Fotônica
A fotônica (português brasileiro) ou fotónica (português europeu) é a ciência da geração, emissão, transmissão, modulação, processamento, amplificação e detecção da luz.[1] Em particular no espectro visível e infravermelho próximo, mas que também se estende a outras porções do espectro, incluindo o ultravioleta (comprimento de onda de 0,1 a 0,4 µm), infravermelho de onda larga (8 - 12 µm) e infravermelho distante (75 - 150 µm), onde atualmente estão desenvolvendo de maneira ativa os lasers de cascata quântica. A fotônica surge como resultado dos primeiros semicondutores emissores de luz inventados no início da década de 1960 pela General Electric, MIT Lincoln Laboratory, IBM, e RCA e viabilizados na prática por Zhores Alferov e Dmitri Z. Garbuzov e colaboradores que trabalhavam no Instituto Ioffe e quase simultaneamente por Izuo Hayashi e Mort Panish que trabalhavam nos Bell Telephone Laboratories. O termo fotônica enfatiza que os fótons não são apenas partículas nem apenas ondas, mas eles têm propriedades de ambas.
História da fotônica
editarA palavra fotônica é derivada da palavra grega "photos" que significa luz; ela apareceu no final da década de 1960 para descrever um campo de pesquisa cujo objetivo era usar a luz para executar funções que tradicionalmente eram executadas pelo domínio da eletrônica, como telecomunicações, processamento de informações, etc.
A fotônica como um campo começou com a invenção do laser em 1960. Outros desenvolvimentos seguintes foram a invenção do laser diodo em 1970, fibras ópticas para transmissão de informação e amplificadores de sinais ópticos. Essas invenções formaram a base da revolução em telecomunicações do final do século XX e criaram a infra-estrutura para a Internet.
Apesar de criado antes, o termo fotônica começou a ser usado comummente na década de 1980, quando a transmissão de dados por fibra óptica começou a ser adotado pelas operadores de redes de telecomunicações. Nessa época, o termo era amplamente usado nos Bell Labs. O seu uso foi confirmado quando a IEEE estabeleceu um periódico usando o termo em seu nome.
Durante o período que culminou no estouro da Bolha da Internet em meados de 2001, a fotônica como um campo focava principalmente em telecomunicações. Porém, ela cobre uma enorme gama de aplicações em ciência e tecnologia, como: manufatura a laser, detecção biológica e química, diagnósticos e terapias médicas, tecnologia para displays e computação óptica.
Varias aplicações não relacionadas a telecomunicação exibem grande crescimento, especialmente após a crise da Bolha da Internet, parcialmente porque muitas companhias estiveram procurando por novas áreas de aplicação. Um maior crescimento da fotônica é esperado se os atuais desenvolvimentos em fotônica de silício forem bem sucedidos.
Relação com outros campos
editarÓptica moderna
editarA fotônica se relaciona com a óptica quântica, optomecânica[2], eletro-óptica, optoeletrônica[3] e eletrônica quântica. No entanto, cada área tem conotações ligeiramente diferentes pelas comunidades científicas e governamentais e no mercado. Óptica quântica geralmente conota pesquisa fundamental, enquanto fotônica é usada para pesquisa e desenvolvimento aplicados.
O termo fotônica mais especificamente conota:
- As propriedades de partícula da luz
- O potencial de criar dispositivos de processamento de sinais usando fótons
- A aplicação prática da óptica
O termo optoeletrônica se refere a dispositivos e circuitos que possuem tanto funções elétricas quanto ópticas. O termo eletro-óptica surgiu mais recentemente e se refere especificamente a interações elétrico-ópticas não lineares aplicadas[4], porém também inclui sensores avançados de imagem tipicamente usados por organizações civis ou governamentais para monitoramento.
Campos emergentes
editarA fotônica também se relaciona com a emergente ciência da informação quântica nos casos em que emprega métodos fotônicos. Outros campos emergentes incluem aqueles que integram dispositivos atômicos e fotônicos para aplicações como medição de tempo precisa, navegação e metrologia. E também a polaritônica, que difere da fotônica no fato de que o carregador principal de informação é um polariton, que é uma mistura de fótons e fônons, e opera num intervalo de frequência de 300 giga-hertz a aproximadamente 10 terahertz.
