光子技术：利用光的力量

2024-02-22

在我们周围，光一直在工作。我们手机上的摄像头、汽车上的停车传感器、桌上的显示器——所有这些都在利用光的力量来改善我们的日常生活，这要归功于一个叫做“光子技术”的研究领域。

什么是光子技术？

光子技术是一个多学科领域，涉及光的产生、控制、操纵和检测。

光是电磁辐射的一种形式，跨越电磁波谱的波长范围很广。由于它是量子化的，它可以表现为波和/或粒子。例如，当光穿过狭窄的缝隙时，它表现为波，但当它击中太阳能电池板时，它表现为携带能量的粒子。

光子技术涉及使用这些不同的行为来设计具有光功率和速度的实际应用。

▲粒子波

与电子是电子产品的组成部分类似，光是由光子组成的——移动速度极快的电磁能量微粒。正是这种速度使基于光子技术的系统成为各种应用的有吸引力的选择。例如：

显示器和消费电子产品：MicroLED、OLED、LED 和 LCD 的辉煌都归功于光子技术。这些技术支撑着我们智能手机、平板电脑和电视的炫目屏幕，提供鲜艳的色彩和高分辨率。
增强和虚拟现实(AR/VR)系统：光子技术也是增强现实和虚拟现实设备的沉浸式体验的幕后推手，其中高速发光源、集成光波导和光栅、平面光学器件和光学传感器结合在一起，实现了数字和物理现实的无缝融合。
可再生能源：高效太阳能电池板利用光伏电池，捕获阳光并将其转化为电能，同时减轻化石燃料对环境的影响。LED 还提供多功能、高效和更可持续的照明解决方案。
数据通信：光纤中光子无与伦比的速度和光纤中最小的信号损耗彻底改变了远程通信。包括硅光子在内的光子创新已经改变了短距离通信链路的格局，特别是在数据中心内。如今，光子技术构成了我们高速互联网的支柱，可实现无缝的视频流、电话会议和实时数据传输。

▲光子学应用

速度：没有什么比光子传播得更快，因此使用光脉冲传输信息是以速度为中心的应用的理想选择。

带宽：光的特性(宽频率范围，多个波长，最小干扰，低信号损耗)使大量的信息可以同时传输。

能源：基于光子的系统通常非常节能，因为长距离传输的信号损耗很小。

尺寸：传感器、microLED、波导和集成电路等光子元件可以高度紧凑，尺寸非常小。

光学和光子技术共同探索光的物理特性及其应用。它们是密切相关的领域，有时区别模糊。虽然关于它们确切边界的讨论仍在进行中，但很明显，它们在我们的日常生活中都发挥着重要作用。

光学工程师专门设计涉及光传播和与材料相互作用的宏观系统，创建像镜子、透镜和棱镜等基本组件。这些设计在消费电子、医疗保健、航空航天、国防系统和电信等不同行业中得到应用。在这些应用中，光的波动性的影响很小或可以忽略不计。

相比之下，光子技术工程师从事微观设计，其中光的波动性质至关重要。他们深入研究以下子领域：

光子技术是一个相对年轻的领域，但随着技术进步使光的操纵更加强大和高效，光子技术的影响将继续扩展到我们生活的更多领域。

20世纪：光子技术始于20世纪60年代激光的发明。随着光纤在 1980 年代变得普遍，“光子技术”一词的使用也随之普及。

21世纪初：光子晶体使微型光学设备和提高激光效率成为可能，纳米光子和等离子体光子出现。

2010年代：硅光子开始在普通硅衬底上集成光子组件，利用成熟的电子设备和工艺的效率。

今天：光子技术应用的可能性广泛而多样，包括量子光子和生物光子。

对提高性能、降低能耗和扩大功能范围的需求不断增长，这推动了对日益复杂的系统的需求，这些系统需要以低功耗功能密集集成。因此，该行业正在推动紧凑、节能、集成系统的开发，引发了整个光子领域的创新。

小型化：许多应用在重量和尺寸方面都有严格的限制，如智能手机摄像头、光学传感器和微投影仪。同样，智能眼镜、健身追踪器和AR耳机等可穿戴设备都依赖于小型化光学元件进行显示、传感器和通信。小型化光子系统在生物医学系统中也至关重要，如即时诊断和医学成像。例如，芯片实验室设备可以集成光学元件来分析血液样本或检测生物标志物，使医疗保健诊断变得便携和可访问。
集成电路：光子集成电路行业正在见证一场变革性的创新浪潮，以满足我们日益增长的数据消费习惯。共封装的光学器件和光互连器件正在满足数据中心内对高速、节能数据传输日益增长的需求，从而提供减少延迟和提高带宽的解决方案。
人工智能：光子计算和人工智能(AI)正在推动处理能力和数据处理的边界，光子芯片为复杂任务提供更快、更有效的计算。量子光子等新兴领域为量子计算、密码学和安全通信带来了希望。

原文：Photonics: Harnessing The Power of Light (semiengineering.com)