Fotónica
# Fotónica

La fotónica es la ciencia de la generación, control y detección de fotones, en particular en el espectro visible e infrarrojo cercano, pero que también se extiende a otras porciones del espectro que incluyen al ultravioleta (longitudes de onda de 0,2 - 0,35 µm), infrarrojo de onda larga (8 - 12 µm) e infrarrojo lejano (75 - 150 µm), en donde actualmente se están desarrollando de manera activa los láser de cascada cuántica. La fotónica surge como resultado de los primeros semiconductores emisores de luz inventados a principios de 1960 en General Electric, MIT Lincoln Laboratory, IBM, y RCA y hechos factibles en la práctica por Zhores Alferov y Dmitri Z. Garbuzov y colaboradores que trabajaban en el Ioffe Physico-Technical Institute y casi simultáneamente por Izuo Hayashi y Mort Panish que trabajaban en los Bell Telephone Laboratories.

De la misma manera que las aplicaciones de la electrónica se han ampliado de manera contundente desde que el primer transistor fuera inventado en 1948, las nuevas aplicaciones particulares de la fotónica siguen apareciendo. Aquellas de las cuales se consideran aplicaciones consolidadas y económicamente importantes de los dispositivos fotónicos de semiconductores incluyen: almacenamiento óptico de datos, telecomunicaciones por fibra óptica, impresión láser (basada en la xerografía), visualizadores y bombeo óptico en láseres de alta potencia. Las aplicaciones potenciales de la fotónica son virtualmente ilimitadas e incluyen: síntesis química, diagnóstico médico, comunicación de datos on-chip, defensa con armas láser y obtención de energía mediante fusión, entre otras aplicaciones interesantes.

## Historia

La palabra 'fotónica' deriva de la palabra griega "phos" que significa luz (que tiene caso genitivo "fotos" y en las 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 la información, etc.

La fotónica como campo comenzó con la invención del láser en 1960. Le 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 constituyeron la base de la revolución de las telecomunicaciones de finales del siglo XX y proporcionaron la infraestructura de Internet.

Aunque se acuñó antes, el término fotónica pasó a ser de uso común en la década de 1980, cuando los operadores de redes de telecomunicaciones adoptaron la transmisión de datos por fibra óptica. En esa época, el término se utilizaba ampliamente en los Laboratorios Bell. Su uso se confirmó cuando la Sociedad de Láseres y Electroóptica del IEEE estableció una revista de archivo llamada Photonics Technology Letters a finales de la década de 1980.

Durante el período que precedió a la quiebra de las puntocom alrededor de 2001, la fotónica como campo se centró en gran medida en las telecomunicaciones ópticas. Sin embargo, la fotónica abarca una enorme gama de aplicaciones científicas y tecnológicas, como la fabricación de láseres, la detección biológica y química, el diagnóstico y la terapia médica, la tecnología de visualización y la computación óptica. Es probable que la fotónica siga creciendo si los actuales desarrollos de fotónica de silicio tienen éxito.

## Relación con otros campos

### Óptica clásica

La fotónica está estrechamente relacionada con la óptica. La óptica clásica precedió durante mucho tiempo al descubrimiento de la cuantización de la luz, cuando Albert Einstein explicó el efecto fotoeléctrico en 1905. Las herramientas ópticas incluyen la lente refractante, el espejo reflectante y diversos componentes e instrumentos ópticos desarrollados entre los siglos XV y 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.

### 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 por parte de las comunidades científicas y gubernamentales y en el mercado. Óptica cuántica suele connotar investigación fundamental, mientras que fotónica se utiliza para connotar investigación aplicada y desarrollo.

El término fotónica connota más específicamente:

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

El término optoelectrónica hace referencia a dispositivos o circuitos que incluyen funciones eléctricas y ópticas, es decir, un dispositivo semiconductor de película fina. El término electro-óptica surgió con anterioridad y engloba específicamente las interacciones eléctricas-ópticas no lineales aplicadas, por ejemplo, como moduladores de cristal a granel como la célula de Pockels, pero también incluye sensores avanzados de imagen.

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. Según una fuente de 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 de diferencias significativas en la forma en que los términos "óptica" y "fotónica" describen el área temática, con alguna descripción proponiendo que "la fotónica abarca la óptica". En la práctica, a medida que evoluciona el campo, las evidencias de que "óptica moderna" y fotónica se utilizan a menudo indistintamente están muy difundidas y absorbidas en la jerga científica.

