Světlo a fotonika – I. část

Ing. Miroslav Jedlička, CSc.,
Česká a Slovenská společnost pro fotoniku

Fotonika. Co to je?

Odpověď na tuto úvodní otázku není jednoduchá. Jednotná a přesná definice fotoniky jako vědního a technického oboru vlastně neexistuje. Přesto se pojem fotonika používá již několik desítek let; tímto oborem se úspěšně živí mimo jiné i několik odborných časopisů. Zkusme se tedy podívat, jak si fotoniku představují právě tyto časopisy.

Například časopis Photonics Spectra (původně Optical Spektra), který je vydáván již 39 let, považuje fotoniku za techniku generování a využívání světla a ostatních forem zářivé energie. Její kvantovou jednotkou je foton. Vydavatel časopisu v třetím dílu třísvazkové publikace nazvané Photonics Dictionary definici rozšiřuje: „Tato věda zahrnuje světelnou emisi, transmisi, vychylování, zesilování a detekci optickými součástkami a přístroji, lasery a další světelné zdroje, vláknovou optiku, elektrooptická zařízení a s nimi související hardware a elektroniku a sofistikované systémy. Obor aplikací fotoniky sahá od generace energie k detekci, komunikaci a zpracování informace.„ [1].

Časopis Laser Focus World (v roce 2005 vychází 41. ročník) ve svém záhlaví hlásá, že je časopisem pro fotoniku a optoelektronický průmysl. V dalším řádku upřesňuje, že jsou tím myšleny lasery, optika, detektory, zobrazování, vláknová optika a přístrojová zařízení.

Britský dvouměsíčník Electrooptics, založený roku 1968, se považuje za časopis pro technické využití fotoniky, fotonický byznys a příslušné aplikace. Fotoniku blíže nedefinuje, ale z obsahu jeho příspěvků je zřejmé, že se zabývá stejnými náměty jako oba již zmíněné americké časopisy.

Německý časopis Photonik, který se „narodil„ před 36 lety jako LaserOpto und Photonik, prohlašuje, že se věnuje optickým technologiím. To je zajímavé stanovisko. Zatímco ostatní časopisy se snaží představovat fotoniku jako specifický obor, Photonik zřejmě zařazuje fotoniku do optiky, nebo snad i naopak.

Přejděme od časopisů k mínění těch, kteří se fotonikou po vědecké nebo technické stránce zabývají. Na konferenci Photonics Overview v USA v roce 1988 zazněla takováto definice: „Tak jako je elektronika věda a technika zabývající se přenosem energie a informace prostřednictvím elektronů, fotonika je věda a technika zabývající se přenosem energie a informace prostřednictvím fotonů (světla). Hlavními zdroji fotonické energie jsou lasery a diody emitující světlo. Velmi rychlý rozvoj aplikací fotoniky se objevuje v telekomunikacích, výrobě, počítačích, zpracování obrazu, strojovém vidění, vojenské technice a v mnoha dalších průmyslových odvětvích.„ [2]. Je zajímavé, že definice zdůrazňuje přenos informace a že se omezuje na systémy s lasery a diodami, jako by další značná část ostatních zdrojů byla nezajímavá nebo fotony snad ani nevyzařovala.

Doba života odborných časopisů ukazuje na to, že pojem fotonika se rozšířil koncem 60. let dvacátého století natolik, že začal být ekonomicky zajímavý pro vydávání speciálních časopisů. Jaká to tehdy byla doba? Bylo několik let po objevu laseru (r. 1960) a začínal rozvoj optických vláken a systémů CCD. Velké pozornosti se těšila holografie a ve Vietnamu se v noci válčilo s pomocí noktovizorů. Odkud přicházeli vědci a inženýři, kteří se věnovali těmto věcem? Jaké měli zkušenosti a vzdělání? Je jisté, že většinou to byli fyzikové a inženýři – optici a elektronici. Ti na základě svého předcházejícího odborného života a druhu svého vzdělání formovali názor na to, co by fotonika měla být, jestliže pro nějaký nový název specifického oboru vůbec byli. Problémem totiž bylo, že existovalo několik dalších pojmů, které by pro tento nový obor, nebo alespoň pro jeho část, mohly být vhodné. Podíváme se na ně v dalších odstavcích.

