フォトニクス

フォトニクスは光学の一分野であり、放出、伝送、変調、信号処理、スイッチング、増幅、センシングを通じて光子の形で光の生成、検出、操作を応用する。^{[1] [2]}フォトニクスは量子エレクトロニクスと密接に関連しており、量子エレクトロニクスは理論的な部分を扱い、フォトニクスはその工学的応用を扱っている。^[1]スペクトル全体にわたる光の技術的応用をすべてカバーしているが、ほとんどのフォトニクスの応用は可視光と近赤外光の範囲内である。フォトニクスという用語は、1960年代初頭に発明された最初の実用的な半導体発光素子と1970年代に開発された光ファイバーに由来して発展した。

「フォトニクス」という言葉は、光を意味するギリシャ語の「phos」（属格は「photos」で、複合語では語源は「photo-」）に由来しています。この言葉は、光を使用して、従来は電気通信や情報処理などの典型的な電子工学の領域に含まれる機能を実行することを目標とする研究分野を表すために 1960 年代後半に登場しました。^{[引用が必要]}

この言葉の初期の例は、1954年12月にジョン・W・キャンベルがゴットハルト・ギュンターに宛てた 手紙にあります。

ところで、私は新しい科学を発明しようと決めました。それはフォトニクスです。これは光学と、電子工学と電気工学の関係と同じ関係を持っています。フォトニクスは電子工学と同様に個々のユニットを扱いますが、光学と電気工学はグループ現象を扱います。また、電子工学では電気工学では不可能なことができることにも注目してください。^[3]

フォトニクスという分野は、1958年から1960年にかけてのメーザーとレーザーの発明から始まりました^。[1]その後、 1970年代のレーザーダイオード、情報伝送用の光ファイバー、エルビウム添加光ファイバー増幅器などの開発が続きました。これらの発明は、20世紀後半の通信革命の基礎を形成し、インターネットのインフラストラクチャを提供しました。

フォトニクスという用語は、それ以前に造られたが、光ファイバーデータ伝送が通信ネットワーク事業者によって採用された1980年代に一般的に使用されるようになった。^{[引用が必要]}当時、この用語はベル研究所で広く使用されていた。^{[引用が必要]その使用は、} IEEEレーザーおよび電気光学協会が1980年代末にPhotonics Technology Lettersというアーカイブジャーナルを設立したときに確認された。 ^{[引用が必要]}

2001 年頃のドットコム バブル崩壊までの期間、フォトニクスは主に光通信に重点を置いた分野でした。しかし、フォトニクスはレーザー製造、生物学的および化学的センシング、医療診断および治療、ディスプレイ技術、光コンピューティングなど、科学技術の幅広い応用分野をカバーしています。現在のシリコン フォトニクス開発が成功すれば、フォトニクスはさらに成長する可能性が高いでしょう。^[4]

フォトニクスは光学と密接な関係があります。古典光学は、光が量子化されていることが発見されるはるか以前から存在していました。1905年にアルバート・アインシュタインが光電効果を説明したのがその始まりです。光学ツールには、屈折レンズ、反射鏡、そして15世紀から19世紀にかけて開発されたさまざまな光学部品や機器が含まれます。17世紀に開発されたホイヘンスの原理、 19世紀に開発されたマクスウェル方程式や波動方程式など、古典光学の主要原理は、光の量子特性に依存しません。

フォトニクスは、量子光学、オプトメカニクス、電気光学、オプトエレクトロニクス、量子エレクトロニクスに関連しています。ただし、各分野は、科学界や政府コミュニティ、市場によって若干異なる意味合いを持っています。量子光学は多くの場合、基礎研究を意味しますが、フォトニクスは応用研究開発を意味します。

