Fotonika i technologie terahercowe

fot. newport.com

Artykuł omawia podstawowe cechy terahercowego pasma częstotliwości. Przedstawiono podstawowe charakterystyki układu terahercowego złożonego ze źródła promieniowania, ośrodków i linii transmisyjnych, układów przetwarzania sygnałów oraz detektorów. Taki układ znajduje zastosowania badawcze, a także praktyczne w dwóch obszarach: obrazowanie terahercowe transmisyjne i odbiciowe oraz radar terahercowy bliskiego zasięgu a także systemy czujnikowe w paśmie THz. W kraju uruchomiono ostatnio kilka projektów badawczych dotyczących źródeł i detektorów promieniowania THz oraz ich zastosowań, w tym duży projekt infrastrukturalny, inwestycyjny FOTEH na PW. Omówiono program projektu FOTEH w obszarze technologii terahercowych i potencjalne konsekwencje jego realizacji.

Autor: prof. dr hab. inż. Ryszard S. Romaniuk, Politechnika Warszawska, Instytut Systemów Elektronicznych

Pasmo, foton, energia i temperatura, charakterystyczny wymiar i czas fal terahercowych

Pasmo zajmowane przez światło widzialne (z niewielkimi przyległościami) zajmuje przedział częstotliwości ok. f = 300…800 THz, zakres długości fal λ=0,4…0,7μm, co odpowiada energii fotonu Ef = 2…3 eV. Fala EM milimetrowa λ = 1 mm posiada częstotliwość f = 300 GHz co odpowiada energii fotonu Ef = 1,24 meV. Zakres fal podczerwonych IR dzielono, ze względów technicznych, na podzakresy bliski NIR, średni MIR i daleki FIR.

Pasmo IR zajmuje umowny obszar λ = 1…100 μm co odpowiada częstotliwości w zakresie terahercowym f = 3…300 THz i energii fotonu 12,4 meV – 1,24 eV. Część obszaru IR w zakresie długości fal od ok. 10 do kilkudziesięciu μm nazywana jest zakresem promieniowania termicznego. Zupełnie umownie za pasmo terahercowe można przyjąć np. 0,1–10 THz, 0,3–30 THz, lub 0,3–100 THz.

Korzystając z podstawowych zależności energetycznych na energię fotonu i energię Boltzmanna: E f = hf = ħω i E = kBT, gdzie kB = 8,62*10-5 eV/K – stała Boltzmanna, h = 6,6261*10-34 J*s = 4,136*10-15 eV*s – stała Plancka, ħ = h/2π = 1,054*10-34 J*s = 6,582*10-16 eV*s = 197.327 MeV*Fm/c – zredukowana stała Plancka, stała Diraca, kwant momentu pędu, otrzymuje się przyrównując ħω = kBT ekwiwalentną energii (i długości fali) temperaturę fotonu. Dla częstotliwości f = 1 THz (1012 Hz) temperatura wynosi Tf ≈ 50 K, przy długości fali λ=0,3 mm, energii fotonu Ef = 4 meV, wartości liczby falowej. K = 2π/λ = 20 cm-1, oraz czasie charakterystycznym równym długości okresu fali T = 1 ps. Aby być w stanie zdetekować foton takiej fali przy pomocy detektora np. półprzewodnikowego lub bolometry musi być spełniony warunek ħω >> kBT, czyli w przypadku f = 1 THz, temperatura detekcji powinna być Td < 10 K. Fale terahercowe muszą być detekowane w warunkach kriogenicznych, w innym wypadku bardziej energetyczne fotony uniemożliwiają detekcję. Czasy charakterystyczne w paśmie terahercowym są rzędu ułamka pS, liczby falowe od kilkudziesięciu do kilkuset cm-1, energie fotonów kilkadziesiąt do kilkuset meV, temperatury charakterystyczne od kilkudziesięciu do kilkuset K.

Te wartości warto zamknąć klamrą szerszą. Od strony fal EM bardzo długich, fala o częstotliwości f = 0,3 Hz, posiada długość λ = 1Gm i ekwiwalentną energię fotonu Ef = 1,24 feV. Od strony fal bardzo krótkich, fala gamma o częstotliwości f = 3 ZHz (Zetta = 1021) posiada długość λ = 100 fm i energię fotonu Ef = 12,4 MeV. Fale RTG (X) umownie zamykamy w granicach długości fal λ = 10 pm…10 nm. Fale te z obu wymienionych krańców pasma dzieli między sobą 22 rzędy wielkości w zakresie długości, częstotliwości, energii fotonu. Najkrótsze spotykane w przyrodzie fale są pochodzenia astronomicznego i ich energia fotonu wynosi Ef = 1022 eV. Jeśli i te fale uwzględnimy to różnica wynosi aż 37 rzędów wielkości.

W tym bardzo szerokim zakresie energii fotonu, ekwiwalentnej temperatury fotonu, długości fal, i częstotliwości, oraz czasów charakterystycznych oddziaływanie fal EM z materią jest zasadniczo rożne. Dla fal terahercowych zakres energii fotonu jest ograniczony do poziomu meV. Jest to energia charakterystyczna dla drgań wielu układów molekularnych np. w związkach organicznych. Dla fal o długości λ = 0,01 μm ciało człowieka jest przezroczyste, z wyjątkiem kości. Dla fal termicznych o długości ok. λ ≈ 10 μm przezroczyste są niektóre tworzywa sztuczne, a na ciele człowieka widać rozkład temperatury. Dla fal o długości λ ≈ 100 μm duża część dielektryków, tkanin, itp. jest przezroczysta.

