XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Введение

Мы будем рассматривать физические основы наноматериалов и нанотехнологий только для фотоники и оптоинформатики, поэтому кратко напомним, что изучают эти дисциплины.

Фотоника - область науки и техники, связанная с использованием светового излучения (потоков фотонов) в оптических элементах, устройствах и системах, в которых генерируются, усиливаются, модулируются, распространяются и детектируются оптические сигналы.

Нанофотоника- раздел нанооптики, в котором исследуются нанополя со считанным количеством фотонов и поведение света на нанометровой шкале. Нанофотоника - область фотоники, связанная с разработкой архитектур и технологий производства наноструктурированных устройств генерации, усиления, модуляции, передачи и детектирования электромагнитного излучения и приборов на основе таких устройств, а также с изучением физических явлений, определяющих функционирование наноструктурированных устройств и протекающих при взаимодействии фотонов с наноразмерными объектами.

Цель нанофотоники - разработка материалов, имеющих нанометровые размеры (1-100 нм) с новейшими оптическими свойствами и создание на их основе фотонных устройств. В настоящее время нанофотоника рассматривается как альтернатива современной электроники. Использование фотонов при передаче и обработки информации позволит добиться существенных преимуществ, благодаря высокому быстродействию и устойчивости фотонных каналов связи к помехам. К нанофотонным устройствам относятся устройства, использующие структуры размерами 100 нм и менее. Такие устройства решают проблемы миниатюризации многих оптических систем. Нанофотонные устройства не только значительно превосходят электронные аналоги, но и позволяют успешно решать проблемы, связанные с тепловыделением и электропитанием. Слабым местом приборов на основе нанофотоники остается обеспечение надежности электрооптических переключателей, позволяющие преобразовывать электрические сигналы в оптические и наоборот. Изделия кремниевой нанофотоники достаточно малы, поэтому многие из них легко вводятся в электронные чипы. В настоящее время многие оптические наноустройства можно изготавливать на основе стандартных материалов полупроводниковой электроники, так что нанофотоника развивается главным образом за счет сочетания электронных и фотонных компонентов, позволяющего использовать все преимущества и того и другого. Возможность использования в нанофотоники кристаллических пластин из кремния на изоляторе имеет огромное значение, если вспомнить о технологии кремниевой электроники. Созданные на основе таких материалов фотонные наноустройства могут быть легко интегрированы в существующие системы на кристаллах и быстро освоены производством.

К направлениям нанофотоники можно отнести:

-Исследования физических основ генерации и поглощения излучения в оптическом спектре в гетероструктурах с квантовыми слоями, нитями и точками.

Это разработка

- полупроводниковых и сверхпроводниковых источников и детекторов электромагнитного излучения,

- светодиодов на основе полупроводниковых гетероструктур и на органической основе.

- твердотельных и органических лазеров,

- элементов солнечной энергетики,

- наноструктурированных оптических волокон и устройств на их основе,

- элементов фотоники и коротковолновой нелинейной оптики.

К перспективным направлениям миниатюризации фотонных устройств и их интеграции в сложные системы относится использование фотонных кристаллов. Изготовление и исследование свойств наноразмерных оптических резонаторов сейчас является одним из самых интересных направлений развития нанофотоники, представляющих большую практическую и научную ценность.

Основная задача нанофотоники — разработка наноматериалов с улучшенными или принципиально новыми оптическими, электрооптическими и оптоэлектронными свойствами для создания на их основе фотонных функциональных устройств нового поколения. К таким устройствам относятся в частности следующие:

-эффективные источники когерентного и некогерентного излучения с управляемыми характеристиками;

-устройства отображения информации, включая дисплеи портативных приборов и большие цветные экраны;

-приемники излучения и детекторы нового поколения;

-оптоэлектронные (фотоэлектронные) преобразователи, в том числе компактные фотоэлектрические источники питания и солнечные батареи повышенной эффективности;

-фотонная (оптическая) оперативная и долговременная память;

