Haben Sie jemals von Photonik gehört? Wenn nicht, sollten Sie es wirklich haben.
Dieses spannende und faszinierende Fachgebiet könnte revolutionieren in Zukunft viele Branchen . Sobald sein Potenzial voll ausgeschöpft ist, könnten wir in einer Zukunft leben, in der Computer niemals überhitzen. endlose Glühbirnen Der Stromverbrauch von Elektrogeräten wird gesenkt. Internetgeschwindigkeiten liegen nahe an der Lichtgeschwindigkeit und begrenzte Bandbreiten gehören der fernen Vergangenheit an.
Möglicherweise können wir die Elektronik sogar endgültig loswerden.
Was ist Photonik?
Kurz gesagt, Photonik ist die wissenschaftliche Untersuchung und technologische Nutzung von Licht.
Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass der Begriff "Photonik" so etwas wie ein Nebel ist. Abgesehen davon wird es heutzutage häufig verwendet, um sich auf eine Reihe neuer Technologien zu beziehen, die sich mit verschiedenen Aspekten des Lichts befassen. Dazu gehören Technologien zum Speichern, Übertragen oder Manipulieren von Informationen, die jedoch auch zum Ernten verwendet werden könnenEnergie aus Licht und / oder Umwandlung in Elektrizität.
Anders ausgedrückt, Photonik im technologischen Sinne bezieht sich auf Geräte, die Photonen zum Senden, Empfangen und Verarbeiten von Informationen verwenden, die der modernen Elektronik ähneln. Dies ist auch die Hauptableitung des Begriffs denken Sie an PHOTONics als Gegensatzzu ELECTRONics.
Das Gebiet umfasst daher jene physikalischen Wissenschaften und Technologien, die sich mit Anwendungen von Licht befassen, insbesondere Photonen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Photonenerzeugung, Detektion, Manipulation, Übertragung, Modulation, Signalverarbeitung, Schaltung, Verstärkungund Wahrnehmung.
Während die Photonik technisch gesehen das gesamte EM-Spektrum abdecken könnte, betrifft sie normalerweise nur die sichtbaren und nahinfraroten Teile des Spektrums.
Photonik kann seine Ursprünge verfolgen bis Ende der 1960er Jahre wurde aber erst viel später, in den 80er Jahren, populär. In den 1980er Jahren tauchte der Begriff regelmäßig in Pressemitteilungen, Berichten und internen Veröffentlichungen an Orten wie Bell Laboratories und Hughes Aircraft Co. auf. Bis 1982 war er so populär geworden, dassdas Fachmagazin Optische Spektren änderte tatsächlich seinen Namen in Photonikspektren . Gegen Ende des Jahrzehnts , IEEE-Laser und Elektro- Optik Gesellschaft gründete eine Zeitschrift mit dem Titel Photonics Technology Letters .
Heute ist es ein sehr lebendiges Gebiet, in dem ständig wissenschaftliche und technologische Fortschritte erzielt werden. Es ist auch eines der am meisten spannende Forschungs- und Entwicklungsfelder das könnte in nicht allzu ferner Zukunft einige sehr interessante technologische Vorteile bringen.
Durch die Verwendung von Photonen anstelle von Elektronen verspricht die Photonik eine blitzschnelle Zukunft der Datenkommunikation und -verarbeitung sowie eine Reduzierung der Überhitzung auf ein Minimum, ganz zu schweigen von einer nahezu unbegrenzten Abdeckung.
Welche Vorteile bietet die Photonik gegenüber der Elektronik?
Wie bereits erwähnt, ist einer der Hauptaspekte der Photonik die Entwicklung elektrischer Schaltkreise, die Photonen anstelle von Elektronen verwenden. Dies bietet einige sehr wichtige Vorteile gegenüber der Verwendung von Elektronen, wie Sie gerade entdecken.
Moderne integrierte elektronische Geräte, seien es Transistoren, integrierte Schaltkreise usw., kommunizieren alle über elektrische Ströme. Damit dies funktioniert, müssen solche Geräte den elektrischen Widerstand überwinden, damit der Strom fließen kann.
Es ist dieser grundlegende Prozess, der dazu führt, dass sich elektrische Schaltkreise erwärmen und effektiv Energie verschwenden. Nicht nur das, sondern auch Strom geht verloren während der Übertragung vom Kraftwerk zum Einsatzort.
Aufgrund der Natur elektrischer Schaltkreise ist die Bewegung von Elektronen während sie schnell sind im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit verblasst. Die Effizienz der elektrischen Übertragung kann auch stark durch das Design und die Materialien beeinflusst werden, die für ihre Konstruktion verwendet werden.
Photonen Auf der anderen Seite können viele dieser Probleme überwunden werden. Sie können sich beispielsweise praktisch ohne Energieverlust durch bestimmte Materialien bewegen. Deshalb können beispielsweise Glasfaserkabel Daten über sehr große Entfernungen übertragen.
Alle Geräte, die mit Photonen anstelle von Elektrizität betrieben werden könnten, haben auch einige andere inhärente Vorteile. Die erste und wichtigste ist die Geschwindigkeit.
Da sich Licht ungefähr zehnmal schneller als die Elektrizitätsgeschwindigkeit ausbreitet, kann die Datenübertragung schneller und über größere Entfernungen erfolgen. Ein weiterer Vorteil wenn sichtbares Licht oder IR-Strahlen verwendet werden besteht darin, dass sie sich ohne oder mit geringer Wechselwirkung gegenseitig passieren können.
Infolgedessen kann eine einzelne Glasfaser mehr als 3 Millionen Telefongespräche gleichzeitig führen - was mit elektrischen Kabeln praktisch unmöglich ist.
Photonics erhöht die Geschwindigkeit, reduziert den Stromverbrauch, mangelnde Überhitzung und praktische Anwendungen, was bedeutet, dass photonische Schaltkreise bei ausreichender Entwicklung dazu führen können, dass traditionellere elektronische Schaltkreise der fernen Vergangenheit angehören.
Was sind die realen Anwendungen der Photonik?
Die Photonik ist zwar ein relativ neues Gebiet, hat jedoch bereits heute viele Aspekte unseres Lebens verändert. Laser, Glasfasern, Kameras und Bildschirme auf Ihren Telefonen, optische Pinzetten, Beleuchtung in Autos und Privathaushalten, Computerbildschirme und Fernseher sind Beispielevon Technologie, die bereits irgendeine Form von photonischer Technologie integriert.
Eine der Hauptanwendungen der Photonik, insbesondere der integrierten Photonik, ist heute das Hochleistungsrechnen. Spezifische Beispiele wären die Server in großen Datenserverfarmen, die von großen Technologieunternehmen wie Google oder Amazon verwendet werden.
In diesen Anwendungen wird die Photonik verwendet, um große Datenmengen zwischen Hochleistungscomputern mit stark reduziertem Stromverbrauch und reduziertem Signalverlust als bei herkömmlichen elektronischen Alternativen zu übertragen. Dies reduziert nicht nur die Betriebskosten, sondern ermöglicht auch den höchstmöglichen Durchsatzvon Dateien.
Solche Anwendungen sind von entscheidender Bedeutung für unsere moderne Welt, in der viele Unternehmensdienste immer mehr auf solche Rechenzentren sowie auf Cloud Computing angewiesen sind.
Über das Rechnen hinaus hat die Photonik Anwendungen in vielen anderen Bereichen, von den medizinischen Wissenschaften bis zur Energieerzeugung.
In den medizinischen Wissenschaften wird die Photonik beispielsweise auf vielfältige Weise eingesetzt, unter anderem in der Chirurgie z. B. Augenchirurgie, bei der Entfernung von Tätowierungen und bei der chirurgischen Endoskopie. In Zukunft können optisch integrierte Schaltkreise durchaus zur Entwicklung kleinerer,kompakter, Biosensoren und andere implantierbare medizinische Geräte befreit von der Einschränkung der Elektronik.