Ciało człowieka jest całkowicie widoczne pod ubraniem z dużą rozdzielczością, rzędu ułamka mm. Z tą cechą związana jest niedobra sława teraherców. Bezpośrednio obrazujący skaner terahercowy, gdyby taki właśnie zastosować na lotniskach i w innych punktach kontroli bezpieczeństwa, „rozbiera” człowieka z każdego ubrania.

W oddziaływaniu fali terahercowej z materią ważny jest wymiar geometryczny i skala czasu rzędu ułamka ps. W nanostrukturach (które są badane do budowy nanomateriałów i metamateriałów) skala energii i częstotliwości jest właśnie w obszarze teraherców. Dotyczy to takich energii jak np. ograniczenia poziomów, pewnych rodzajów drgań molekularnych, Fermiego, cyklotronowej, częstotliwości precesji spinu w silnych polach magnetycznych, energii wzbudzeń kolektywnych jak plazmonów. Czasy przejścia nośników przez struktury nanometryczne są rzędu ps. W zakresie podczerwieni dla częstotliwości f = 1…10 THz zachodzą molekularne przejścia wibracyjne. W zakresie terahercowym f = 1…10 THz w wielu materiałach zachodzą molekularne przejścia rotacyjne.

Rozmaitość drgań molekularnych jest znaczna i obejmuje np. rozciąganie symetryczne i antysymetryczne, drgania nożycowe, wahadłowe, wychylne, skrętne, obrotowe. W rezultacie, materiały molekularne posiadają bogate, złożone i indywidualne sygnatury spektralne w zakresie podczerwieni i terahercowym. Pasma absorpcyjne dla najczęstszych mostków organicznych jak N-H, O-H, C-C, C-N, C-O, występują w podczerwieni dla liczb falowych rzędu kilku tysięcy. Gdy do mostka przyłączony jest cięższy atom to pasmo absorpcji jest w obszarze terahercowym. Zjawisko precesji Larmora zachodzi z częstotliwością ω = -γB, gdzie B-pole magnetyczne, γ = -eg/2 m – współczynnik żyromagnetyczny. To zjawisko, zachodzące w paśmie terahercowym, wykorzystywane jest w takich badaniach jak: NMR, EPR, ESR.

Charakterystyka spektralna promieniowania ciała doskonale czarnego, opisana rozkładem Plancka, dla temperatury ok. 3000K posiada maksimum w obszarze światła widzialnego. Dla temperatury pokojowej to maksimum przesuwa się do ok. 10 μm, a więc w obszar fal IR i przy dalszym obniżaniu T w obszar fal terahercowych. Ostatecznie, dla temperatury promieniowania tła kosmicznego T = 2,73K maksimum jest przesunięte do mikrofal – fal centymetrowych λ≈5 cm. Atmosfera jest nieprzezroczysta dla fal terahercowych, głównie z powodu silnej szerokopasmowej absorpcji przez H₂O i licznych wąskich pasm absorpcji przez CO. Zasięg wiązki terahercowej w wilgotnym powietrzu także jest niewielki. Istnieją pewne wąskie terahercowe pasma spektralne, dla których atmosfera jest nieco bardziej przezroczysta.

Źródła, detektory, kolimatory i system terahercowy

Źródłem promieniowania terahercowego mogą być lampy mikrofalowe typu żyratrony (która jest rodzajem FEL), karcinotron (BWO, lampa o fali wstecznej), Laser FIR (gazowy organiczny), laser na swobodnych elektronach FEL, synchrotron, oraz wykorzystanie takich zjawisk jak mieszanie fotoniczne, fotoprzewodnictwo, rektyfikacja optyczna, generacja superkontinuum. W przypadku generacji synchrotronowej warunkiem uzyskania terahercowego promieniowania koherentnego jest mały wymiar zgęstki elektronowej w pierścieniu akumulacyjnym, tak aby generowane z niej promieniowanie było w fazie. Z wiązki rozciągłej promieniowanie będzie miało różną fazę. Zaletą źródła synchrotronowego są jego szerokie możliwości przestrajania długości fali i duże natężenie wiązki. Wadą źródła synchrotronowego są jego znaczne wymiary i koszty. 

Wydajnym i miniaturowym źródłem fali THz jest tzw. emiter fotokonduktacyjny. Utworzona na podłożu dielektrycznym antena dipolowa o szczelinie 50 μm jest pobudzana impulsem optycznym o dużej mocy. Dipol posiada rozmiary dobrane do generacji fali terahercowej tak, że następuje w nim przemiana częstotliwości i generowany jest impuls fali THz. Czas trwania wielobiegunowego impulsu THz wynosi ok.1 ps lub mniej a widmo częstotliwości może rozciągać się od ok. 0,5 THz do kilku THz. 

W laserze półprzewodnikowym generacja fali fotonowej następuje w wyniku rekombinacji międzypasmowej. Tak więc generacja fali terahercowej możliwa jest jedynie w materiałach o bardzo wąskiej przerwie energetycznej i tylko w temperaturach kriogenicznych. Półprzewodnikowy kwantowy laser kaskadowy QCL posiada uformowany obszar złącza w postaci wielu studni kwantowych o niewielkich lokalnych wartościach przerwy energetycznej. Fala THz może być generowana z każdej z tych studni i jeśli warunki wymiarowe i generacji są dobrane odpowiednio to może być to fala koherentna. Z laserów QCL uzyskiwano generację fali o f = 1…5 THz o mocy w impulsie Pimp = 1…20 mW, przy maksymalnej temperaturze pracy 50…150K. Uzyskiwano także generację fali THz z innych źródeł jak: lasery QCL z rektyfikacją wewnętrzną, bezpośrednia rektyfikacja optyczna w elemencie półprzewodnikowym, lasery światłowodowe, lasery Ti: Al2O3, fotomieszanie, lasery CO2, lasery DFB. Generowane częstotliwości były w obszarze od 0,1 THz do ponad 5 THz moce w zakresie od μW do mW. Nowe rozwiązania laserów QCL mogą pracować w temperaturach pokojowych. Do budowy terahercowych laserów światłowodowych wykorzystuje się fotoniczne światłowody organiczne typu mPOF. Światłowody takie mogą być jednodomowe dla fal THz.

