Фотоника и нанофотоника сообщение
Обновлено: 05.07.2024
Свет — это самая быстрая материя по Вселенной. Если мы научимся управлять им — передавать и хранить информацию, совершать вычисления — мы достигнем максимально возможных скоростей. Фотоны — это частицы света, его кванты.
Фотонные технологии используются для производства 35% всей продукции в мире. Лазер может резать и обрабатывать материалы, измерять длину предметов и анализировать уровень сахара в крови. Благодаря оптоволокну у нас есть интернет. На беспилотные автомобили ставят лидары, а в сельском хозяйстве применяют лазерные сепараторы зерна.
🕰️ История
🔶 В середине XX века передача данных с помощью электронов по электрическим кабелям достигла предела. Ситуацию спасли волоконно-оптические системы. Это привело к революции в области информационных технологий.
🔶 До 2001 года фотоника была сконцентрирована на телекоммуникациях, а после — к ней стали относить лазерное производство, биологические и химические исследования, изменение климата и экологический мониторинг, медицинскую диагностику, технологию проекции и так далее.
⚙️ Применение
🔹 Передача данных. Электрический сигнал преобразуется в свет и отправляется по оптоволокну, а на другом конце — принимается и перекодируется обратно в электрический сигнал.
🔹 Промышленность. Лазеры используют для обработки материалов, для диагностики и технических измерений (вспомните лазерный уровень), сварки и прошивки отверстий, поверхностного упрочнения металла, гравировки.
🔹 Волоконно-оптический гироскоп. Первый беспилотный самолёт был построен на базе гироскопа, а смартфон меняет ориентацию экрана в зависимости от положения. В оптическом гироскопе лучи света запускают по оптоволокну, закрученному в катушку; один из лучей придёт раньше — и это позволят измерить изменения положения в 0,01 градуса.
🔹 Морская разведка месторождений. Для исследования морского рельефа и составления карты его плотности, поиска залежей углеводородов используют гидроакустику: посылается сигнал, и его характеру можно узнать об объектах. Здесь также можно использовать оптоволокно — световод станет микрофоном и сенсором.
🔹 Медицина. Фотонику используют для медицинской диагностики и терапии. Ещё одно направление — адресная доставка лекарственных препаратов в организм человека в специальных нанокапсулах.
🔹 Переход от электроники к фотонике. Микропроцессоры имеют огромное количество транзисторов. Они греются и соединены большим количеством проводов, что ограничивает тактовую частоту. Выход — использовать фотоны вместо электронов.
🔹 Сельское хозяйство. Лазерами обрабатывают зерновые культуры, с их помощью производят диагностику растений. Оптико-электронные приборы используют для контроля качества продукции.
🔹 Квантовые вычисления. Мы уже писали о квантовых компьютерах, которые перестают быть фантастикой. Intel, IBM, Google стараются использовать эту технологию. Подробнее про квантовые компьютеры читайте в одном из наших прошлых постов.
💰 Инвестиции
Рынок фотоники оценивался в 2019 году в $686 млрд, а к 2025 году он может перевалить за $1,08 триллиона.
🔵 Nu Quantum, разрабатывающий оборудование для квантовой криптографии и квантового моделирования, привлёк £2,1 млн в октябре этого года.
🔵 Sense Photonics, разработчик решений для беспилотных автомобилей, неделю назад привлёк $6 млн, всего инвестиции в него составили $33,7млн.
🔵 Ayar Labs получил $35 млн. Вместо электронной передачи данных в микропроцессорах он предлагает использовать свет – и это сможет усилить возможности компьютеров, в том числе в целях создания искусственного интеллекта.
Подписывайтесь на телеграм-канал Дока Брауна , чтобы первыми читать узнавать о знаковых новостях венчурного рынка и новых технологиях.
Физик Ильдар Габитов об использовании света для передачи информации, квантовых технологиях и курсах по фотонике
Фотоника — это область науки и техники, которая работает со световыми потоками, потоками фотонов. Фотоны — это частички света, кванты света. Фотоника в настоящее время — это наиболее бурно развивающаяся область науки и техники.
