Нанофотоника

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.

Не секрет, что основным двигателем прогресса является информация. Поэтому на протяжении всей своей истории человечество непрерывно искало новые способы формирования, передачи и обработки информационных потоков: шумерская клинопись, египетские иероглифы, финикийский алфавит, азбука Морзе, двоичная система исчисления и компьютерные кодировки - все это важнейшие индикаторы, однозначно определяющие степень развития человеческой цивилизации на определенных исторических этапах. Совершенствовались и носители информации: глиняные таблички, папирус, пергамент, бумага, электрические и радиосигналы. Впрочем, даже на заре цивилизации человек осознавал, что самым быстрым носителем информации является свет. Зажженный в ночи факел подаст сигнал удаленному объекту быстрее, чем самый быстрый гонец или почтовый голубь. Активное использование света в информационных технологиях началось только в последнее время, когда благодаря достижениям науки возникли новые источники света, способы передачи световых сигналов на тысячи километров и устройства обработки полученной информации. Ввиду своей огромной значимости и невероятных перспектив развития, область науки и техники, связанная с созданием способов генерации, передачи и обработки световых сигналов, а также с изучением протекающих при этом процессов, получила специальное название – фотоника.

Рассказ о фотонике уместно вести, проводя параллели с другой чрезвычайно важной областью современной науки и техники - электроникой, в основе которой лежат процессы, протекающие с элементарными носителями заряда - электронами. Различные эффекты, связанные с электричеством (молнии, притяжение натертым кусочком янтаря мелких предметов и др.), были известны человеку с незапамятных времен. Однако, создание и повсеместное использование всевозможных электронных устройств стало возможно лишь тогда, когда возникли источники, средства передачи и средства обработки электрических сигналов. Причем во всех трех случаях решающую роль сыграло материаловедение (в частности, создание современной базы электронных компонентов стало возможным, в первую очередь, благодаря разработке технологий глубокой очистки полупроводников и юс легирования).

По аналогичному пути идет и развитие фотоники (рис. 9). О перспективах фотоникн как альтернативы электронике стало возможно думать после разработки в 50-х годах прошлого века советскими физиками Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым принципов работы мощных узконаправленных и удобных источников когерентного излучения — лазеров. Вслед за этим ученые обратили внимание на средства передачи фотонов. Передавать световые сигналы по воздуху, несмотря на его «прозрачность», неэффективно — в атмосфере содержится огромное количество пыли и капель воды, которые сильно рассеивают свет. Поэтому для передачи фотонов было придумано оптическое волокно, состоящее из сверхчистого стекла. Что касается средств управления фотонами, некоторые из них — призмы, дифракционные решетки и др. — известны уже достаточно давно. Впрочем, подобно тому, как прорыв в электронике произвела разработка технологий глубокой очистки полупроводников, революция в фотонике должна произойти вслед за созданием особых оптических материалов, свойства которых по отношению к фотонам напоминали бы свойства полупроводников по отношению к электронам — как ожидается, это произойдет в самом ближайшем будущем.

Рис. 9. Некоторые элементы фотоникн: лазер, стеклянное оптоволокно, фотодиоды, призма и дифракционная решетка.

Современные нанотехнологии играют решающую роль в развитии фотоники. Например, недавно появившиеся наноструктурированные волноводы по многим характеристикам значительно превосходят обычное стеклянное оптоволокно. Полупроводниковые наночастипы могут совершить революцию в области источников света благодаря мощной люминесценции и возможности, синтезируя наночастицы заданного размера, управлять длиной волны излучаемого света. Наконец, материалы с упорядоченной микроструктурой.

В последнее время нередко выделяют особую область науки, издающую оптические явления на наноуровне — нанофотонику. С одной стороны, развитие фотоникн и создание новых оптических устройств, как и в случае электроники, неизбежно приведет к необходимости миниатюризации функциональных компонентов. С другой стороны, достижения нанофотоники уже сейчас позволяют решать многие прикладные задачи. В качестве примера представим, что мы хотим увидеть в оптический микроскоп ДНК. Нити ДНК могут быть достаточно длинными, однако они настолько тонкие, что увидеть их даже с использованием самой лучшей оптики не представляется возможным. Впрочем, проблему можно решить, если прицепить к цепочке ДНК квантовые точки. В этом случае при облучении образца ультрафиолетовым светом нить ДНК начинает светиться, и ее уже можно будет увидеть в окуляр микроскопа.