Was ist Photonik?

Definition der Photonik

Photonik ist die physikalische Wissenschaft der Lichtwellen. Sie befasst sich mit den wissenschaftlichen Grundlagen der Erzeugung, des Nachweises und der Manipulation von Licht.

Licht besitzt einen dualen Charakter, die sogenannte Welle-Teilchen-Dualismus. Das bedeutet, dass Licht sowohl Eigenschaften einer kontinuierlichen elektromagnetischen Welle als auch eines Teilchens (Photons) aufweist. Ob sich Licht wie eine Welle oder wie ein Teilchen verhält, hängt von der Art der beobachteten Wechselwirkung ab. Beispielsweise zeigt Licht, das durch eine Linse gebrochen oder am Rand einer Öffnung gebeugt wird, seinen Wellencharakter. Licht, das von einem Festkörperbauelement wie einer Laserdiode oder einem CCD-Detektor erzeugt oder absorbiert wird, zeigt hingegen seinen Teilchencharakter.

Was ist der Unterschied zwischen Optik und Photonik?

Die Optik ist ein allgemeines Gebiet der Physik, das ein breites Spektrum an Themen rund um die Erforschung des Lichts umfasst. Zu ihr gehören Teilgebiete wie die geometrische Optik, die physikalische Optik und die Quantenoptik. Die Photonik ist ein Teilgebiet der Optik.

Die geometrische Optik, auch klassische Optik genannt, befasst sich primär mit der Manipulation von Licht mithilfe von Linsen, Spiegeln und Prismen. In der geometrischen Optik wird Licht durch die Strahlenapproximation modelliert. Dabei werden Lichtwellenfronten als eine Ansammlung von Strahlen angenähert, die jeweils senkrecht zur Wellenfront verlaufen und den Energiefluss durch das System repräsentieren. Eine typische Anwendung der geometrischen Optik ist die Konstruktion eines Objektivs für eine Kamera.

Die physikalische Optik untersucht das Licht unter Berücksichtigung seines Wellencharakters. In der physikalischen Optik ist die Strahlennäherung nicht gültig, da Interferenz- und Beugungseffekte berücksichtigt werden müssen. Effekte, die durch den Teilchencharakter des Lichts bedingt sind, werden in der physikalischen Optik in der Regel nicht einbezogen. Eine typische Anwendung der physikalischen Optik ist die Erzeugung holografischer Bilder.

Die Quantenoptik untersucht Lichtphänomene, bei denen der Teilchen- oder Quantencharakter des Lichts eine wichtige Rolle spielt. Quantenoptik und Photonik sind eng miteinander verwandt, wobei die Quantenoptik eher theoretisch ausgerichtet ist, während sich die Photonik stärker mit der Entwicklung praktischer Anwendungen befasst. Ein typisches Anwendungsgebiet der Quantenoptik ist die theoretische Untersuchung der Lichterzeugung am pn-Übergang in einer LED.

Warum ist Photonik heute wichtig für uns?

Wir stehen am Anfang einer photonischen Revolution. Photonische Bauelemente sind im Alltag allgegenwärtig, bleiben aber oft unbemerkt. Lichtquellen wie LEDs und Laserdioden finden in unzähligen Anwendungen Verwendung, überall dort, wo Licht benötigt wird. Diese Bauelemente sind relativ günstig, extrem leicht und kompakt, robust und langlebig. Zudem erzeugen diese Festkörperlichtquellen weniger Wärme und benötigen weniger Energie als herkömmliche Lichtquellen. LEDs werden aufgrund ihrer erheblichen Energie- und Kosteneinsparungen immer häufiger als Ersatztechnologie für herkömmliche Lichtquellen eingesetzt.

Die Photonik bietet ein wachsendes Potenzial für die Entwicklung und Herstellung von Bauelementen, Systemen und integrierten Schaltungen für Anwendungen in der Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikation, der fortschrittlichen Sensorik und Bildgebung. Photonische Technologien versprechen um Größenordnungen höhere Übertragungsgeschwindigkeiten bei gleichzeitig reduziertem Stromverbrauch und hochempfindlichen Sensorfunktionen in verschiedenen Anwendungsbereichen.

Welche realen Anwendungsgebiete gibt es für die Photonik?

Photonische Bauelemente finden in den unterschiedlichsten Bereichen Anwendung. Die Telekommunikation ist stark von photonischen Bauelementen abhängig, insbesondere für Glasfasernetze, die die Kapazität und Geschwindigkeit der Internetkommunikation, selbst für Heimnetzwerke, erheblich steigern.

Die Einführung erschwinglicher, leistungsstarker LEDs hat die Beleuchtungstechnik revolutioniert. Sie senken den Stromverbrauch und bieten gleichzeitig hochwertige, flexible Beleuchtungslösungen. Festkörperlaser finden heute Anwendung in Bereichen von der Medizin bis zur Industrie. Geräte wie Handykameras, Barcode-Scanner, Drucker, DVD-Player und Fahrzeugsensoren nutzen leichte, kompakte Lichtsensoren. Schließlich arbeitet das aufstrebende Gebiet des photonischen Rechnens daran, herkömmliche elektronische Leiterplatten und integrierte Schaltungen durch optoelektronische Schaltungen zu ergänzen oder zu ersetzen.

Was macht ein Photonik-Ingenieur?

Photonikingenieure entwickeln photonische Bauelemente, Schaltungen und Systeme für ein breites Anwendungsspektrum. Die Komplexität photonischer Designprobleme erfordert von ihnen ein umfassendes Verständnis der Quanten- und physikalischen Optik sowie häufig auch der geometrischen Optik. Die Arbeit ist sowohl kreativ als auch anspruchsvoll. Photonikingenieure müssen sich stets über die neuesten Forschungsergebnisse und Techniken informieren und die Grenzen der Herstellbarkeit genau kennen.

Für die effektive Entwicklung photonischer Bauelemente sind spezialisierte Softwaretools zur Modellierung des Lichtverhaltens erforderlich. Der Photonikingenieur nutzt diese Tools, um virtuelle Prototypen des zu entwickelnden Systems zu erstellen und anschließend mithilfe der in der Software integrierten Simulationswerkzeuge das Verhalten des Lichts bei der Wechselwirkung mit dem Bauelement zu analysieren. Abschließend optimiert er das Design, um die gewünschte Leistung in einem realisierbaren Gehäuse zu erzielen.

Welche Softwarelösungen bietet Keysight für die Photonik an?

Keysight bietet ein komplettes Portfolio an Lösungen zur Entwicklung, Analyse, zum Layout und zur Verifizierung von photonischen Bauelementen, Systemen und integrierten Schaltungen.

Die Werkzeuge lassen sich mit weiteren optischen und Halbleiter-Designwerkzeugen integrieren, um domänenübergreifende Co-Simulationen zu beschleunigen. Nutzen Sie beispielsweise die Interoperabilität der optischen Designwerkzeuge von Keysight, insbesondere CODE V und LightTools, für die präzise Modellierung nanostrukturierter optischer Strukturen und die Beugungsanalyse.