System THz do celów badawczych składa się z lasera femtosekundowego zasilającego emiter THz i analizator THz, układu synchronizacji, optycznej linii opóźniającej, fotoprzewodzącego emitera THz pobudzanego laserem, układu z szeroką wiązką THz, kolimatora THz, odbiornika THz w którym wiązka laserowa na płytce ZnTe pełni funkcję analizatora wiązki THz, oraz kamery CCD. Próbka badana, np. w postaci komórki gazowej, w polu wiązki THz jest ustawiana za źródłem w obszarze kolimatora. We wiązkę THz wstawiane są także pastylkowe rezonatory wieloczęstotliwościowe pracujące z falą typu WGM (ślizgowe mody skośne) dla częstotliwości optycznych i THz. Dobierając odpowiednie wymiary rezonatora można doprowadzić do powstania fali stojącej THz i optycznej i odpowiedniego mieszania fal i powstania częstotliwości sumacyjnych i różnicowych. Odbiornik THz może być zbudowany analogicznie do nadajnika fotokonduktywnego lub jako antena pola bliskiego a także w postaci tranzystora mikrofalowego typu FET pracującego jako fotorektyfikator. System spektroskopowy lub tomograficzny THz może być miniaturyzowany i adptowanych do różnych warunków pracy. Na przykład, w niektórych rozwiązaniach wiązka optyczna służąca do pobudzenia emitera THz i polaryzacji matrycowego detektora THz może być doprowadzona do nich włóknem optycznym. Samo włókno optyczne jest zakończone emiterem THz. Światłowodowy przesuwnik fazowy służy jako linia opóźniająca synchronizująca procesy nadawana i odczytu impulsu THz w systemie.

Źródło generuje wiązkę rozbieżną więc powinno współpracować z kolimatorem THz. Materiał kolimatora musi być przezroczysty dla fal THz i powinien mieć współczynnik załamania na tyle duży aby skutecznie wykonywać operację kolimacji wiązki. Takie kolimatory z tworzyw sztucznych są produkowane komercyjnie. Kolimacja wstępna wiązki THz może być dokonana także bezpośrednio w laserze np. QCL poprzez utworzenie struktury plazmonowej na powierzchni wyjściowej lasera. Plazmonika jest techniką manipulacji polarytonów powierzchniowych. Polaryton jest kolektywną oscylacją elektronów na powierzchni metalu podczas oddziaływania z falą EM. Zlokalizowany polaryton powoduje powstanie lokalnie dużych gradientów pola optycznego lub THz rozproszonego przez nanocząstki metalu zawieszone w niskostratnej matrycy dielektrycznej. Polaryton może istnieć na planarnym interfejsie pomiędzy metalem i dielektrykiem. Lokalna gęstość elektronów może być sprzężona z falą EM. Rozkład polarytonów np. periodyczny może decydować o właściwości powierzchni materiału. Techniki plazmoniki teraheterahercowej zastosowano do poprawy jakości wiązki laserów QCL.

Czy teraherce są bezpieczne?

Czy teraherce są bezpieczne? Tego oczywiście na razie do końca nie wiadomo. Konieczne są liczne testy rozłożone w czasie. Na pewno nie posiadają zdolności jonizacyjnych przy tak niskich wartościach energii fotonu. Na pewno posiadają właściwości termiczne szczególnie dla większych natężeń. Bada się obecnie ich mechanizmy oddziaływania z strukturami wewnątrzkomórkowymi takimi jak jądro, RNA, DNA, poszczególne rodzaje wiązań w związkach białkowych i tłuszczach. Bada się także łączne efekty pobudzenia optycznego i THz. Modelowane są interakcje fali THz z helisą DNA. Poszukiwane są możliwości oddziaływań nieliniowych, rezonansowych, które potencjalnie mogłyby prowadzić do zjawisk rozplatania helisy. Bada się modele generacji bąbli w helisie blokujących replikację DNA i ekspresję genową. Jak do tej pory brak jest silnych potwierdzeń eksperymentalnych wymienionych zjawisk.

Zastosowania teraherców

Zastosowania THz w systemach bezpieczeństwa wykorzystują kilka podstawowych mechanizmów oddziaływania tych fal z materią. Bardzo rozbudowane i ściśle indywidualne sygnatury spektralne niektórych związków chemicznych powalają na ich zdalną identyfikację. Takie związki obejmują np. niektóre trucizny, wiele materiałów organicznych, tworzywa sztuczne, plastykowe materiały wybuchowe, gazy, kosmetyki zapachowe i wiele innych. Teraherce umożliwiają ‘widzenie’ przez dielektryczne ściany, np. ceglane. Mogą być wykorzystywane do obrazowania scen za niektórymi rodzajami przeszkód. Budowane są terahercowe radary krótkiego zasięgu np. do penetracji suchej ziemi, piasku, niektórych rodzajów skał. Radary terahercowe mogą być aktywne i bierne. Tomografia terahercowa może służyć do prześwietlania tworzyw sztucznych, tworzenia obrazów 3D takich materiałów oraz badania ich struktury wewnętrznej.

Zastosowania THz w diagnostyce medycznej dotyczy szczególnie badań nowotworowych skóry i nabłonka, a więc tkanek powierzchniowych. Przewiduje się zastosowania śród-operacyjne np. do diagnostyki komórkowej, szybkiej detekcji mutacji sekwencji DNA, obrazowanie fragmentów powierzchni ciała. W stomatologii testowane są rozwiązania terahercowego „rentgena”, nie obciążającego pacjenta i lekarza, a służącego do prześwietlania zębów z rozdzielczością submilimetrową.