Примерно 35 % всей продукции в мире, которая производится, производится с применением фотонных технологий. Ведущие научные центры занимаются развитием фотонных технологий, и это стало возможным благодаря развитию новых методов, которые позволяют изготавливать устройства очень маленьких размеров. Успехи в фотонике возникли в основном благодаря успехам в области миниатюризации и в области новых материалов.
В последнее время благодаря успехам в области фотоники произошло несколько революций. Например, изобретение оптического волокна привело к революции в области информационных технологий. Ранее информация передавалась по электрическим кабелям, и в середине прошлого века эта технология достигла своего предела. Дальнейшее увеличение скорости передачи информации с использованием электрических принципов, с использованием электронов стало невозможным. Поэтому потребовались какие-то новые принципы, и было изобретено оптическое волокно. Использование света для передачи информации, а точнее, оптических импульсов позволило фантастическим образом увеличивать объемы передаваемой информации.
То, что мы сейчас имеем интернет, мобильные телефоны, все информационное пространство, кардинальным образом изменившее нашу жизнь, ― все это произошло благодаря оптическому волокну. Когда мы разговариваем по мобильному телефону, на самом деле сигнал доходит до приемно-передающей станции, а дальше он выпускается или принимается из оптического волокна. Оптическое волокно и оптические технологии сейчас широко используются в медицине, навигации, технологии, для сварки. Трудно перечислить все полезные применения оптических технологий, которые используются сейчас повсеместно.
Важной темой исследований и технологических разработок являются квантовые технологии. Мотивации этих исследований две. Первая связана с тем, что происходит миниатюризация электронных устройств, а поскольку происходит миниатюризация электронных устройств, становится важным учитывать квантовые эффекты малых размеров. Вторая мотивация связана с тем, что развитие технологии само по себе позволяет использовать удивительные свойства квантового мира ― использовать их для самого широкого спектра различных приложений. Прошлый век с технологической точки зрения был веком электроники. Вторая половина прошлого века была временем не просто электроники, а это был век квантовой электроники. Имеется в виду, что вначале электроника была дискретной, то есть электронные устройства представляли собой лампы, конденсаторы, различные индуктивности, которые собирались в единые электрические цепи, и мы имели телевизоры и радиоприемники. Постепенно возникли транзисторы, они превратились в микросхемы, и в конце концов появились микропроцессоры высокой степени интеграции.
Микропроцессоры высокой степени интеграции содержат громадное количество элементов. Современные процессоры, которые находятся в каждом компьютере или телефоне, содержат огромное количество транзисторов и отличаются исключительно высокой степенью надежности. Но если бы мы попытались сделать устройство такого типа сложности из дискретных элементов, то такое устройство работать в принципе не смогло бы. Оно бесконечно перегорало бы и просто не могло бы функционировать: во-первых, лампы не могут так долго работать, а во-вторых, они потребляли бы огромное количество энергии, возникали бы проблемы с теплоотводом. Здесь очень хорошо работает философский закон, который каждый хорошо знает со школьной скамьи, — переход количества в качество. В этом случае высокая степень интеграции привела к очень широким функциональным возможностям, которые 15–20 лет назад невозможно было себе представить, ― я говорю о компьютерах и гаджетах, которые мы теперь носим в карманах.
Что же произошло на рубеже веков, нынешнего и прошлого? Дальнейшая миниатюризация, а следует отметить, что на сегодняшний день современные технологии составляют 15 нанометров. Что такое нанометр? Нанометр — это 10-9 метра. Это один метр нужно поделить на величину, у которой единичка, а за ней следует 9 нулей — одна миллиардная от метра. Очень маленькая величина и 15 нанометров — это очень мало. Следует выделение тепла. Несмотря на то что каждый транзистор выделяет небольшое количество тепла, их так много в единице объема, что общее выделение тепла становится заметным, и сейчас нет материалов, которые позволяют удалять это тепло. Кроме того, транзисторы нужно соединять проводами, и проводов становится так много, что паразитные индуктивности, емкости, сопротивления начинают ограничивать тактовую частоту и производительность процессоров, что мы и наблюдаем в последнее время: тактовая частота процессоров не растет.