In der Industrie hat die Photonik in Form von Lasern zu einer virtuellen Explosion neuer Herstellungstechniken wie Laserschweißen, Bohren, Schneiden, Ätzen und anderen Oberflächenmodifikationen geführt. Sie hat auch Anwendungen in der Qualitätssicherung und Überwachung von Produktionslinien gefundenund Management usw.
Ein weiterer Bereich, in dem die Photonik einen großen Einfluss hat, ist die Beleuchtung. Die Entwicklung von Festkörperbeleuchtung SSL wie LEDs und OLEDs hat die Lebensdauer und Kosteneffizienz künstlicher Beleuchtung in vielen Branchen und sogar in Ihrem eigenen Zuhause erheblich verlängert.
Und dies wird sich nur im Laufe der Zeit verbessern, da Forscher nach Wegen suchen, um die Lebensdauer, Effizienz und Qualität der Beleuchtung weiter zu verbessern. Regierungen aus der ganzen Welt helfen ebenfalls bei dieser Forschung.
Die EU zum Beispiel mit ihrer Green Deal-Initiative und Grünbuch zu SSL hat durch sein Engagement für SSL Anreize für die Erforschung von SSL geschaffen keine Nettoemissionen von Treibhausgasen bis 2050 Künstliche Beleuchtung trägt europaweit maßgeblich zu den Nettoemissionen bei und trägt schätzungsweise allein etwa 19% zu den Nettoemissionen bei.
Ersetzen traditionellerer Glühlampen mit Optionen wie LEDs kann dazu beitragen, erhebliche Mengen an Beleuchtung und Stromverbrauch einzusparen. LEDs bieten auch andere Vorteile gegenüber herkömmlicher Beleuchtung durch Steuerbarkeit Dimmen und Farbwechsel sowie durch ihre Robustheit.
Photonics bietet auch einige fantastische Möglichkeiten für Sicherheit und Schutz. Zum Beispiel photonische Fasersensoren kann zur Überwachung und Erkennung von strukturellen Defekten in Gebäuden oder für autonome Fahrsysteme verwendet werden.
Biometrische Systeme und Grenzsicherungssysteme profitieren auch von photonischen Technologien sowie allgemeiner Videoüberwachung und anderen Geräten zur Erkennung gefährlicher oder illegaler Güter auf Flughäfen. Sie können auch verwendet werden. Raumluftqualität überwachen oder bestimmte Krankheitserreger nachweisen wie zum Beispiel COVID-19.
Vor- und Nachteile der Photonik gegenüber der Elektronik
Wie wir bereits ausführlich beschrieben haben, bietet die Photonik einige sehr reale Vorteile gegenüber elektronischen Schaltungen.
- Eine der wichtigsten ist ihre relative Immunität gegen elektromagnetische Interferenzen EMI. Da die Photonik auf der Übertragung von Photonen beruht, ist die Signalverschlechterung über die Entfernung weniger problematisch. Solche Geräte sind auch relativ immun gegen andere Umwelteinflüsse wie Vibrationen.
- Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass photonische Systeme von Natur aus auch von den ständig auftretenden Problemen von Kurzschlüssen und Erdschleifen befreit sind, die mit elektrischen Schaltkreisen verbunden sind.
- Photonik ist in bestimmten Umgebungen auch viel sicherer als elektronische Schaltkreise - zum Beispiel in Bereichen mit großen Mengen brennbarer Materialien.
- Im Vergleich zur elektronischen Telekommunikation gelten photonische Signale im Allgemeinen auch als viel sicherer.
- Photonik bietet im Vergleich zur Elektronik auch eine viel größere potenzielle Bandbreite. Dies gilt sowohl für die allgemeine Telekommunikation als auch für zukünftige integrierte photonische Geräte.
- Photonische Geräte haben die Möglichkeit, viel kleiner, leichter und letztendlich billiger als elektronische Äquivalente zu werden. Sie verbrauchen außerdem weniger Strom und überhitzen sich viel seltener.
Die Photonik ist jedoch nicht frei von eigenen Problemen. Beispielsweise kann die Photonik noch nicht verwendet werden. elektrische Energieübertragung . Es gibt einige Untersuchungen zur Möglichkeit, Photonen für die drahtlose Energieübertragung zu verwenden, aber dies steckt noch in den Kinderschuhen und beruht auf der Umwandlung von Photonen in elektrischen Strom.