Zastosowania THz w badaniach nieniszczących dotyczą takich materiałów konstrukcyjnych używanych w budownictwie mieszkaniowym, a także w budowie pojazdów, łodzi, samolotów i innych przedmiotów, np., nart jak tworzywa sztuczne, ceramika, drewno, laminaty, materiały kompozytowe, metamateriały, itp.

Zastosowania THz w inżynierii chemicznej dotyczą głównie chemii organicznej i biochemii. Możliwe jest rozróżnianie długich molekuł organicznych i stanu ich przemian np. stopnia monomeryzacji i polimeryzacji. Badane są możliwości śledzenia niektórych reakcji chemicznych. W przypadku polimorfizmu w materiale THz umożliwiają rozróżnianie substancji izomorficznych. Bada się możliwości rozróżniania stanu substancji trudnego lub niemożliwego do rozróżnienia innymi metodami np. chemicznymi: krystaliczny, amorficzny, hydratyzowany, rozpuszczony, ciekłokrystaliczny. Jako przykład unikalności zakresu fal THz w detekcji substancji polimorficznych podaje się sulfathlazol. Posiada on aż pięć form polimorficznych, bardzo trudnych do rozróżnienia klasycznymi metodami chemicznymi. Spektroskopia THz w paśmie k = 20…90 cm-1 ujawnia natychmiast i z łatwością wszystkie te formy. Różnice w spektrum terahercowym odmian sulfatiazolu są rzędu 10 cm-1 a więc łatwe do detekcji. Podobna sytuacja występuje w przypadku wielu substancji do syntezy tworzyw sztucznych, materiałów kompozytowych, pokryć warstwowych, farb, kosmetyków, lekarstw.

Zastosowania THz w przemyśle farmaceutycznym związane są z technologiami wytwarzania i testowania tzw. lekarstw inteligentnych. Wykorzystywana jest odbiciowa i transmisyjna spektroskopia terahercowa a także obrazowanie tomograficzne 3D. Inteligentne lekarstwa, np. w postaci pigułek, posiadają złożoną strukturę wewnętrzną, np. wielowarstwowe pokrycia uwalniające lek w odpowiednich częściach przewodu pokarmowego. Przy pomocy spektroskopii i obrazowania THz badana jest np. integralność pokryć wielowarstwowych.

Zastosowania THz w przemyśle półprzewodnikowym dotyczą badania zanieczyszczeń materiałów, pomiarów i obrazowania koncentracji nośników, poziomów domieszkowania, ruchliwości nośników. Możliwe jest, zupełnie odmienne od klasycznego, mapowanie parametrów waferów.

Zastosowania THz w mikroskopii i spektroskopii otwierają nowe metody obrazowania. Mikroskopia w zakresie THz jest naturalnym zastosowaniem tej techniki analogicznym do technik optycznych i w zakresie IR. W paśmie THz ujawniają się inne faktury obserwowanego obiektu. THz budzą nadzieję w zastosowaniach do mikroskopii i spektroskopii bliskiego pola zanikającego obiektów biologicznych tzw. technika EWS. Budowane są i testowane spektroskopy THz w dziedzinie czasu TDS i częstotliwości FDS. Prowadzone są testowa badania materiałów w silnych polach magnetycznych ze względu na to, że częstotliwość Larmora mieści się w paśmie THz.

Zastosowanie THz w telekomunikacji może dotyczyć np. wolnej przestrzeni na krótkie zasięgi, a na dalekie zasięgi w przestrzeni kosmicznej. W ultra-szerokopasmowych systemach transmisyjnych otwartych optycznych i kablowych światłowodowych sygnał terahercowy moduluje nośną falę optyczną. Do detekcji fali w odbiorniku oraz do modulacji w nadajniku stosowane są lokalne oscylatory terahercowe. 

Astronomia terahercowa (nazywana raczej submilimetrową) naziemna jak i satelitarna jest dziedziną intensywnie rozwijaną. Obejmuje techniki radioteleskopowe i interferometryczne. Dotyczy obserwacji obiektów o temperaturze 10–20 K. Największe teleskopy pracujące w tym paśmie częstotliwości to obserwatorium Uniwersytetu CalTech Mauna Kea Sub-mm, Teleskop James Clerk Maxwell, obserwatorium Sub-millimetre Array SMA oraz najnowsze z nich i największe ALMA – Atakama Large Millimetre Array. Kilka z satelitów obserwacyjnych posiada urządzenia THz. Pierwszym był satelita NASA SWAS – Submillimetre Wave Astronomy Satellite obserwujący w paśmie 0,5 THz. Obecnie obserwacje prowadzi także w paśmie THz satelita ESA Herschel Space Observatory.

Fotonika klasyczna i fotonika terahercowa

Słowo fotonika, jako nazwa dziedziny nauki i techniki funkcjonuje szerzej w literaturze światowej od ponad 20 lat. Jako pierwsze zostało wprowadzone do obiegu przez czasopismo techniczne o zasięgu światowym Photonics Spectra (przemianowane z Optical Spectra). Obecnie funkcjonuje jako synonim, integrator takich dziedzin jak optyka i optoelektronika, technika laserowa, telekomunikacja światłowodowa i innych.

Rozwój technik fotoniki, obserwowany w ostatnich dwóch dekadach, zaowocował niezwykle szeroką gamą rozwiązań technicznych, które wywierają ogromny, choć często nieuświadomiony, wpływ na nasze codzienne życie. Tak jak elektronikę uważa się za technologię XX wieku, fotonika wydaje się być technologią wieku XXI. Materiały o kontrolowanych właściwościach optycznych są szeroko wykorzystywane w nauce, technice, przemyśle i medycynie, stanowią również fundament współczesnych systemów telekomunikacyjnych i informatycznych, łącząc w sobie zalety ogromnych pojemności informacyjnych oraz szybkości przesyłania i przetwarzania informacji.

Obszar badań szeroko rozumianej fotoniki systematycznie się poszerza wkraczając w kolejne dziedziny, odległe od klasycznie pojmowanych technik fotonicznych – można tu wskazać układy tzw. fotoniki scalonej, będące odpowiednikiem układów elektroniki scalonej, układy równoległego przetwarzania informacji, kryptografii kwantowej i wiele innych. 

Fotonika jest dziedziną nauki i techniki której przedmiotem badań i aplikacji jest foton fali elektromagnetycznej, jego ruch i oddziaływanie z materią. Długość fali fotonu jest z zakresu od ultrafioletu do dalekiej podczerwieni, to znaczy w przybliżeniu od 0,1…30 μm (3 PHz–10 THz). Fotonikę „optyczną” i podczerwoną uzupełniamy pasmem terahercowym, które umownie przyjmujemy w zakresie ok. 0,1…10 THz. Fotonika terahercowa to długości fal ok. 3 mm–30 μm. Pasmo spektralne w okolicach 10 μm często nazywane jest pasmem termicznym, gdyż w tym obszarze występuje maksimum promieniowania ciała doskonale czarnego. Całkowity obszar spektralny fotoniki od tzw. pasma THz do pasma UV obejmuje bardzo szeroki zakres częstotliwości 1011…1015 Hz, a więc cztery dekady. Energia fotonów fali w tym zakresie zawiera się od ok. 1 meV do 10eV. Oddziaływanie fotonów z materią o tak szerokim zakresie energii jest zasadniczo różne. Generacja i detekcja fotonów o tak szerokim zakresie energii jest również zasadniczo różna dla różnych długości fali fotonu. Dalej pod pojęciem fotonika będziemy rozumieli zakres długości fal (a więc również częstotliwości i energii fotonu) określony powyżej. W zależności od konkretnego pasma będzie mowa o fotonice UV (0,1…04 μm), pasma widzialnego (0,4…0,7 μm), bliskiej podczerwieni (0,7–2μm), średniej podczerwieni (2…15 μm), dalekiej podczerwieni (15…30 μm), oraz terahercowej (30 μm – 3 mm).

We współczesnej fotonice wyróżniamy szereg głównych dziedzin – obszarów badań. Obszary te związane są z poszczególnymi technologiami wytwarzania elementów, rodzajami materiałów, rodzajami nośników fali, grupami elementów fotonicznych, sposobami działania urządzeń i systemów, bądź aplikacjami.

Fotonika światłowodowa dotyczy światłowodów włóknowych i obejmuje kilka dziedzin jak: technologia światłowodów szklanych i polimerowych, telekomunikację światłowodową, światłowody nietelekomunikacyjne – instrumentacyjne, czujniki światłowodowe, elementy światłowodowe, przetwarzanie sygnałów w światłowodach, elementy bezpośrednio współpracujące ze światłowodami, złożone układy światłowodowe, itp.

Fotonika zintegrowana dotyczy funkcjonalnych układów fotonicznych zrealizowanych w technologii planarnej o wysokiej skali integracji. Podłożem jest dielektryk, półprzewodnik lub podłoże jest hybrydowe. Funkcje wypełniane przez zintegrowane planarne układy fotoniczne są analogiczne do funkcji układów elektronicznych VLSI z uwzględnieniem jednak znacznej odmienności właściwości fali świetlnej od prądu elektrycznego. Ta odmienność to przede wszystkim brak możliwości magazynowania światła w kondensatorze optycznym, ograniczona możliwość spowolnienia biegu światła (w materiale od bardzo dużej refrakcji, np. generowanej dynamicznie), trudności w dowolnej zmianie kierunku biegu wiązki światła, itp. Ważną różnicą jest możliwość wykonywania operacji matematycznych (np. transformaty Fouriera) na wiązce światła niosącej w sposób równoległy informację obrazową.

Fotonika laserowa i wiązek światła dotyczy badań i zastosowań dyskretnych laserów oraz wiązek fotonów w otwartej przestrzeni. Lasery stanowią źródła fali dla samodzielnych zastosowań oraz dla innych urządzeń fotonicznych. Fotonika laserowa obejmuje rozwój i zastosowania laserów i wiązek fotonów. Specyficzne zastosowania obejmują: obróbkę materiałów, mikroobróbkę precyzyjną, radar laserowy, teledetekcję przy pomocy wiązki laserowej, dalmierze laserowe, laserowa detekcja obecności obiektów ruchomych, zastosowania terapeutyczne i diagnostyczne wiązki światła laserowego, itp.

Fotonika półprzewodnikowa dotyczy fotonicznych i optoelektronicznych elementów wykonanych z półprzewodników. Na ogół 136 Elektronika 11/2011 są to elementy dyskretne jak diody elektroluminescencyjne, super-elektroluminescencyjne, lasery półprzewodnikowe, fotodiody, regulowane tłumiki optyczne, inne fotoniczne elementy funkcjonalne, źródła THz, itp.

Fotonika instrumentalna dotyczy budowy, często dyskretnych funkcjonalnych elementów optyczno–fotoniczno–optoelektronicznych, a także elektrycznych i mechanicznych posiadających np. zastosowania czujnikowe lub inne zastosowania związane z przetwarzaniem sygnałów, telemetrią, budową sieci optycznych, itp. Przykładami takich elementów, urządzeń i systemów są np. optoelektroniczne układy typu lab-on-a-chip, lab on an optical capillary, (laboratorium zintegrowane w światłowodzie kapilarnym), także układy typu MOEMS, gdzie integracji podlega system elektryczny, mechaniczny, elektryczny i fotoniczny. Dziedzina fotoniki instrumentalnej jest oczywiście ściśle powiązana z fotoniką zintegrowaną, światłowodową i półprzewodnikową.