### Campos emergentes

La Fotónica también está relacionada con la ciencia emergente de la información cuántica y la óptica cuántica. Otros campos emergentes son:

* Optoacústica o imágenes fotoacústicas donde la energía láser suministrada a los tejidos biológicos será absorbida y convertida en calor, dando lugar a la emisión de ultrasonidos.
* Optomecánica, que implica el estudio de la interacción entre la luz y las vibraciones mecánicas de objetos mesoscópicos o macroscópicos;
* Optómica, en la que los dispositivos integran dispositivos fotónicos y atómicos para aplicaciones como el cronometraje de precisión, la navegación y la metrología;
* Plasmónica, que estudia la interacción entre la luz y los plasmones en estructuras dieléctricas y metálicas. Los plasmones son cuantizaciones de la oscilación del plasmas; cuando se acoplan a una onda electromagnética, se manifiestan como polaritón de plasmón superficial o plasmón de superficie localizado.
* Polaritónica, que difiere de la fotónica en que el portador fundamental de información es un polaritón. Los polaritones son una mezcla de fotones y fonones, y operan en el rango de frecuencias de 300 gigahercios a aproximadamente 10 terahercios.
* Fotónica programable, que estudia el desarrollo de circuitos fotónicos que puedan reprogramarse para implementar diferentes funciones del mismo modo que una FPGA electrónica.

## Aplicaciones

Las aplicaciones de la fotónica son omnipresentes. Se incluyen todos los ámbitos, desde la vida cotidiana hasta la ciencia más avanzada, por ejemplo, la detección de luz, las telecomunicaciones, el procesamiento de la información, la computación fotónica, la iluminación, la metrología, la espectroscopia, la holografía, la medicina (cirugía, corrección de la visión, endoscopia, control de la salud), biofotónica, tecnología militar, procesamiento de materiales láser, diagnóstico artístico (que implica infrarrojo Reflectografía, Rayos X, UltraVioleta fluorescencia, XRF), agricultura y robótica.

Al igual que las aplicaciones de la electrónica se han ampliado de forma espectacular desde que se inventó el primer transistor en 1948, las aplicaciones únicas de la fotónica siguen apareciendo. Entre las aplicaciones económicamente importantes de los dispositivos fotónicos semiconductores se encuentran la grabación óptica de datos, las telecomunicaciones por fibra óptica, la impresión láser (basada en la xerografía), las pantallas y el bombeo óptico de los 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 el chip, los sensores, la defensa por láser y la energía de fusión, por citar otros ejemplos interesantes.

* Equipos de consumo: Escáner de código de barras, impresora, dispositivos de CD/DVD/Blu-ray, dispositivos de control remoto.
* Telecomunicaciones: comunicación por fibra óptica, convertidor de bajada óptica a microondas
* Medicina: corrección de la vista, cirugía láser, endoscopia quirúrgica, eliminación de tatuajes.
* Fabricación industrial: uso de láseres para soldar, taladrar, cortar y diversos métodos de modificación de superficies
* Construcción: nivelación láser, telemetría láser, estructuras inteligentes.
* Aviación: giroscopios fotónicos que carecen de piezas móviles
* Militar: Sensores IR, mando y control, navegación, búsqueda y rescate, colocación y detección de minas
* Entretenimiento: espectáculo lásers, efectos de rayos, arte holográfico
* Procesamiento de la información
* Sensores: LIDAR, sensores para la electrónica de consumo
* Metrología: mediciones de tiempo y frecuencia, hallazgo
* Computación fotónica: distribución del reloj y comunicación entre ordenadores, placa de circuito impresos, o dentro de circuito integrados optoelectrónicos; en el futuro: computación cuántica

La microfotónica y la nanofotónica suelen incluir cristal fotónicos y dispositivo de estado sólidos.

## Descripción general 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 diodo emisor de luz (LED), diodo superluminiscente y láser. Otras fuentes de luz incluyen fuente de fotón único, lámpara fluorescentes, tubo de rayos catódicos (CRTs), y pantalla de plasma. Mientras que los CRT, las pantallas de plasma y las pantallas de Diodo orgánico de emisión de luz generan su propia luz, las pantalla de cristal líquido (LCD) como las pantalla TFT requieren una retroiluminación de lámpara fluorescente de cátodo frío o, más a menudo hoy en día, de LED.

En la investigación sobre fuentes de luz semiconductoras es característico 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. Algunos ejemplos de sistemas 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 láser híbrido de silicio.