Dies ist von Natur aus verschwenderisch, und wenn ein Point-of-Use-Gerät an und für sich nicht vollständig photonisch ist, bleibt die Übertragung von Energie mithilfe von Photonen wahrscheinlich ein interessantes, aber möglicherweise letztendlich unpraktisches Forschungsgebiet, insbesondere wenn dies der Fall istfinanziell nicht lohnenswert, um die vorhandene Infrastruktur zu ersetzen.
Da es sich um ein relativ neues Forschungsgebiet handelt, sind die Herstellungskosten für Dinge wie integrierte photonische Bauelemente derzeit relativ hoch. Während dies durch Skalierung im Laufe der Zeit wahrscheinlich drastisch reduziert wird, ist es für Entwickler finanziell noch nicht tragbar, dies zu tunSchalter.
Wie wird die Photonik die Menschheit verbessern?
Abgesehen von den deutlichen Auswirkungen, die die Photonik wahrscheinlich auf Computer haben wird, gibt es noch andere Aspekte in unserem Leben, die die Photonik zu sehr realen Verbesserungen führen könnte?
Wie sich herausstellt, gibt es. Und ziemlich viele von ihnen.
Dieses aufregende Innovationsfeld hat bereits einige Erfolge erzielt, steht aber laut Experten auf diesem Gebiet erst am Anfang.
Während im Labor einige sehr begrenzte photonische Mikrochips hergestellt wurden, könnte die Entwicklung einer bisher schwer fassbaren praktischen photonischen Version des Mikrochips zu einer Art Quantensprung in der Technologie führen. Sogenannte "photonische Chips"Die Kombination der Übertragung, Verarbeitung und Umwandlung von photonischen Signalen zu und von elektrischen Signalen würde sich als revolutionär erweisen.
Im Handumdrehen könnten solche Chips optische Signale direkt auf die gleiche Weise verarbeiten und steuern, wie es integrierte Schaltkreise heute ermöglichen, elektronische Signale zu manipulieren. Dies ist zwar eindeutig auch für die Datenverarbeitung von Vorteil, würde jedoch auch in vielen anderen Bereichen zu massiven Verbesserungen führen.
Für Geräte wie optische Sensoren, wie sie beispielsweise in autonomen Autos zu finden sind, stehen plötzlich eine Vielzahl neuer Optionen zur Verfügung, die mit den heutigen elektronischen Versionen derzeit nicht möglich sind.
Für andere Bereiche, in denen das kleinstmögliche Gerät erforderlich ist, wie in den medizinischen Wissenschaften, wird sich die Photonik ebenfalls als sehr nützlich erweisen. Beispielsweise könnten ultrakleine Biosensoren gebaut werden, die viele Anwendungen von der Diagnostik bis zur tatsächlichen Gesundheitsversorgung haben.
Nicht nur das, sondern es könnte auch die sehr reale Möglichkeit einer nahtlosen Konnektivität zwischen lebenden Zellen und synthetischen menschlichen Geräten eröffnen. Dies liegt daran, dass einige Untersuchungen zeigen, dass Lebewesen Photonen für einige Kommunikationsfunktionen verwenden können, einige Hinweise darauf, dass Zellen tatsächlich Biophotonen als Mittel verwenden könnten, um Auslösen bestimmter Arten von Wachstum .
Obwohl dies umstritten bleibt, könnte die Photonik eines Tages in der Lage sein, dieses zellulare Kommunikationsnetzwerk zu nutzen. Die Möglichkeiten, die sich daraus für die zukünftige Forschung im Bereich der Medizintechnik eröffnen könnten, werden buchstäblich aufschlussreich sein.
Dies sind nur einige der Möglichkeiten, die die Photonik in nicht allzu ferner Zukunft bieten könnte. Zweifellos wird es auch in Zukunft viele andere völlig neuartige Anwendungen für noch unbekannte Probleme geben.
Wie bei jeder neuen Technologie ist die Zukunft der Photonik bisher nur die Zukunft offenbaren können.