Fotowoltaika dotyczy kompleksu zagadnień generacji prądu elektrycznego z promieniowania słonecznego przy wykorzystaniu zjawiska fotowoltaicznego. Fotowoltaika jest intensywnie rozwijana z powodów ekologicznych mimo stosunkowo wysokich kosztów. Pod względem technologicznym fotowoltaika dotyczy produkcji jak najtańszych ogniw fotowoltaicznych: krzemowych monokrystalicznych, polikrystalicznych, drukowanych na szkle, organicznych – polimerowych, itp. Fotowoltaika należy do grupy technik wytwarzania energii elektrycznej ze źródła odnawialnego, jakim jest energia promieniowania słonecznego.

Fotonika obrazowa dotyczy wszelkich technik generacji, transmisji, przetwarzania, akwizycji, prezentacji, itp. obrazów rzeczywistych i sztucznych. Jest to dziedzina rozwijająca się bardzo dynamicznie i obejmująca coraz to nowe techniki obrazowania. Można tutaj wymienić:

• techniczne podłoże metod obrazowania jak matryce LCD i plazmowe, matryce OLED, CRT,
• obrazowanie optyczne, rentgenowskie, tomograficzne, magnetyczne, PET, ultradźwiękowe, holograficzne, laserowe skanery obrazujące, terahercowe,
• metody i algorytmy prezentacji i przetwarzania obrazów, grafika komputerowa,
• zastosowania w biometrii, identyfikacji obiektów, 2D i 3D, przemysłowe, wojskowe, systemach M2M i uczenia maszynowego.

Fotonika terahercowa jest dziedziną relatywnie nową. Ze względu na szeroki zakres częstotliwości nie jest dziedziną fizycznie i technicznie jednorodną. Fotonika klasyczna obejmuje umownie obszar długości fali ok. 0,3…3 μm (jedną dekadę zmian), podczas gdy fotonika terahercowa ok. 3 mm-30 μm (2 dekady zmian). Obszar pośredni jest nazywany daleką podczerwienią i może być zaliczony zarówno do fotoniki klasycznej jak i do fotoniki terahercowej. Od strony małych częstotliwości fotonika terahercowa jest pokrewna technice mikrofalowej. Od strony dużych częstotliwości posiada właściwości promieniowania termicznego. Wraz z rozwojem technologii źródeł i detektorów fali z zakresu od pojedynczych do kilkudziesięciu THz, fotonika terahercowa może ulec integracji z fotoniką klasyczną.

Projekt FOTEH

Na terenie WEiTI Politechniki Warszawskiej realizowany jest projekt infrastrukturalny FOTEH – Fotonika i Techniki Terahercowe. Obejmuje następujące laboratoria: Fotoniki Instrumentalnej i Scalonej, Spektroskopii Laserowej, Fotoniki Obrazowej, Przetwarzania obrazów, Wizualizacji danych, Badań Materiałowych w pasmach GHz i THz, Układów Programowalnych, Robotyki, Biometrii i Uczenia Maszynowego, Telekomunikacji Fotonicznej, Systemów Pomiarowo-Kontrolnych, Techniki Terahercowej i Techniki Antenowej.

Fotonika Instrumentalna i Fotonika Scalona

Laboratorium Fotoniki Instrumentalnej i Fotoniki Scalonej to unikatowe w skali europejskiej laboratorium technologiczno-pomiarowe specjalizujące się w wytwarzaniu podzespołów światłowodowych oraz wszechstronnych pomiarach struktur światłowodowych. Wyposażenie laboratorium, obejmujące zaawansowaną aparaturę do zapisu struktur periodycznych i charakteryzacji elementów światłowodowych (w tym mikro- i nanostrukturalnych), elementów fotoakustycznych oraz zaawansowanych układów fotoniki scalonej, pozwoli na poszerzenie tematyki badawczej WEiTI PW i skierowanie jej w kierunku najnowszych technologii mikro- i nanofotonicznych. 

Spektroskopia Laserowa Materiałów Fotonicznych

Rozbudowywane w ramach projektu Laboratorium Spektroskopii Laserowej Materiałów Fotonicznych zapewnia możliwości wszechstronnej charakteryzacji metodami wysokorozdzielczej spektroskopii laserowej nowych materiałów optycznych, przeznaczonych do zastosowań w układach fotonicznych. Prace badawcze, realizowane w tym laboratorium stanowią niezbędne uzupełnienie i niejednokrotnie wstęp do dalszych badań elementów i systemów fotonicznych, realizowanych w największym module Centrum Badawczego, tj. Laboratorium Fotoniki Instrumentalnej i Fotoniki Scalonej.

Fotonika Obrazowa

Modernizowane laboratorium Fotoniki Obrazowej skoncentrowane jest na zagadnieniach projektowania i rozwoju układów, systemów, nowych metod i algorytmów pozyskiwania, przetwarzania oraz wizualizacji sekwencji obrazów trójwymiarowych. Główne obszary podejmowanych prac badawczych obejmują opracowywanie nowych technologii analizatorów i systemów akwizycji danych obrazowych w szerokim zakresie długości fal dla różnych właściwości promieniowania do zastosowań przemysłowych, pomiarowych i multimedialnych oraz opracowywanie nowych rozwiązań w zakresie pozyskiwania i obrazowania 3D.