フォトニクスという用語は、より具体的には次のような意味を持ちます。

• 光の粒子特性、
• 光子を利用した信号処理装置技術の創出の可能性、
• 光学の実用化、そして
• 電子機器との類似点。

オプトエレクトロニクスという用語は、電気的機能と光学的機能の両方を備えたデバイスまたは回路、つまり薄膜半導体デバイスを意味します。電気光学という用語は、より以前に使用され、具体的には、ポッケルスセルなどのバルク結晶変調器として適用される非線形電気光学相互作用を網羅していますが、高度な画像センサーも含まれます。

フォトニクスの現代的定義における重要な側面は、分野の境界に関する認識が必ずしも広く合意されているわけではないということです。optics.org の情報源によると、^[5] Journal of Optics: A Pure and Applied Physics の出版社が編集委員会にジャーナル名の簡素化について問い合わせたところ、その回答では、「光学」と「フォトニクス」という用語が主題領域を説明する方法に大きな違いがあり、「フォトニクスは光学を包含する」という説明もあると報告されています。実際には、分野が進化するにつれて、「現代光学」とフォト​​ニクスがしばしば互換的に使用されるという証拠は非常に分散し、科学用語に吸収されています。

フォトニクスは、量子情報と量子光学 という新興科学にも関連しています。その他の新興分野には以下のものがあります。

• 光音響学または光音響イメージングでは、生物組織に照射されたレーザーエネルギーが吸収され、熱に変換され、超音波が放射されます。
• 光力学は、光とメソスコピックまたはマクロスコピック物体の機械的振動との相互作用を研究する分野です。
• オプトミクスでは、精密な計時、ナビゲーション、計測などのアプリケーション向けに光子デバイスと原子デバイスの両方を統合します。
• プラズモニクスは、誘電体および金属構造における光とプラズモンの相互作用を研究します。プラズモンはプラズマ振動の量子化であり、電磁波と結合すると、表面プラズモンポラリトンまたは局在表面プラズモンとして現れます。
• ポラリトニクスは、基本的な情報キャリアがポラリトンである点でフォトニクスと異なります。ポラリトンは光子とフォノンの混合物であり、300ギガヘルツから約 10テラヘルツの周波数範囲で動作します。
• プログラマブルフォトニクスは、電子FPGAと同じようにさまざまな機能を実装するために再プログラムできる光回路の開発を研究します。

フォトニクスの応用分野は至る所にあります。日常生活から最先端の科学まで、あらゆる分野が含まれます。たとえば、光検出、電気通信、情報処理、太陽光発電、フォトニックコンピューティング、照明、計測学、分光法、ホログラフィー、医療（外科手術、視力矯正、内視鏡検査、健康モニタリング）、バイオフォトニクス、軍事技術、レーザー材料加工、芸術診断（赤外線反射法、X線、紫外線蛍光法、XRFを含む）、農業、ロボット工学などです。

1948 年に最初のトランジスタが発明されて以来、エレクトロニクスの用途が劇的に拡大したのと同様に、フォトニクスのユニークな用途も次々と生まれています。半導体フォトニック デバイスの経済的に重要な用途には、光データ記録、光ファイバー通信、レーザー印刷(ゼログラフィーに基づく)、ディスプレイ、高出力レーザーの光ポンピングなどがあります。フォトニクスの潜在的な用途は事実上無限であり、化学合成、医療診断、オンチップ データ通信、センサー、レーザー防衛、核融合エネルギーなど、他にも興味深い例がいくつもあります。

• 消費者向け機器:バーコードスキャナー、プリンター、CD/DVD/Blu-ray デバイス、リモート コントロールデバイス
• 電気通信：光ファイバー通信、マイクロ波用光ダウンコンバータ
• 再生可能エネルギー：太陽光発電システム
• 医療：視力矯正、レーザー手術、外科内視鏡検査、タトゥー除去
• 工業製造：溶接、穴あけ、切断、およびさまざまな表面改質方法にレーザーを使用する
• 建設：レーザーレベル測定、レーザー距離測定、スマート構造
• 航空：可動部品のない光子ジャイロスコープ
• 軍事：赤外線センサー、指揮統制、ナビゲーション、捜索救助、地雷敷設および探知
• エンターテイメント:レーザーショー、ビーム効果、ホログラフィックアート
• 情報処理
• 昼間の受動放射冷却
• センサー：LIDAR、民生用電子機器向けセンサー
• 計測学：時間と周波数の測定、距離測定
• フォトニックコンピューティング：^[7]コンピュータ間、プリント基板間、または光電子集積回路内でのクロック分配と通信。将来的には量子コンピューティング