Elektrooptika

Z hlediska fyziků se elektrooptické jevy původně vztahovaly ke změnám dielektrických vlastností látek, k nimž je přiloženo elektrické pole, zejména změna indexu lomu, vzniklá působením stejnosměrného nebo nízkofrekvenčního elektrického pole. Elektrooptické jevy nabízejí mnoho možností využití v praxi v zařízeních určených pro amplitudovou i fázovou modulaci optického svazku, spínání, rozmítání svazku apod. Elektrooptické modulátory lze výhodně aplikovat jako prvky integrované optiky. Za elektrooptické systémy však byla postupně označována i jiná zařízení, zařízení, v nichž docházelo k jiné interakci elektrických a optických veličin, než je ta ve smyslu uvedené fyzikální definice. Pojem elektrooptika se rozšířil zejména v technických aplikacích (viz již citované časopisy) i na jevy, které s původní fyzikální představou o elektrooptice neměly moc společného.

Optoelektronika

Také okolo tohoto názvu je zmatek. Již zmíněný Photonics Dictionary nabízí tuto definici: „Optoelektronika se týká zařízení, která reagují na optický výkon, emitují nebo modifikují optické záření nebo využívají optické záření pro svou vnitřní funkci. Patří sem jakékoliv zařízení, které funguje jako elektrooptický nebo optickoelektrický převaděč.„

Časopis International Journal of Opto-electronics nabízí jinou definici: „Optoelektronika je dominantní technika pro získávání, skladování, zpracovávání a přenos informace. Rozsah potenciálních aplikací se rozšiřuje s novými materiály, zařízeními a systémy.„

Tento časopis prohlašuje, že se zabývá celým spektrem oborů, které zřejmě považuje pro optoelektroniku za významné, především:

• základním výzkumem amorfních polovodičů, skel, kapalných krystalů, polymerů a dalších nových elektrooptických materiálů,
• vývojem zařízení založených na supermřížkách a tunelových strukturách,
• optoelektronickými světelnými zdroji, jako jsou lasery všeho druhu a LED,
• holografií,
• výrobou a zkoušením spolehlivosti optoelektronických součástek,
• optickými senzory a jejich integrací, zobrazovacími zařízeními a zpracováním obrazu,
• dálkovým optickým průzkumem, optickými vláknovými senzory a sítěmi,
• optickými pamětmi, akumulací a zpracováním optického signálu,
• aplikacemi optoelektroniky např. v komunikacích a výpočetní technice.

To je pro zmíněný časopis tak rozsáhlý záběr, že by jeho naplněním snadno mohl nahradit všechny ostatní časopisy.

Sympatickou definici optoelektroniky uvedl N. Metzger v roce 1987 v časopisu Mosaic: „Optoelektronika je ,sňatek elektronických a optických jevů při výrobě užitečných přístrojů naznačujících větší pokroky v komunikacích a výpočetní technice‘.„ [3].

Tomuto názoru se podobá i definice F. Urbana; je však vztažena jen na signály: „Optoelektronika se zabývá soustavami pro zpracování elektrických a optických signálů využitím kombinace elektronických a optických metod.„ [4].

V rámci jednoho českého pokusu o klasifikaci elektrooptiky z roku 1974, o němž ještě bude řeč v dalším textu, se objevuje tento popis optoelektroniky: „Optoelektronika studuje metody zpracování elektrického a optického signálu založené na elektrické nebo elektronické vazbě a na vazbě optické mezi vysílači optického signálu a detektory fotonů (přijímači optického signálu). Zpracováním se rozumí zesilování elektrického nebo optického signálu analogového, jeho převod z elektrického na optický nebo naopak, kmitočtová transpozice signálu elektrického, respektive spektrální transpozice signálu optického, směšování signálů. Dále logické operace se signály číslicovými, a to jak elektrickými, tak optickými.„ [5].

V publikaci pánů Voříška a Navrátila je optoelektronika vědní disciplína zabývající se výrobou, využitím a vyhodnocením elektromagnetického záření v rozsahu nanometrových vln a jejich přeměnou na elektrický signál [6].

Doc. O. Wilfert považuje optoelektroniku za technický obor, který se zabývá aplikacemi jevů vyplývajících z interakce optického záření a látky [7], podobně ji definují pánové Jerhot s Jiráčkem [8].

Všeobecně se za základ optoelektroniky považuje prvek nazývaný optron. Optron je v podstatě fotonický měnič, jenž se v základní podobě skládá ze zdroje záření, fotoelektrického detektoru a prostředí mezi nimi, kterým se vede záření [9]. Soustavně pojednává o optronech např. Svečnikov [10].

Optoelektronika se jako obor vyučuje na českých vysokých školách od konce 80. let dvacátého století [4], [6], [7], [8], [9], [11].

Optronika

Tento název vznikl z anglických slov optics a electronics. Název časopisu Lasers and Applications, založeného roku 1982, se v roce 1987 změnil na Lasers and Optronics.

Výčet zde uvedený není zdaleka úplný. Ještě zbývá integrovaná optika, kvantová elektronika, kvantová optika, technologie optického vlnění a některé další.