Aplicações
editarAs aplicações da fotônica são onipresentes. Incluem todas as áreas, do dia-a-dia à mais avançada ciência, como detecção de luz, telecomunicações, processamento de informações, iluminação, metrologia, espectroscopia, holografia, medicina (cirurgia, correção da visão, endoscopia, monitoramento da saúde), tecnologias militares, processamento de materiais a laser, artes visuais, biofotônica, agricultura e robótica.
Assim como as aplicações dos eletrônicos se expandiram dramaticamente desde que o primeiro transistor foi inventado em 1948, novas aplicações da fotônica continuam a surgir. Aplicações economicamente importantes para dispositivos fotônicos de semicondutores incluem armazenamento óptico de dados, telecomunicações por fibra óptica, impressora a laser (baseada em xerografia), visualizadores e bombeamento óptico a lasers de alta potência. As aplicações potenciais da fotônica são virtualmente ilimitadas e incluem: síntese química, diagnóstico médico, comunicação de dados on-chip, defesa com armas a laser e obtenção de energia através da fusão, entre outras aplicações interessantes.
- Equipamentos para o consumidor: Leitor de códigos de barra, impressoras, dispositivos de CD/DVD/Blu-ray, dispositivos de controle remoto
- Telecomunicações: Comunicação por fibra óptica
- Medicina: Correção de visão, cirurgias a laser, endoscopia cirúrgica, remoção de tatuagens, terapias fotônicas[5]
- Manufatura industrial: o uso de lasers para soldar, perfurar, cortar e vários outros métodos de modificação de superfícies
- Construção: Nivelamento a laser, agrimensura a laser, estruturas inteligentes
- Aviação: Giroscópios fotônicos sem partes móveis
- Militares: Sensores de infravermelho, controle e comando, navegação, busca e salvamento, detecção de minas terrestres
- Entretenimento: Shows de laser, arte holográfica
- Processamento de informação
- Metrologia: Medição de tempo e frequências
- Computação fotônica: distribuição de 'clocks' e comunicação entre computadores, placas de circuito impresso, ou entre circuitos optoeletrônicos integrados; no futuro: computação quântica.
Panorama da pesquisa em fotônica
editarFontes de luz
editarAs fontes de luz utilizadas na fotônica são geralmente mais sofisticadas do que lâmpadas de luz. A fotônica comumente usa fontes semicondutoras de luz como diodos emissores de luz, diodos superluminescentes, e lasers. Outras fontes de luz incluem lâmpadas fluorescentes, tubos de raios catódicos, e telas de plasma. Note que enquanto CRTs, telas de plasma e diodos emissores de luz orgânicos geram sua própria luz, telas de cristal líquido como telas de TFT requerem um backlight ou de lâmpadas de cátodo frio fluorescentes ou, mais comumente utilizado, de LED.
Meios de transmissão
editarA luz pode ser transmitidas através de qualquer meio transparente. Fibra de vidro ou fibra óptica plástica podem ser usados para guiar a luz através de um caminho desejado. Nas comunicações ópticas, as fibras ópticas permitem distâncias de transmissão de mais de 100 km sem qualquer amplificação dependendo do bitrate e do formato de modulação usado para a transmissão. Um tópico de pesquisa muito avançado é o da investigação e fabricação de estruturas e materiais especiais com propriedades ópticas específicas. Estes incluem cristais fotônicos, fibras de cristais fotônicos e metamateriais.
Amplificadores
editarAmplificadores ópticos são usados para amplificar sinais ópticos. Alguns utilizados em comunicações são amplificadores de fibras dopadas com Érbio, amplificadores ópticos de semicondutores, amplificadores de Raman e amplificadores ópticos paramétricos. Um tópico avançado na pesquisa de amplificadores ópticos é a pesquisa em amplificadores ópticos de semicondutores de ponto quântico.
Detecção
editarFotodetectores detectam luz. Eles vão de rápidos fotodiodos para aplicações em comunicação a lentas células solares usadas para coletar a energia solar. Há também muitos outros fotodetectores baseados em efeitos térmicos, químicos, quânticos, fotoelétricos e outros.
Sistemas fotônicos
editarA fotônica também inclui a pesquisa em sistemas fotônicos. Este termo é geralmente usado para sistemas de comunicação óptica. Esta área de pesquisa é focada na implementação de sistemas fotônicos como redes fotônicas de alta velocidade. Isto também inclui pesquisa em regeneradores ópticos, que melhoram a qualidade do sinal óptico.
