترفيه: عروض الليزر ومؤثرات الأشعة وفن التصوير ثلاثي الأبعاد

كذلك، إن تطبيقات الفوتونيات موجودة في كل مكان. وتشمل جميع المجالات بدء من الحياة اليومية وصولا إلى العلوم الأكثر تقدما، مثلًا كشف الضوء والاتصالات السلكية واللاسلكية ومعالجة المعلومات والإضاءة وعلم القياس والموازين والتحليل الطيفي والتصوير الثلاثي الأبعاد والطب (العمليات الجراحية وتصحيح الإبصار التنظير الداخلي والمراقبة الصحية) والتكنولوجيا العسكرية ومعالجة المواد بالليزر والفنون البصرية والبيوفوتونيك والزراعة والروبوتات.

علاوةً على ذلك، الطب: تصحيح ضعف البصر وجراحة الليزر والتنظير الداخلي الجراحي وإزالة الوشم

علاوةً على ذلك، الاتصالات السلكية واللاسلكية: اتصالات الألياف الضوئية والأجهزة البصرية لتحويل الإشارات إلى ترددات أقل

الطيران: الجيروسكوبات الفوتونية التي تفتقر للأجزاء المتحركة

في هذا الإطار، ومع توسع تطبيقات الإلكترونيات بدرجة كبيرة منذ اختراع أول ترانزستور في سنة 1948، تستمر التطبيقات الفريدة للفوتونيات في التطور. وتتضمن التطبيقات المهمة اقتصاديا الخاصة بالأجهزة الضوئية من أشباه الموصلات تسجيل البيانات البصرية والاتصالات السلكية واللاسلكية عبر الألياف البصرية والطباعة بالليزر (استنادا إلى التصوير الجاف) وأجهزة العرض والضخ البصري لأجهزة الليزر عالية الطاقة. والتطبيقات المحتملة لعلم الفوتونيات غير محدودة على وجه التقريب وتشمل التركيب الكيميائي والتشخيصات الطبية ونقل البيانات والدفاع بالليزر وطاقة الانصهار، وهناك الكثير من الأمثلة الإضافية المثيرة.

إضافةً إلى ذلك، التصنيع: استخدام الليزر للحام والحفر والقطع وغير ذلك من الأساليب المختلفة لتعديل الأسطح

في هذا الإطار، البناء: التسوية بالليزر والكشف عن الهدف بالليزر والهياكل الذكية

المضخمات

إضافةً إلى ذلك، تستعمل المضخمات البصرية لتضخيم إشارة بصرية. والمضخمات الضوئية المستعملة في الاتصالات الضوئية هي مضخمات الألياف المطعمة بالإربيوم والمضخمات الضوئية من أشباه الموصلات ومضخمات رامان والمضخمات الضوئية البارامترية. ومن الموضوعات البحثية المتقدمة للغاية في مجال المضخمات الضوئية البحث حول المضخمات الضوئية من أشباه الموصلات ذات النقطة الكمية.

معالجة المعلومات

من جهة ثانية، الحوسبة الضوئية: توزيع الساعة والتواصل بين أجهزة الكمبيوتر، أو لوحات الدوائر المطبوعة أو داخل الدوائر المتكاملة الإلكترونية البصرية؛ وفي المستقبل: الحوسبة الكمية

علم القياس والموازين: قياسات الوقت والتردد كشف الهدف

البصريات الكلاسيكية

ومن جهة أخرى، يرتبط علم الفوتونيات ارتباطا وثيقا بالبصريات. ومع ذلك فإن البصريات سبقت الاكتشاف المتمثل في أنه يمكن حساب الضوء بلغة ميكانيكا الكم (عندما قام ألبرت أينشتاين (Albert Einstein) بشرح التأثير الكهروضوئي في سنة 1905). وتشمل أدوات البصريات العدسة العاكسة والمرآة العاكسة والكثير من المكونات البصرية المعروفة قبل عام 1900. ولا تعتمد المبادئ الرئيسية للبصريات الكلاسيكية، مثل مبدأ هيغنز ومعادلات ماكسويل ومعادلات الموجة، على الخصائص الكمية للضوء.