Zmatek, vzniklý různým pojmenováním jevů z rozhraní optiky a elektroniky, rozšiřme ještě stanovisky některých autorit.

B. E. A. Saleh, profesor Wisconsinské univerzity a redaktor významného časopisu Journal of the Optical Society of America, s M. C. Teichem, profesorem na Columbijské univerzitě a redaktorem neméně významného časopisu Quantum Optics, uvádějí, že tak jako elektronika zahrnuje jevy a zařízení, ve kterých je kontrolovaným způsobem ovládán tok elektrického náboje, jde v případě fotoniky o tok fotonů. Oba jsou autory dnes již klasické učebnice Základy fotoniky. V ní však připouštějí, že obě disciplíny se zřejmě překrývají, protože elektrony často určují tok fotonů a naopak fotony určují tok elektronů [12].

F. G. Smith a T. A King, autoři učebnice Optics and Photonics. An Introduction, publikované o deset let později, dělí tuto látku do dvou skupin. Tu, kterou lze dobře vykládat vlnovou podstatou záření, nazývají optika a tu, kde se uplatní především korpuskulární hledisko a vybrané části fyziky polovodičů, označují fotonika [13].

B. J. Thompson v době, kdy byl ředitelem Institut of Optics na univerzitě v Rochesteru, jednoznačně zahrnul fotoniku do optiky. Pro něj optika vždy znamenala studium generace, šíření, detekce světla a manipulace s ním, interakce světla s látkou a jejího využití k rozmanitým vědeckým, průmyslovým, komerčním a vojenským účelům, pro zařízení a systémy. Za optiku považuje všechno související se studiem světla, od ultrafialového po infračervené záření. Celý obor by nejraději pojmenoval Optical Science and Engineering – věda o optice a optické inženýrství [2].

Podívejme se na další hledisko. V něm se objeví, že jen tak mimochodem jde také o peníze. R. A. Lessard, editor časopisu Optical Engineering, je přesvědčen o tom, že termín fotonika byl vytvořen pro optiku jako termín elektronika pro vědu o elektřině, že fotonika je inženýrská stránka optiky. Připojení slova fotonika k jakékoliv optické kategorii se údajně stalo módním poté, co výzkumníci velmi tvrdě pracovali na vývoji jiných aplikací pro lasery, než je holografie, a poté, co se staly realitou a vedoucí aplikací optická vlákna pro komunikace. Dokonce prý lze říci, že komunikace se staly fotonikou. Trh proto vzrostl natolik, že tento jediný aspekt optiky udělal ze zbytku optiky „trpaslíka„. Co když grantové organizace budou dávat své peníze jen na komunikace, tedy fotoniku? Základní optický výzkum údajně již ztrácí podporu, je zřejmý transfer grantů ze základního do aplikovaného výzkumu. „Musíme my, optičtí vědci, tomu pomáhat zdůrazňovaným používáním výrazu fotonika?„ naříká autor a doporučuje: „Pomůžeme si však, když všichni prohlásíme náš obor za optické vědy a optické inženýrství.„ [14].

Na konci této kapitoly se možná čtenář zeptá: „A co autor? Neměl by také on jít s barvou ven?„ Budiž. Autor však není typický optik, ani vzděláním, ani praxí. Není tedy nijak motivován snahou „uzurpovat„ fotoniku optikou. Zkusí to jinak.

Ve snaze spojit kvantovou mechaniku s klasickou Maxwellovou teorií elektřiny a magnetismu byla koncem 20. let minulého století vytvořena teorie popisující interakci světla a hmoty, která byla nazvána kvantová elektrodynamika. Postupně byla zlepšována, nesčetněkrát ověřována a zatím vždy obstála. Populárně o ní pojednává např. Feynman [15]. V kvantové elektrodynamice existují tři základní děje potřebné k popisu všech jevů spojených se světlem a elektřinou. Jejich účastníky jsou fotony a elektrony. Tyto děje jsou:

• postup fotonu z jednoho místa prostoru v určitém čase do jiného (optika),
• postup elektronu z jednoho místa prostoru v určitém čase do jiného (elektronika),
• vyzáření nebo pohlcení fotonu elektronem; v kvantové elektrodynamice se tento proces obvykle nazývá vazba.