### Medios de transmisión

La luz puede transmitirse a través de cualquier medio transparente. Se puede utilizar fibra de vidrio o fibra óptica plástica para guiar la luz a lo largo de una trayectoria deseada. En comunicación óptica las fibras ópticas permiten distancias de transmisión de más de 100 km sin amplificación dependiendo de la tasa de bits y el formato de modulación utilizados 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 de ingeniería. Entre ellos se encuentran el cristal fotónico, la fibra de cristal fotónico y el metamaterial.

### Amplificadores

Los amplificadores ópticos se utilizan para amplificar una señal óptica. Los amplificadores ópticos utilizados en comunicaciones ópticas son amplificador de fibra dopada con erbio (EDFA), amplificador óptico semiconductor, amplificador Raman y amplificador paramétrico óptico. Un tema de investigación muy avanzado sobre amplificadores ópticos es el de los amplificadores ópticos semiconductores de puntos cuánticos.

### Detección

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 captar 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 en una fuente de luz. La modulación se puede lograr mediante la fuente de luz directamente. Uno de los ejemplos más sencillos es utilizar una linterna para enviar código Morse. Otro método consiste en tomar la luz de una fuente luminosa y modularla en un modulador óptico externo.

Un tema adicional cubierto por la investigación de modulación es el formato de modulación. La modulación Digital de Amplitud 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 modulación por desplazamiento de fase o incluso la multiplexación por división de frecuencias ortogonales, 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 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. También incluye la investigación sobre regeneradores ópticos, que mejoran la calidad de la señal óptica.

### 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 se fabricaron en sustratos de obleas semiconductoras de fosfuro de indio III-V y fueron los primeros en alcanzar el éxito comercial; Los PIC basados en sustratos de obleas de silicio también son ahora una tecnología comercializada.

Entre las aplicaciones clave de la fotónica integrada se incluyen:

* Interconexiones de centros de datos: Los centros de datos siguen creciendo a medida que las empresas e instituciones almacenan y procesan más información en la nube. Con el aumento de la computación en los centros de datos, aumentan también las exigencias a las redes de los centros de datos. 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 Gbps, se pueden utilizar enfoques no integrados como láser de emisión superficial de cavidad verticals para transceptores ópticos en redes de fibra óptica multimodo. Más allá de este rango y ancho de banda, los circuitos integrados fotónicos son clave para permitir transceptores ópticos de alto rendimiento y bajo coste.
* Aplicaciones de señales analógicas de RF: Utilizando el procesamiento de señales de precisión en GHz de los circuitos integrados fotónicos, las señales de radiofrecuencia (RF) pueden manipularse con alta fidelidad para añadir o eliminar múltiples canales de radio, repartidos en un rango de frecuencias 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 el rendimiento de la relación señal/ruido y posibilitará nuevos hitos en el rendimiento de bajo consumo. En conjunto, este procesamiento de alta precisión nos permite ahora empaquetar grandes cantidades de información en radiocomunicaciones de distancia ultralarga.
* Sensores: Los fotones también pueden utilizarse para detectar y diferenciar las propiedades ópticas de los materiales. Pueden identificar gases químicos o bioquímicos procedentes de la contaminación atmosférica, productos orgánicos y contaminantes en el agua. También pueden utilizarse para detectar anomalías en la sangre, como niveles bajos de glucosa, y medir datos biométricos como la frecuencia del pulso. Los circuitos integrados fotónicos se están diseñando como sensores integrales y ubicuos con vidrio/silicio, e incorporados mediante producción a gran escala en diversos dispositivos móviles. Los sensores de plataformas móviles nos están permitiendo participar más directamente en prácticas que protegen mejor el medio ambiente, controlan el suministro de alimentos y nos mantienen sanos.
* LIDAR y otras antenas en fase e imágenes: Las matrices de PIC pueden aprovechar los retardos de fase de la luz reflejada por objetos con formas tridimensionales para reconstruir imágenes en 3D, y el Light Imaging, Detection and Ranging (LIDAR) con luz láser puede ofrecer un complemento al radar al proporcionar imágenes de precisión (con información en 3D) a distancias cortas. Esta nueva forma de visión artificial está teniendo una aplicación inmediata en los coches sin conductor para reducir las colisiones, y en la obtención de imágenes biomédicas. Los phased arrays también pueden utilizarse para comunicaciones en el espacio libre y nuevas tecnologías de visualización. Las versiones actuales de LIDAR se basan principalmente en piezas móviles, lo que las hace grandes, lentas, de baja resolución, costosas y propensas a vibraciones mecánicas y fallos prematuros. La fotónica integrada puede realizar LIDAR en un espacio del tamaño de un sello de correos, escanear sin piezas móviles y producirse en grandes cantidades a bajo coste.
