Нанофотоника и крошечные оптические приборы

Нанофотоника и крошечные оптические приборы

Многие отрасли были продвинуты благодаря оптике, в том числе коммуникации, где почти все данные передаются в виде света (Интернет, беспроводная связь и т.д.), и освещение, в котором доминируют светодиоды.

Тем не менее, это только начало. Преимущества света в том, что он быстрый, не имеет массы, и мы можем управлять его свойствами. Разработки технологий, основанных на оптических элементах, существенно повысили возможности контролировать свет, но этого все еще мало. Например, ранее рубиновый лазер был размером с ведро, а сейчас может быть не больше крупицы песка.

Нанофотоника и крошечные оптические приборы

Сжатие света до невероятно малых масштабов может быть полезным для многих сфер. В частности, ученые верят, что барьеры закона Мура, могут быть преодолены с помощью световых технологий. И в последнее время рассматриваются масштабы, сравнимые с фундаментальной длинной волны света.
Ранее такие исследования ограничивались дифракцией. В классической оптике дифракционный предел Аббе это минимальный размер пятна рассеяния, которое можно получить, фокусируя электромагнитное излучение. В нанофотонике ученые смогли преодолеть это ограничение и теперь намереваются контролировать свет в масштабах меньше, чем длина волны. В электронике длина волны основного носителя (электрона) составляет несколько нанометров, а видимый фотон — это сотни нанометров. Уменьшив фотон до размеров, близких к электрону, можно совершить фундаментальный прорыв и открыть путь для эффективно нового поколения устройств.

Нанофотоника и крошечные оптические приборы

Первая идея ученых это фотонные кристаллы, в которых периодические изменения в преломлении света производят фотонический бандгап, аналогичный энергетическому бандгапу в полупроводниках. Эти структуры могут быть использованы для волноводов в интегрированных 2D-схемах, но до этого еще далеко. В малых масштабах, где металлы ведут себя немного иначе, мы вступаем в область плазмоники. Так как металлы имеют отрицательную диэлектрическую константу на оптических частотах (что делает их блестящими), то при наличии металла-диэлектрика, свет может распространяться в виде локализованных поверхностных волн, называемых плазмонные поляритоны. Эффективная длина волны при этом меньше, чем длина волны падающего света, таким образом, размер схемы может уменьшиться еще больше.

Нанофотоника и крошечные оптические приборы

Теперь стало возможным, чтобы наночастицы и плазмоны имели дополнительную степень герметизации, где образуется биполярность, аналогичная антенне. В результате ученые получили возможность контролировать направление дальнего поля излучения в оптическом режиме, открывая совершенно новый способ взаимодействия света и вещества в устройстве. Например, представьте антенну, которая может видеть свет.
Когда масштаб становится меньше, чем длина волн света, могут создаваться совершенно новые оптические материалы, которые необычно реагируют на свет. Они называются метаматериалами.  Метаматериалы отличаются некоторыми интересными свойствами, такими как отрицательное преломление, нелинейная оптическая реакция и полное поглощение. Из-за сложностей в построении 3D-наноструктур, ученые, как правило, проектируют 2D-структуры (или метаповерхности), в которых свойства объемных структур воспроизводятся в тонком слое структурированного металла. В таких объектах возможности контролировать распространение света выходят на совершенно новый уровень. В структурах, где размеры доходят до атомных, начинают доминировать квантовые эффекты. При этом может стать возможной сверхбыстрая интеграция квантовой схем с одиночными фотонами, но здесь возникают проблемы создания и производства.

Нанофотоника и крошечные оптические приборы

В общем, сфера применений нанофотоники огромна, но неизвестно, какие устройства могут появляться в будущем. На данный момент было определено, что дифракционный барьер можно преодолеть с помощью нанофотонных устройств: светодиодное излучение может быть значительно усилено, а эффективность солнечных элементов может быть повышена за счет набора металлических наночастиц. Также плазмонный лазер с настройкой длины волн становится возможным.
Сложно предсказать, как будет развиваться нанофотоника в последующие годы, ведь многие большие открытия совершаются несистемно, но возможность в полной мере контролировать потоки света несет в себе обширные перспективы.

Система Orphus
comments powered by Disqus
 
Top