Badania Materiałowe w Zakresie GHz oraz THz

Rozwój Laboratorium Badań Materiałowych w Zakresie GHz i THz pozwoli na istotne poszerzenie bazy doświadczalnej Wydziału w kierunku badań materiałów w zakresie fal milimetrowych i submilimetrowych. Zakupione przyrządy pomiarowe, uzupełnione o unikalne głowice pomiarowe własnej konstrukcji (w których konstruowaniu zespół badawczy ma renomę na skalę światową) pozwolą m.in. na badania stechiometryczne materiałów, przydatne przy ustalaniu związków pomiędzy budową wewnętrzną materiału a jego mierzalnymi parametrami, istotnie zwiększając potencjał badawczy Wydziału możliwy do zaangażowania w projektach naukowych i badaniach przemysłowych.

Projektowanie i Prototypowanie Układów Przetwarzania Informacji w Strukturach Programowalnych

Laboratorium Projektowania i Prototypowania Układów Przetwarzania Informacji w Strukturach Programowalnych jest laboratorium wspierającym prace badawcze w Laboratorium Fotoniki Instrumentalnej i Fotoniki Scalonej. Opracowywanie rozwiązań z dziedziny fotoniki najczęściej wymaga zastosowania układów cyfrowych o ogromnych mocach obliczeniowych, przetwarzających informacje w czasie rzeczywistym. Ze względu na złożoność algorytmów obliczeniowych stosowanych w przetwarzaniu sygnałów cyfrowych i informacji często niezbędne jest wykorzystanie specjalizowanych systemów cyfrowych, gdyż procesory ogólnego przeznaczenia jak również procesory sygnałowe nie dostarczają wystarczającej mocy obliczeniowej.

Zastosowanie fotoniki w Robotyce

Robotyka jest obszarem zastosowań dla wielu zaawansowanych technologii z zakresu fotoniki, w szczególności dla systemów sensorycznych oraz systemów transmisji, przetwarzania i gromadzenia dużej ilości danych. Zakres prac prowadzonych w Laboratorium Robotyki obejmuje zagadnienia badawcze związane z percepcją środowiska z wykorzystaniem różnych czujników, budową modeli otoczenia, nawigacją autonomiczną, manipulacją obiektami, w tym manipulacją dwuręczną oraz komunikacją wielomodalną z człowiekiem.

Biometria i Uczenie Maszynowe

Prowadzone w Laboratorium prace badawcze koncentrują się na urządzeniach i systemach biometrycznej weryfikacji tożsamości, ze szczególnym uwzględnieniem zagadnień bezpieczeństwa przy wykorzystaniu autorskich metod rozpoznawania tożsamości oraz testowania autentyczności danych biometrycznych. Osobny nurt badań prowadzonych w Laboratorium stanowią techniki uczenia maszynowego. Zakup dodatkowej specjalistycznej aparatury badawczej pozwoli na zintensyfikowanie prac w zakresie biometrii, biokryptografii oraz uczenia maszynowego, adaptacyjnego sterowania, sztucznej świadomości i percepcji.

Testbed Telekomunikacyjnej Sieci Fotonicznej

W laboratorium prowadzone będą badania nad nowymi technologiami opto-telekomunikacyjnymi obejmującymi m.in. systemy transmisyjne o wysokich przepływnościach i pojemnościach, rekonfigurowalne sieci optyczne, sieci dostępowe oraz systemy in-house. Laboratorium zostanie wyposażone w najnowocześniejsze urządzenia pomiarowe, jak tester BER, generatory i analizatory sygnałów mikrofalowych i optycznych oraz wszelkie niezbędne komponenty optoelektroniczne. Stworzenie laboratorium znacząco wpłynie na rozwój współpracy z krajowymi i zagranicznymi podmiotami naukowo-gospodarczymi w dziedzinie opto-telekomunikacji.

Analiza danych obrazowych i wizualizacja danych

Laboratorium analizy danych obrazowych i wizualizacji danych jest pomyślane jako laboratorium wpierające analizę i interpretację danych, w tym danych obrazowych, zebranych w trakcie wykonywania badań w obszarze fotoniki. Laboratorium to zapewni odpowiednie środowisko do przeprowadzania prac badawczych dotyczących metod automatycznego przetwarzania danych obrazowych i rozpoznawania obiektów dostosowanych do specyfiki danych z dziedziny fotoniki oraz metod wizualizacji danych wielowymiarowych ukierunkowanych na ułatwienie interpretacji wyników eksperymentów z obszaru fotoniki.

Wsparcie informatyczne badań w obszarze fotoniki

Laboratorium wsparcia informatycznego badań w obszarze fotoniki ma na celu zapewnienie kompleksowego wsparcia badań w obszarze fotoniki od strony informatycznej. Wsparcie to rozumiane jest jako dostarczanie narzędzi informatycznych potrzebnych bądź usprawniających przeprowadzanie badań w obszarze fotoniki oraz zapewnienie narzędzi i wykonywanie analiz danych zebranych w trakcie realizacji eksperymentów szeroko rozumianymi metodami eksploracji danych. Laboratorium będzie się składało z dwóch pracowni: pracowni projektowo-programistycznej do tworzenia oprogramowania oraz pracowni eksploracji danych dedykowanej analizie danych.

Fotoniczne Systemy Pomiarowo-Kontrolne

Zadaniem laboratorium będzie kompleksowa integracja techniki fotonicznej z rekonfigurowanymi, szybkimi i wielokanałowymi systemami pomiarowo-kontrolnymi o terabitowych przepustowościach. Wyposażenie laboratorium w nowoczesny sprzęt pomiarowy, stanowiska uruchomieniowo-testowe oraz urządzenia montażowe do PCB umożliwi działalność laboratorium w zakresie badania parametrów wykorzystywanych technologii fotonicznych, integracji fotonicznych systemów transmisji danych z układami FPGA i technologią PCB oraz kompleksowego projektowania, optymalizacji, symulacji i testowania fotonicznych systemów pomiarowo-kontrolnych, w warstwie aparaturowej, firmware’owej i software’owej. 

Technika Terahercowa

Laboratorium ma umożliwiać projektowanie, realizację i pomiary układów i systemów wielkiej częstotliwości na pasmo od 10 MHz do 0,5 THz. Docelowe wyposażenie pomiarowe, obejmujące wysoko stabilne źródła, odbiorniki i analizatory sygnałów, wielokanałowy nieliniowy wektorowy analizator obwodów i stację do pomiarów „on-wafer”, w połączeniu z nowoczesnymi symulatorami obwodów i pola elektromagnetycznego, wyposażeniem do projektowania i szybkiego prototypowania obwodów drukowanych pozwoli na istotne zwiększenie potencjału badawczego zespołu i podjęcie nowych tematów badawczych z zakresu zaawansowanych technologii terahercowych.

Technika Antenowa 

Planowana modernizacja Laboratorium przełoży się bezpośrednio na możliwość uzyskania nowych jakościowych rezultatów, głównie poprzez badanie anten fotonicznych oraz opracowanie systemów obrazujących i radarowych. Rozszerzenie zakresu częstotliwości laboratorium do pasma terahercowego wraz z nowymi urządzeniami badawczymi, otworzy przed zespołem badawczym nowe horyzonty i umożliwi prowadzenie badań istotnych w skali światowej. Należy spodziewać się także zainteresowania wynikami prac prowadzonych w Laboratorium ze strony krajowych i zagranicznych jednostek naukowo-badawczych i przemysłowych.

Literatura:

[1] R.S. Romaniuk, R.Piramidowicz (red.), Fotonika i technologie terahercowe, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2010.

[2] M. Anwar et al., Terahertz physics, devices and systems, Proc.SPIE 8023 (2011).

[3] Y-S. Lee, Principles of terahertz science and technology, Springer 2010.

[4] W.M. Robertson, Optoelectronic techniques for microwave and millimeterwave engineering.

[5] D. Mittleman (Ed.), Sensing with terahertz radiation, Springer, 2010

[6] D.L. Woolard, et al., (Ed.), Terahertz sensing technology, World Scientific, 2010.

[7] G. Gruner (Ed.), Millimeter and submillimeter wave spectroscopy of solid, Springer, 200.

[8] TWITTER THzNetwork: http://twitter.com/THzNetwork

[9] IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, Vol.1, No.1., September 2011.

[10] J. Dorosz, R. Romaniuk, Optica Applicata 28 (4), pp. 267–291 (1998).

[11] J. Dorosz, R.S. Romaniuk, Optica Applicata 28 (4), pp. 293–322 (1998).

[12] R. Romaniuk, J. Dorosz, Optica Applicata 29 (1), pp. 15–49 (1999).

[13] R.S. Romaniuk, Optica Applicata 31 (2), pp. 425–444 (2002).

[14] A. Dybko, et al., Sensors and Actuators, B 51 (1–3), pp. 208–213 (1998).

[15] A. Dybko, et al., Sensors and Actuators, B: Chemical 39 (1–3), pp. 207–211 (1997).

[16] A. Dybko, et al., Journal of Applied Polymer Science 59 (4), pp. 719–723 (1996).

[17] A. Dybko, et al., Sensors and Actuators: B. Chemical, 29 (1–3), pp. 374–377 (1995).

[18] R. Romaniuk, Opto-Electronics Review 8 (2), pp. 101–116 (2000).

[19] R.S. Romaniuk, Bull. of the PAS 56 (2), pp. 87–102 (2008).

[20] R.S. Romaniuk et al., Bull. of the PAS 53 (2), pp. 123–138 (2005).

[21] T. Czarski, et al., NIMA 548 (3), pp. 283–297 (2005).

[22] T. Czarski, et al., NIMA 568 (2), pp. 854–862 (2006).

[23] T. Czarski, et al., NIMA 556 (2), pp. 565–576 (2006).

[24] W. Ackerman, Nature Photonics 1 (6), pp. 336–342 (2007).

[25] A. Burd, et al., New Astronomy 10 (5), pp. 409–416 (2005).

[26] A. Burd, et al., Astronomische Nachrichten 325 (6–8), pp. 674 (2004).

[27] B. Mukherjee et al., Radiation Protection Dosimetry 126 (1–4), pp. 256–260 (2007).

[28] P.Fafara et al., Measurement Science and Technology 18 (8), art no.010, pp. 2365–2371 (2005).

[29] R.S. Romaniuk, K.T .Poźniak, Measurement Science and Technology 18 (8), art no.E01 (2005).

[30] R.S. Romaniuk et.al., Metrology and Measurement Systems 15 (2), pp. 241–245 (2008).

[31] J.R. Just et al., Microprocessing and Microprogramming 27 (1–5), pp. 489–493 (1989).

[32] R. Romaniuk, Photonics Letters of Poland 1 (1), pp. 1–3 (2009).

[33] R. Romaniuk, Photonics Letters of Poland, 1 (2), pp. 46–48 (2009).

[34] G. Kasprowicz, et al., Photonic Letters of Poland 1 (2), pp. 82–84 (2009).

[35] R. Romaniuk, Photonics Letters of Poland 1 (3), pp. 103–105 (2009).

[36] R. Romaniuk, Photonics Letters of Poland 2 (1), pp. 22–24 (2010).

[37] R. Romaniuk, Photonics Letters of Poland 2 (2), pp. 55–57 (2010).

[38] R. Romaniuk, Photonics Letters of Poland 2 (2), pp. 64–66 (2010).

[39] P. Obroślak, et al., Photonics Letters of Poland 2 (3), pp.134–136 (2010).

[40] R. Romaniuk, Phot. Lett. Poland, 3 (2), pp. 91–93 (2011).