Кроме того, возникает следующая проблема: число электронов, которые участвуют в единице логической операции, приближается к единице. То есть дальше наступает физическое ограничение. Мы же не можем изготавливать устройства, в которых половина или четверть электрона участвует в одной логической операции. Это бессмыслица.
Какой выход из этой ситуации? Люди пытаются вместо электронов использовать фотоны, тем более что есть замечательный пример, когда вместо электронов использовали оптические импульсы для передачи информации. Что пытаются делать люди сейчас — использовать фотоны не только для передачи, но и для обработки информации. Но на этом пути есть огромные проблемы: электрон имеет заряд, поэтому электроном можно управлять электрическим или магнитным полем, а фотон нейтрален. Кроме того, электрон очень маленький (я уже упоминал, что технологические размеры у Samsung или Apple сейчас 10-15 ), а фотон большой. Длина волны, которая используется в современной телекоммуникации, ― 1500 нанометров. Это очень много по сравнению с 15 нанометрами. То есть фотон нельзя поместить в такой маленький размер. Поэтому что сейчас пытаются сделать — это гибридные технологии: совместить электронику и фотонику. Но на этом пути огромные проблемы, потому что технологии несовместимы. К сожалению, фотонные технологии, во-первых, трудно печатать, во-вторых, их нет, и это огромная проблема на сегодняшний день.
Поэтому, во-первых, у нас в Сколково ведутся исследования в этой области. Во-вторых, мы ведем преподавательскую работу и вводим курсы по электронике, фотонике и гибридизации. В частности, у нас имеются курсы по новым квантовым материалам ― это графены, углеродные нанотрубки, различные эффекты, которые в твердых телах, в частности в полупроводниках, возникают, связанные с электроникой. Это основы квантовой электроники, явления сверхпроводимости и многое другое, что связано с квантовой механикой, с современными материалами, в частности с метаматериалами и плазмониками, включая различные квантовые эффекты. И курсы, которые включают в себя современные методы, направленные на гибридизацию фотоники и электроники.
кандидат физико-математических наук, профессор, директор центра фотоники и квантовых материалов Сколковского института науки и технологий, профессор факультета математики University of Arizona, ведущий научный сотрудник Институт теоретической физики им. Л. Д. Ландау РАН
Нанофотоника- нанооптика (англ. nanophotonics) — раздел фотоники, занимающийся изучением физических явлений, возникающих при взаимодействии фотонов с объектами нанометровых размеров, и практическим применением указанных явлений.
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.
Цели и материалы/устройства нанофотоники.
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 и источником постоянного беспокойства при использовании приборов на основе нанофотоники остается обеспечение надежности электрооптических переключателей, позволяющие преобразовывать электрические сигналы в оптические и наоборот.
Изделия кремниевой нанофотоники исключительно 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 быстром их внедрении в производство.
Направления нанофотоники
К направлениям нанофотоники можно отнести:
-Исследования физических основ генерации и поглощения излучения в оптическом спектре в гетероструктурах с квантовыми слоями, нитями и точками.
-Разработку полупроводниковых и сверхпроводниковых источников и детекторов электромагнитного излучения.
-Разработку светодиодов на основе полупроводниковых гетероструктур и на органической основе.
-Разработку твердотельных и органических лазеров.
-Разработку элементов солнечной энергетики.
-Разработку наноструктурированных оптических волокон и устройств на их основе.
-Разработку 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.
Предметом изучения нанофотоники является распространение, преобразование, испускание и поглощение оптического излучения и сигналов в наноструктурах, с целью использования особенностей процессов взаимодействия излучения с веществом при таких масштабах для создания различных функциональных устройств. Нанофотоника возникла на стыке оптики, лазерной физики, квантовой электроники, физики и химии твердого тела, материаловедения, физической химии.
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 некогорентного 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 кристалы, фотонно-кристаллические пленки и волокна;
метаматериалы с отрицательным показателем преломления и металл-диэлектрические 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 [2].
Нанотехнологии, которые наиболее 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.
Изготовление элементов фотонных схем лазеров, волноводов, СВЧ-оптических фильтров.
Möschwitzer J., