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Fotónica

Un ratón de mar ( Aphrodita aculeata ), [ 1 ] mostrando espinas coloridas, un ejemplo de biofotónica La fotónica es una rama de la óptica que implica la aplicación de la generac...

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Un ratón de mar ( Aphrodita aculeata ), [ 1 ] mostrando espinas coloridas, un ejemplo de biofotónica

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 mediante emisión , transmisión , modulación , procesamiento de señales , conmutación, amplificación y detección . [ 2 ] [ 3 ] Aunque fotónica es un término de uso común, no existe un consenso generalizado sobre una definición clara del término ni sobre la diferencia entre la fotónica y campos relacionados, como la óptica . [ 4 ]

La fotónica está estrechamente relacionada con la óptica cuántica , que estudia la teoría detrás de las aplicaciones de ingeniería de la fotónica. [ 2 ] Aunque abarca 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 el infrarrojo cercano .

El término fotónica se desarrolló como consecuencia de los primeros emisores de luz semiconductores prácticos inventados a principios de la década de 1960 y de las fibras ópticas desarrolladas en la década de 1970. [ 5 ]

Este campo también cuenta con el apoyo de organizaciones profesionales como la IEEE Photonics Society , que sirve de canal para los avances en la investigación, la ingeniería y las aplicaciones de la fotónica.

Historia

La palabra «fotónica» deriva del término griego «phos», que significa luz (y que tiene el caso genitivo «photos», y en palabras compuestas se utiliza la raíz «photo-»); 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 se enmarcaban dentro del ámbito típico de la electrónica, como las telecomunicaciones y el procesamiento de la información. [ 5 ]

Un ejemplo temprano del uso 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. Guarda la misma relación con la óptica que la electrónica con la ingeniería eléctrica. La fotónica, al igual que la electrónica, se ocupa de las unidades individuales; la óptica y la ingeniería eléctrica se ocupan de los fenómenos de grupo. ¡Y cabe destacar que con la electrónica se pueden hacer cosas imposibles en ingeniería eléctrica! [ 6 ]

La fotónica como campo de estudio comenzó con la invención del máser y el láser entre 1958 y 1960. [ 2 ] Posteriormente se produjeron otros avances: el diodo láser en la década de 1970, las fibras ópticas para la transmisión de información y el amplificador de fibra dopada con erbio . Estos inventos sentaron las bases de la revolución de las telecomunicaciones de finales del siglo XX y proporcionaron la infraestructura para Internet .

Aunque acuñado con anterioridad, el término fotónica se popularizó en la década de 1980 con la adopción de la transmisión de datos por fibra óptica por parte de los operadores de redes de telecomunicaciones. En aquel entonces, el término se utilizaba ampliamente en los Laboratorios Bell . [ 7 ] Su uso se confirmó cuando la Sociedad de Láseres y Electroóptica del IEEE creó una revista de archivo llamada Photonics Technology Letters a finales de la década de 1980.

Durante el período previo al estallido de la burbuja de las puntocom alrededor de 2001, la fotónica era un campo centrado principalmente en las telecomunicaciones ópticas. Sin embargo, la fotónica abarca una enorme variedad de aplicaciones científicas y tecnológicas, incluyendo la fabricación de láseres, la detección biológica y química, el diagnóstico y la terapia médica, la tecnología de visualización y la computación óptica .

Relación con otros campos

Óptica clásica

La fotónica está estrechamente relacionada con la óptica . La óptica clásica precedió con creces al descubrimiento de la cuantización de la luz, cuando Albert Einstein explicó el efecto fotoeléctrico en 1905. Entre las herramientas ópticas se incluyen la lente refractora , el espejo reflectante y diversos componentes e instrumentos ópticos desarrollados entre los siglos XV y XIX. Principios clave de la óptica clásica, como el principio de Huygens , desarrollado en el siglo XVII, las ecuaciones de Maxwell y las ecuaciones de onda, desarrolladas en el siglo XIX, no dependen de las propiedades cuánticas de la luz.

Óptica moderna

La fotónica está relacionada con la óptica cuántica , la optomecánica , la electroóptica , la optoelectrónica y la electrónica cuántica . Sin embargo, cada área tiene connotaciones ligeramente diferentes en las comunidades científicas y gubernamentales, así como en el mercado. La óptica cuántica suele referirse a la investigación fundamental, mientras que la fotónica se utiliza para denotar la investigación y el desarrollo aplicados.

El término fotónica connota más específicamente:

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

El término optoelectrónica se refiere a dispositivos o circuitos que combinan funciones eléctricas y ópticas, como por ejemplo, dispositivos semiconductores de película delgada. El término electroóptica se empezó a usar antes y abarca específicamente las interacciones electroópticas no lineales aplicadas, por ejemplo, como moduladores de cristal masivo, como la celda de Pockels , pero también incluye sensores de imagen 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. Según una fuente en optics.org, [ 4 ] la respuesta a una consulta del editor de Journal of Optics: A Pure and Applied Physics al consejo editorial sobre la simplificación del nombre de la revista reveló diferencias significativas en la forma en que los términos "óptica" y "fotónica" describen el área temática, con algunas descripciones que proponen que "la fotónica abarca la óptica". En la práctica, a medida que el campo evoluciona, las evidencias de que "óptica moderna" y Fotónica se usan a menudo indistintamente están muy difundidas y absorbidas por la jerga científica.

Campos emergentes

La fotónica también se relaciona con la ciencia emergente de la información cuántica y la óptica cuántica. Otros campos emergentes incluyen:

Aplicaciones

Las aplicaciones de la fotónica son omnipresentes. Incluyen todos los ámbitos, desde la vida cotidiana hasta la ciencia más avanzada, como la detección de luz, las telecomunicaciones , el procesamiento de información , la energía fotovoltaica , la computación fotónica , la iluminación , la metrología , la espectroscopia , la holografía , la medicina (cirugía, corrección de la visión, endoscopia, monitorización de la salud), la biofotónica , la tecnología militar , el procesamiento de materiales con láser, el diagnóstico artístico (que incluye reflectografía infrarroja , rayos X , fluorescencia ultravioleta , XRF ), la agricultura y la robótica .

Así como las aplicaciones de la electrónica se han expandido drásticamente desde la invención del primer transistor en 1948, las aplicaciones únicas de la fotónica siguen surgiendo. Entre las aplicaciones de importancia económica para los dispositivos fotónicos semiconductores se incluyen la grabación óptica de datos, las telecomunicaciones por fibra óptica, la impresión láser (basada en xerografía), las pantallas y el bombeo óptico de láseres de alta potencia. Las aplicaciones potenciales de la fotónica son prácticamente ilimitadas e incluyen la síntesis química, el diagnóstico médico, la comunicación de datos en chips , los sensores, la defensa láser y la energía de fusión , por mencionar algunos ejemplos adicionales interesantes.

La microfotónica y la nanofotónica suelen incluir cristales fotónicos y dispositivos de estado sólido . [ 9 ]

Panorama general de la investigación en fotónica

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 . Cabe destacar que, si bien los CRT, las pantallas de plasma y las pantallas de diodos orgánicos emisores de luz generan su propia luz, las pantallas de cristal líquido (LCD), como las pantallas TFT , requieren una retroiluminación de lámparas fluorescentes de cátodo frío o, más comúnmente hoy en día, de 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 . [ 10 ] Ejemplos de sistemas de materiales utilizados son el arseniuro de galio (GaAs) y el arseniuro de galio y aluminio (AlGaAs) u otros semiconductores compuestos . También se utilizan junto con el silicio para producir láseres de silicio híbridos .

Medios de transmisión

La luz puede transmitirse a través de cualquier medio transparente . Se pueden utilizar fibras ópticas de vidrio o plástico para guiar la luz por la trayectoria deseada. En 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 utilizados. Un tema de investigación muy avanzado en fotónica es la investigación y fabricación de estructuras y materiales especiales con propiedades ópticas específicas. Estos incluyen cristales fotónicos , fibras de cristal fotónico y metamateriales . 

Amplificadores

Los amplificadores ópticos se utilizan para amplificar una señal óptica. Entre los amplificadores ópticos empleados en comunicaciones ópticas se encuentran los amplificadores de fibra dopada con erbio , los amplificadores ópticos semiconductores , los amplificadores Raman y los amplificadores paramétricos ópticos . Un tema de investigación muy avanzado en el campo de los amplificadores ópticos es el de los amplificadores ópticos semiconductores de puntos cuánticos .

Detección

Los fotodetectores detectan la luz. Existen diversos tipos de fotodetectores, desde fotodiodos ultrarrápidos para aplicaciones de comunicaciones hasta dispositivos de carga acoplada ( CCD ) de velocidad media para cámaras digitales , pasando por células solares muy lentas que se utilizan para la captación de energía solar . También existen muchos otros fotodetectores basados ​​en efectos térmicos, químicos , cuánticos, fotoeléctricos y de otra índole .

Modulación

La modulación de una fuente de luz se utiliza para codificar información en dicha fuente. La modulación puede lograrse directamente mediante la fuente de luz. Uno de los ejemplos más sencillos es usar 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 . [ 11 ]

Otro tema que abarca la investigación en modulación es el formato de modulación. La modulación por conmutación de encendido y apagado (ON-OFF) ha sido el formato de modulación más utilizado en comunicaciones ópticas. En los últimos años, se han investigado formatos de modulación más avanzados, como la modulación por desplazamiento de fase (PSK) o incluso la multiplexación por división de frecuencia ortogonal (ORD), para contrarrestar efectos como la dispersión , que degradan la calidad de la señal transmitida.

Sistemas fotónicos

La fotónica también incluye la investigación sobre sistemas fotónicos. Este término se usa frecuentemente para referirse a 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 repetidores de comunicaciones ópticas , que mejoran la calidad de la señal óptica. [ 12 ]

circuitos integrados fotónicos

Los circuitos fotónicos integrados (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 fabricados sobre sustratos de obleas semiconductoras de fosfuro de indio III-V fueron los primeros en alcanzar el éxito comercial; [ 13 ] los PIC basados ​​en sustratos de obleas de silicio también son ahora una tecnología comercializada.

Las principales aplicaciones de la fotónica integrada incluyen:

  • Interconexiones de centros de datos: Los centros de datos siguen creciendo en escala a medida que las empresas e instituciones almacenan y procesan más información en la nube. Con el aumento de la capacidad de procesamiento de los centros de datos, las exigencias sobre las redes de centros de datos aumentan en consecuencia. Los cables ópticos pueden soportar un mayor ancho de banda de carril a distancias de transmisión más largas que los cables de cobre. Para distancias de corto alcance y velocidades de transmisión de datos de hasta 40 Gbit/s, se pueden utilizar  enfoques no integrados, como los láseres de emisión superficial de cavidad vertical, para transceptores ópticos en redes de fibra óptica multimodo . [ 14 ] Más allá de este rango y ancho de banda, los circuitos integrados fotónicos son clave para habilitar transceptores ópticos de alto rendimiento y bajo costo.
  • Aplicaciones de señales de RF analógicas: Mediante el procesamiento de señales con precisión de GHz de los circuitos integrados fotónicos, las señales de radiofrecuencia (RF) pueden manipularse con alta fidelidad para añadir o eliminar múltiples canales de radio, distribuidos en un rango de frecuencia de banda ultraancha. Además, los circuitos integrados fotónicos pueden eliminar el ruido de fondo de una señal de RF con una precisión sin precedentes, lo que aumentará la relación señal-ruido y permitirá establecer nuevos estándares en el rendimiento de bajo consumo. En conjunto, este procesamiento de alta precisión nos permite ahora transmitir grandes cantidades de información en comunicaciones de radio de ultralarga distancia. [ 15 ]
  • Sensores: Los fotones también pueden utilizarse para detectar y diferenciar las propiedades ópticas de los materiales. Permiten identificar gases químicos o bioquímicos procedentes de la contaminación atmosférica, productos orgánicos y contaminantes en el agua. Asimismo, pueden utilizarse para detectar anomalías en la sangre, como niveles bajos de glucosa, y medir parámetros biométricos como la frecuencia cardíaca. [ 16 ]
  • LIDAR y otras tecnologías de imagen por matriz de fase : Las matrices de PIC pueden aprovechar los retardos de fase en la luz reflejada por objetos con formas tridimensionales para reconstruir imágenes 3D, y la detección y medición de imágenes mediante luz (LIDAR) con luz láser puede complementar al radar al proporcionar imágenes de precisión (con información 3D) a corta distancia. Esta nueva forma de visión artificial tiene una aplicación inmediata en vehículos autónomos para reducir colisiones y en imágenes biomédicas. Las matrices de fase también se pueden utilizar para comunicaciones en espacio libre y nuevas tecnologías de visualización. Las versiones actuales de LIDAR dependen principalmente de partes móviles, lo que las hace grandes, lentas, de baja resolución, costosas y propensas a vibraciones mecánicas y fallos prematuros. La fotónica integrada puede implementar LIDAR en un espacio reducido, escanear sin partes móviles y producirse en grandes volúmenes a bajo coste. [ 17 ] [ 18 ]

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) [ 19 ] , pero también puede utilizarse para aplicaciones ambientales u otras. [ 20 ] [ 21 ] Las principales ventajas de este enfoque son la velocidad de análisis, el diagnóstico no invasivo y la capacidad de trabajar in situ .

Véase también

Referencias

  1. ↑ "El ratón de mar promete un futuro brillante" . BBC News . 3 de enero de 2001. Consultado el 5 de mayo de 2013 .
  2. 1 2 3 Chai Yeh (2 de diciembre de 2012). Fotónica aplicada . Elsevier. págs. 1–. ISBN  978-0-08-049926-0.
  3. ↑ Richard S. Quimby (14 de abril de 2006). Fotónica y láseres: Una introducción . John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-79158-4.
  4. 1 2 Optics.org. "Óptica o fotónica: ¿qué hay en un nombre?" . Optics.org.
  5. 1 2 "Fotónica en Nuevo México: una industria diversificada preparada para el crecimiento" (PDF) . SPIE. Diciembre de 2014. Consultado el 7 de enero de 2026 .
  6. ↑ Campbell, John W. (1991). «14 de diciembre de 1954». En Chapdelaine, Perry A. (ed.). The John W. Campbell Letters With Isaac Asimov and AE van Vogt, Volume II . AC Projects, Inc. ISBN 978-0-931150-19-7.
  7. ↑ Krasnodębski, Marcin (2018). "Arrojando luz sobre la fotónica: la genealogía de un paradigma tecnológico" . Centaurus . 60 ( 1–2 ): 3–24 . doi : 10.1111/1600-0498.12172 .
  8. ↑ Archivado en Ghostarchivey la Wayback Machine: - YouTube
  9. ↑ Hervé Rigneault; Jean-Michel Lourtioz; Claude Delalande; Ariel Levenson (5 de enero de 2010). Nanofotónica . John Wiley e hijos. págs.5– . ISBN  978-0-470-39459-5.
  10. ↑ Tang, Mingchu; Park, Jae-Seong; Wang, Zhechao; Chen, Siming; Jurczak, Pamela; Seeds, Alwyn; Liu, Huiyun (2019). "Integración de láseres III-V en Si para fotónica de Si" . Progress in Quantum Electronics . 66 : 1–18 . doi : 10.1016/j.pquantelec.2019.05.002 . ISSN 0079-6727 . 
  11. ↑ Al-Tarawni, Musab AM (octubre de 2017). "Mejora de un sensor de campo eléctrico integrado basado en una guía de onda de ranura segmentada híbrida". Optical Engineering . 56 (10) 107105. Bibcode : 2017OptEn..56j7105A . doi : 10.1117/1.oe.56.10.107105 . S2CID 125975031 . 
  12. ↑ Leclerc, O.; Lavigne, B.; Duchet, C.; Janz, C.; Desurvire, E. (2000). Regeneradores totalmente ópticos . Conferencia sobre Láseres y Electroóptica (CLEO 2000), Resumen técnico, Edición posterior a la conferencia. TOPS. Vol. 39. San Francisco, CA: IEEE. pp. 133–135 . doi : 10.1109/CLEO.2000.906823 .  
  13. ↑ Ivan Kaminow; Tingye Li; Alan E Willner (3 de mayo de 2013). Optical Fiber Telecommunications Volume VIA: Components and Subsystems . Academic Press. ISBN 978-0-12-397235-4.
  14. ↑ Chang, Frank (17 de agosto de 2018). Tecnologías de conectividad de centros de datos: principios y práctica . River Publishers. ISBN 978-87-93609-22-8.
  15. ↑ Morichetti, Francesco (2025). "Procesamiento de señales analógicas de alto rendimiento con circuitos integrados fotónicos" . Light: Science & Applications . 14 : 141. doi : 10.1038/s41377-025-01806-0 . PMC 11947085 . 
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  17. ↑ Notaros, Jelena (11 de julio de 2022). «Fotónica de silicio para LiDAR, realidad aumentada y más allá». Congreso de Imagen y Óptica Aplicada 2022 (3D, AOA, COSI, ISA, pcAOP) . Optica Publishing Group. doi : 10.1364/COSI.2022.CM4A.3 . ISBN 978-1-957171-09-8.
  18. ^ Bhargava, P.; Kim, T.; Poulton, CV; Notaros, J.; Yaacobi, A.; Timurdogan, E.; Baiocco, C.; Fahrenkopf, N.; Kruger, S.; Ngai, T.; Timalsina, Y.; vatios, señor; Stojanovic, V. (junio de 2019). "LiDAR coherente totalmente integrado en fotónica de silicio integrada 3D / CMOS de 65 nm". Simposio 2019 sobre Circuitos VLSI . págs. C262- C263. doi : 10.23919/VLSIC.2019.8778154 . ISBN  978-4-86348-720-8.
  19. ↑ Lorenz, Björn; Wichmann, Cristina; Stöckel, Stephan; Rösch, Petra; Popp, Jürgen (mayo de 2017). "Investigaciones espectroscópicas de bacterias Raman sin cultivo". Tendencias en Microbiología . 25 (5): 413– 424. doi : 10.1016/j.tim.2017.01.002 . ISSN 1878-4380 . PMID 28188076 .  
  20. ↑ Wichmann, Christina; Chhallani, Mehul; Bocklitz, Thomas; Rösch, Petra; Popp, Jürgen (5 de noviembre de 2019). "Simulación del transporte y almacenamiento y su influencia en los espectros Raman de bacterias". Analytical Chemistry . 91 (21): 13688– 13694. doi : 10.1021/acs.analchem.9b02932 . ISSN 1520-6882 . PMID 31592643. S2CID 203924741 .   
  21. ^ Taubert, Martín; Stöckel, Stephan; Geesink, Patricia; Girnus, Sofía; Jehmlich, Nico; von Bergen, Martín; Rösch, Petra; Popp, Jürgen; Küsel, Kirsten (enero de 2018). "Seguimiento de microbios activos de aguas subterráneas con etiquetado D2 O para comprender la función de su ecosistema". Microbiología Ambiental . 20 (1): 369– 384. Código Bib : 2018EnvMi..20..369T . doi : 10.1111/1462-2920.14010 . ISSN 1462-2920 . PMID 29194923 . S2CID 25510308 .   
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