マイクロフォトニクスとナノフォトニクスには通常、フォトニック結晶と固体デバイスが含まれます。^[8]

フォトニクスの科学には、光の 放出、伝送、増幅、検出、変調の研究が含まれます。

フォトニクスでは、一般的に、発光ダイオード(LED)、スーパールミネッセントダイオード、レーザーなどの半導体ベースの光源が使用されます。その他の光源には、単一光子源、蛍光灯、ブラウン管(CRT)、プラズマスクリーンなどがあります。CRT、プラズマスクリーン、有機発光ダイオードディスプレイは独自の光を生成しますが、TFT スクリーンなどの液晶ディスプレイ(LCD) には、冷陰極蛍光灯または、今日ではより一般的には LEDのバックライトが必要であることに注意してください。

半導体光源の研究の特徴は、シリコンやゲルマニウムなどの従来の半導体の代わりに、III-V 半導体が頻繁に使用されることです。これは、発光デバイスの実装を可能にするIII-V 半導体の特別な特性によるものです。使用される材料システムの例としては、ガリウムヒ素(GaAs) やアルミニウムガリウムヒ素(AlGaAs) などの化合物半導体があります。これらは、シリコンと組み合わせてハイブリッドシリコンレーザーを生成するためにも使用されます。

光は、透明な媒体であれば何でも透過できます。ガラス ファイバーまたはプラスチック光ファイバーを使用して、光を目的の経路に沿って導くことができます。光通信では、光ファイバーは、伝送に使用されるビット レートと変調形式に応じて、増幅なしで 100 km を超える伝送距離を可能にします。フォトニクスにおける非常に高度な研究テーマは、設計された光学特性を持つ特殊な構造と「材料」の調査と製造です。これには、フォトニック結晶、フォトニック結晶ファイバー、メタマテリアルが含まれます。

光増幅器は光信号を増幅するために使用されます。光通信で使用される光増幅器には、エルビウム添加光ファイバ増幅器、半導体光増幅器、ラマン増幅器、光パラメトリック増幅器があります。光増幅器に関する非常に先進的な研究テーマは、量子ドット半導体光増幅器の研究です。

光検出器は光を検出します。光検出器には、通信アプリケーション用の超高速フォトダイオードから、デジタルカメラ用の中速電荷結合素子 ( CCD ) 、太陽光からのエネルギー収集に使用される超低速太陽電池まで、さまざまなものがあります。熱、化学、量子、光電効果などの効果 に基づく他の多くの光検出器もあります。

光源の変調は、光源に情報をエンコードするために使用されます。変調は光源によって直接行うことができます。最も簡単な例の1つは、懐中電灯を使用してモールス信号を送信することです。別の方法は、光源からの光を取り、外部の光変調器で変調することです。^[9]

変調研究で取り上げられるもう 1 つのトピックは、変調形式です。オンオフ キーイングは、光通信で一般的に使用されている変調形式です。ここ数年、送信信号の品質を低下させる分散などの効果を打ち消すために、位相シフト キーイングや直交周波数分割多重化などのより高度な変調形式が研究されてきました。

フォトニクスには、フォトニック システムの研究も含まれます。この用語は、光通信システムに使用されることが多いです。この研究分野は、高速フォトニック ネットワークなどのフォトニック システムの実装に重点を置いています。これには、光信号の品質を向上させる光再生器の研究も含まれます。^{[引用が必要]}

