Словарь нанотехнологий
Нанофотоника

Нанофотоника

Термин

нанофотоника

Термин на английском

nanophotonics

Синонимы

нанооптика

Связанные термины

фотоника, фотонная интегральная схема, плазмон

Определение

область науки и техники, связанная с изучением физических явлений, возникающих при взаимодействии фотонов с объектами нанометровых размеров (в масштабе, много меньшем длины волны излучения), а также с практическим применением указанных явлений при разработке оптических наноструктурированных материалов и функциональных устройств на их основе.

Описание

Определение относится, главным образом, к видимому или ближнему инфракрасному диапазону электромагнитного излучения с длинами волн от 400 нм до 1.2 мкм.

Нанофотоника (НФ) как новая область науки возникла на стыке оптики, лазерной физики, материаловедения, физической химии, физики и химии твердого тела. Предметом изучения НФ является распространение, преобразование, испускание и поглощение оптического излучения в наноструктурах, с целью использования особенностей процессов взаимодействии излучения с веществом при таких масштабах для создания различных функциональных устройств: от систем связи и преобразования информации до биосенсоров и биочипов [1].

Уникальные оптические свойства наноматериалов могут искусственно создаваться и контролироваться. Это обстоятельство определяет самую широкую сферу их возможного применения - компактные фотоэлектрические источники питания; эффективные и перестраиваемые источники света, детекторы, фильтры, волноводы и модуляторы; высокоскоростные чисто-оптические переключатели; сенсоры окружающей среды (химические и биологические); классические и квантовые вычислительные устройства нового поколения; приборы для биофотонной медицинской диагностики и терапии.

Круг задач, решаемых в настоящее время нанофотоникой, можно разделить на несколько тематических разделов [2]:

• Метаматериалы и материалы нанофотоники;
• Фотонные кристаллы;
• Плазмоника;
• Оптический захват и манипулирование нанообъектами;
• Изготовление фотонных функциональных устройств;
• Компьютерное моделирование в области нанофотоники;
• Оптоструйная техника.

Основными методами и инструментами исследования в нанофотонике являются ближнепольная сканирующая оптическая микроскопия, сканирующая туннельная микроскопия c применением возбуждающих фотонов (PASTM, photon-assisted scanning tunnel microscopy) и плазмонная оптика поверхности [3].

К наиболее существенным достижениям нанофотоники, которые, как ожидается, привнесут значимый вклад в научные и инженерные разработки и приведут к существенным инновациям, относятся [4]:

• Преодоление оптического волнового предела (дифракционного предела) в электронных приборах, позволяющее обеспечить беспрецедентное пространственное разрешение в приборах с формированием оптического изображения и реальную интеграцию фотонного и электронного функционала. Это подразумевает возможность реализации «оптики на чипе» посредством комбинации нанофотоники и наноэлектроники, что приведет к существенной модернизации во многих областях, от информационных технологий и вычислительных устройств нового поколения до сенсорных систем нового поколения. Кроме того, успех в этом направлении сделает возможным прорыв в области систем формирования изображений и микроскопии, где дифракционные пределы по разрешению смогут быть преодолены во многих значимых приложениях;
• Удержание взаимодействия излучения с веществом на нанометровом масштабе, где квантово-механические эффекты определяют характер этого взаимодействия и приводят к появлению размерно-зависимых новых электрических и оптических свойств. Прогресс в этой области сделает возможным создание широкого класса «квантовых технологий», таких как квантовые вычислительные устройства, квантовая криптография для защищенных коммуникаций, сенсорные системы нового поколения. Другие возможные приложения включают в себя эффективные и перестраиваемые источники света, детекторы и другие оптические элементы с расширенным и реконфигурируемым функционалом.

За последние 15 лет фундаментальная и прикладная наука существенно продвинулась в области исследования взаимодействия фотонов с веществом, контроля единичных фотонов, увеличения эффективности фотонных приборов. В последние годы наблюдается устойчивый рост интереса научной общественности к метаматериалам, фотонным кристаллам и фотоннокристаллическим волокнам, а также к развитию подходов к синтезу интегральных микро- и нанооптических устройств и микро-оптомеханических устройств.

Нанофотонные системы имеют самые широкие перспективы применения как в коммерческих, так и в военных областях [5]:

• Всевозможные устройства отображения информации (дисплей портативных устройств, персональных компьютеров, телевизоров и пр.);
• Оптические запоминающие устройства (CD и DVD оптические диски, твердотельные оптические диски);
• Оптоволоконные линии связи между нанофотонными кремниевыми чипами (оптическими чипами), главным образом, для компьютеров и микропроцессоров (новые нелинейные оптические среды, наноструктурированные оптические волокна, фотонные кристаллы);
• Оптические логические устройства - фотонные процессоры и их компонентная база, в том числе оптоэлектронные процессоры и компьютеры с архитектурой, подобной мозгу человека, и стереоскопической системой визуализации информации, подобной зрительному процессу;
• Системы преобразования световой энергии в электрическую (фотоэлектрические преобразователи), электрической в световую (например, светодиоды), а также устройства на их основе;
• Интегрированные сенсорно-диагностические системы для контроля окружающей среды и состояния человека.

Авторы

• Разумовский Алексей Сергеевич, к. ф.-м. н
• Братищев Алексей Владимирович

Ссылки

1. Лебедев В. Теория и применение нанофотоники // Наука и инновации - № 3 (61), 2008
2. Сойфер В.А. Нанофотоника и дифракционная оптика // Компьютерная оптика - т.32, № 2, 2008 - С.110-118
3. Nanophotonics / Wikipedia, the Free Encyclopedia - URL: http://en.wikipedia.org/wiki/Nanophotonics
4. Nanophotonics: accessibility and applicability, National Research Council (U.S.)
5. Нанофотоника готовится к прорыву / ПОИСК - газета российского научного сообщества, 2007. - URL: http://wwНанофотоника готовится к прорыву / ПОИСК - газета российского научного сообщества, 2007. - URL: http://www.poisknews.ru/2007/10/31/vykhodim_v_svet.html (дата обращения 28.10.2009) w.poisknews.ru/2007/10/31/vykhodim_v_svet.html (дата обращения 28.10.2009)

Разделы

Оптические сенсоры

Нанофотоника и коротковолновая нелинейная оптика

Фемто- и наносекундная спектроскопия

Зондовые методы микроскопии и спектроскопии: атомно-силовая, сканирующая туннельная, магнитно-силовая и др.

Сенсоры и эффекторы на основе наноматериалов

Системная интеграция нано/микро/макро структур, наноэлектромеханические системы, манипуляторы и актуаторы, нанотехнологии в робототехнике

Методы обработки и формирования структур с прецизионным позиционированием (нанолитография, нанообработка, нанопечать, наноструйная техника и другое)

Нанотехнологии в фотонике и оптоэлектронике, компонентная база и устройства

Нанокристаллы и наночастицы (в том числе квантовые точки)

Наноэлектроника, компонентная база и устройства