Obr. 1. Spektrum elektromagnetického záření. Hlavní zájem současné fotoniky je v oboru 10 nm až 10 µm s těžištěm v oboru světla a blízkého infračerveného záření

Aniž by se autor chtěl povyšovat do role rozhodujícího arbitra ve věci definice fotoniky, je přesvědčen o tom, že nejvlastnější náplní fotoniky by mělo být studium vazeb kvantové elektrodynamiky, tj. procesů souvisejících s pohlcováním nebo vyzařováním fotonů elektrony [16]. Fotony i elektrony je však nutné na místo vzájemné interakce dopravovat, a proto se fotonika zřejmě nemůže bez optiky a elektroniky obejít. Lze ji tedy také považovat za účelové seskupení vybraných částí optiky a elektroniky, které zkoumá a využívá procesy nastávající při energetických ztrátách elektronů a fotonů – především předávání energie fotonů elektronům a vznik fotonů na úkor energetických ztrát elektronů. Jestliže tyto částice nesou informaci, přenáší se i ona. Proto autor proklamuje sounáležitost tří rovnoprávných oborů: optiky, fotoniky a elektroniky.

Zařízení, v nichž tyto procesy předávání energie (často spojené s předáváním informace) nastávají, je možné nazvat fotonické měniče. Některé části měničů, které jsou jejich funkční součástí, ale výhradně slouží k přenosu (šíření) optického nebo elektrického signálu, jako by do fotoniky nepatřily. Jsou to např. optické soustavy, optické (vláknové) vlnovody, destičky z optických vláken přenášející obraz a naproti tomu přívody elektrické energie, zdroje řídicích elektrických signálů, zesilovače signálů apod. Jsou ovšem s fotonickými měniči nerozlučně spojeny – a v tom právě spočívá překrývání optiky a elektroniky fotonikou.

Aby rozsah fotoniky nebyl bezbřehý, je třeba jej vymezit. K tomu je vhodné např. stanovení rozsahu vlnových délek elektromagnetického záření, kterými se fotonika bude zabývat (obr. 1). Na krátkovlnné straně to mohou být vlnové délky, u nichž hybnost odpovídajících fotonů přestává být zanedbatelná ve srovnání s hybností elektronů, a na dlouhovlnné straně vlnové délky, při nichž je kvantový charakter záření podružný, pro výklad jevu zanedbatelný, kdy do popředí jednoznačně vstupuje jeho vlnový charakter. Velmi přibližně tedy jde o rozsah 0,001 nm až 10 µm (100 keV až 0,1 eV). Světlo – které je prioritním zájmem fotoniky –, obsazuje obor vlnových délek od 380 do 780 nm; odpovídající rozsah kvantové energie tohoto záření je 1,58 až 3,25 eV.

Literatura:
[1] LAURIN, F. T.: Photonics Directory. 1954–2004, roč. 1–50. Laurin Publishing Company, Pittsfield, USA.
[2] THOMPSON, B. J.: Education in Optics – challenges at hand. In: International Conference on Education in Optics. SPIE, 1988, 978, s. 2–9.
[3] METZGER, N.: Mosaic, 1987, roč. 18, č. 3, s. 44.
[4] URBAN, F.: Optoelektronika. Ediční středisko VUT Brno,1989.
[5] JEDLIČKA, M. – KOŠŤÁL, E.: Koncepce elektrooptiky. Slaboproudý obzor, 1974, roč. 35, č. 12, s. 541–544.
[6] VOŘÍŠEK, M. – NAVRÁTIL, Z.: Optoelektronika. Ediční středisko VUT Brno, 1990, 96 s.
[7] WILFERT, O.: Optoelektronika. Ediční středisko VUT Brno, 2002, 122 s.
[8] JERHOT, J. – JIRÁČEK. M.: Optoelektronika. Ediční středisko VŠSE Plzeň, 1987, 124 s.
[9] MYSLÍK, V. – HUDEC, L. – MACHÁČ, P.: Rozvoj elektronických zařízení. Optoelektronika. SNTL, Praha, 1992, 56 s.
[10] SVEČNIKOV, S. V.: Elementy optoelektroniki. Sovětskoje radio, Moskva, 1971. (Základy optoelektroniky. 1975, 307 s.)
[11] BURIAN, Z.: Optoelektronika. Ediční středisko ČVUT Praha, 1991, 149 s.
[12] SALEH, B. E. A. – TEICH, M. C.: Fundamentals of Photonics. J. Wiley & Sons, New York, 1991. (Základy fotoniky. Matfyzpress UK, Praha, 1994, 1056 s.)
[13] SMITH, F. G. – KING, T. A.: Optics and Photonics. An Introduction. J. Wiley & Sons, Chichester, 2000, 439 s.
[14] LESSARD, R. A.: Could Photonics Kill Optics? Optical Engineering, 2000, roč. 39, č. 3, s. 285 a č. 7, s. 1733.
[15] FEYNMAN, R. P.: Neobyčejná teorie světla a látky. Aurora, Praha, 2001.
[16] JEDLIČKA, M.: Vzpomínka na 5. kongres ICO ve Stockholmu 1959. Jemná mechanika a optika, 2004, roč. 49, č. 1, s. 25–27.