-устройства оптической обработки сигналов, в том числе оптические регенераторы;

-оптические переключатели и коммутаторы, в том числе для оптической коммутации пакетов;

-оптические соединения между элементами электронных вычислительных машин (между блоками, платами, чипами и элементами чипов);

-оптические вычислительные устройства, в том числе квантовые;

-интегрированные сенсорно-диагностические системы для контроля окружающей среды и состояния человека;

К новым перспективным материалам нанофотоники относятся следующие:

-полупроводниковые квантово-размерные материалы, в том числе материалы с квантовыми ямами, квантовыми нитями и квантовыми точками;

-фотонные кристаллы, фотонно-кристаллические пленки и волокна;

-метаматериалы с отрицательным показателем преломления и металлодиэлектрические плазмонные наноматериалы.

Важными средствами исследования материалов в нанофотонике являются ближнепольная сканирующая оптическая микроскопия, сканирующая туннельная микроскопия с применением возбуждающих фотонов (PASTM, photon-assisted scanning tunnel microscopy) и плазмонная оптика поверхности.

Оптоинформатика –область науки и техники, связанная с исследованием, созданием и эксплуатацией новых материалов, технологий и устройств передачи, приема, обработки, хранения и отображения информации на основе оптических технологий. Основные источники излучения в оптоинформатике:

-Полупроводниковые лазеры.

-Лазеры на гетероструктурах.

-Лазеры и усилители на основе квантоворазмерных эффектов (на квантовых точках).

-Вертикально излучающие полупроводниковые лазеры.

-Волоконные лазеры и усилители.

-Планарные лазеры и усилители.

Фотоприемные устройства.

Элементная база волоконно-оптических линий связи. Оптическая запись, хранение и считывание информации:

-Оптические дисковые системы записи и хранения информации,

-Магнитооптические технологии.

-Голографические технологии.

-Регистрирующие среды и механизмы записи.

-Пространственно-временные модуляторы на электрооптическом, магнитооптическом и акустоэлектрическом эффектах.

Оптические технологии в вычислительной технике.

-Оптический компьютеры аналоговые и цифровые.

Плазмонные технологии.

-Наноплазмонный лазер.

-Оптические плазмонные метаматериалы.

-Плазмонные нановолноводы в качестве межсхемных соединений в системах на кристалле.

Квантовая нанотехнология

-Квантовая телепортация состояний

-Квантовые вычисления и операции

-Квантовые вентили(кубиты)

-Квантовые компьютеры на различной физической основе Нанотехнологии, которые широко применяются в фотонике и оптоинформатике: Формирование периодических наноструктур в диэлектрических и полупроводниковых средах с различной размерностью путем воздействия на них потоками атомов, фотонов, ускоренных заряженных частиц.

В основном используются методы молекулярно-пучковой эпитаксии, электронно-лучевой литографии. Технологии изготовление элементов фотонных схем лазеров, волноводов, СВЧ оптических фильтров.

Cписок литературы.

1. Nanophotonics // Wikipedia, the free Encyclopedia. — Chris Monroe, University of Maryland http://en.wikipedia.org/wiki/Nanophotonics.

2. Игнатов А.Н. Оптоэлектроника и нанофотоника: Учебное пособие.-СПб.: Изд-во «Лань»,2011,-544 с.

3. Ю.В.Гуляев, А.С.Бугаев, Р.П.Быстров, С.А.Никитов, В.А.Черепенин. Микро и Наноэлектроника в системах радиолокации. Монография. - М.: Радиотехника, 2013.-480 с.

4.В.С. Кирчанов Наноматериалы и нанотехнологии. Учебное пособие. Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политех.ун-та-.2016.- 241с. Гл.10.

5. Кирчанов. Физические основы нанотехнологий фотоники и оптоинформатики https://pstu.ru/files/2/file/kafedra/fpmm/of/Fizicheskie_osnovi_nanotehnologiyi_fotoniki_i_optoinformatiki_mag.pdf

Код для цитирования: Скопировать