フォトニック集積回路（PIC）は、光学的に活性な集積半導体フォトニックデバイスです。PICの主な商用アプリケーションは、データセンター光ネットワーク用の光トランシーバです。PICはIII-Vインジウムリン半導体ウェーハ基板上に製造され、初めて商業的に成功しました。^[10]シリコンウェーハ基板に基づくPICも現在では商用化された技術です。

統合フォトニクスの主な用途は次のとおりです。

• データセンター相互接続: 企業や機関がクラウドでより多くの情報を保存および処理するにつれて、データセンターの規模は拡大し続けています。データセンターのコンピューティングが増加すると、データセンターネットワークに対する需要もそれに応じて増加します。光ケーブルは、銅ケーブルよりも長い伝送距離でより大きなレーン帯域幅をサポートできます。短距離および最大40 Gbit/sのデータ伝送速度の場合、マルチモード光ファイバーネットワーク上の光トランシーバーには、垂直共振器面発光レーザーなどの非統合アプローチを使用できます。^[11]この範囲と帯域幅を超えると、高性能で低コストの光トランシーバーを実現するには、フォトニック集積回路が重要です。
• アナログ RF 信号アプリケーション: 光集積回路の GHz 精度信号処理を使用すると、無線周波数 (RF) 信号を高い忠実度で操作して、超広帯域周波数範囲に広がる複数の無線チャネルを追加または削除できます。さらに、光集積回路は、RF 信号からバックグラウンド ノイズを前例のない精度で除去できるため、信号対雑音比が向上し、低電力性能の新たなベンチマークが可能になります。これらを総合すると、この高精度処理により、超長距離無線通信に大量の情報を詰め込むことができるようになりました。^{[引用が必要]}
• センサー: 光子は、物質の光学特性を検出し、区別するためにも使用できます。大気汚染、有機農産物、水中の汚染物質から化学ガスや生化学ガスを識別できます。また、低血糖値などの血液の異常を検出したり、脈拍数などの生体測定を行うためにも使用できます。フォトニック集積回路は、ガラス/シリコンを使用した包括的でユビキタスなセンサーとして設計されており、大量生産によってさまざまなモバイル デバイスに組み込まれています。^[要出典]モバイル プラットフォーム センサーにより、環境をより適切に保護し、食糧供給を監視し、健康を維持する方法に、より直接的に関与できるようになります。
• LIDARおよびその他のフェーズドアレイ イメージング: PIC のアレイは、3 次元形状の物体から反射された光の位相遅延を利用して 3D 画像を再構成できます。また、レーザー光を使用した光画像検出および測距 (LIDAR) は、近距離で高精度画像 (3D 情報付き) を提供することで、レーダーを補完できます。この新しい形式のマシンビジョンは、衝突を減らすための自動運転車や、バイオメディカルイメージングにすぐに応用できます。フェーズドアレイは、自由空間通信や新しいディスプレイ技術にも使用できます。現在のバージョンの LIDAR は主に可動部品に依存しているため、大きく、遅く、解像度が低く、高価で、機械的振動や早期故障が発生しやすいです。統合フォトニクスは、切手サイズのフットプリント内で LIDAR を実現し、可動部品なしでスキャンし、低コストで大量生産できます。^{[12] [13]}

バイオフォトニクスは、フォトニクス分野のツールを生物学の研究に活用する。バイオフォトニクスは主に医療診断能力（例えば癌や感染症）の向上に焦点を当てているが^[14]、環境やその他の用途にも使用できる。^{[15] [16]このアプローチの主な利点は、分析のスピード、}非侵襲的な診断、およびその場で作業できることである。

• ナノ光学
• オプテック
• オプトロニクス/オプトエレクトロニクス
• 有機フォトニクス
• 生物に着想を得たフォトニクス
• フォトニクスマスト（潜水艦上）
• 光子レーダー
• 欧州フォトニクス産業コンソーシアム
• IOWNグローバルフォーラム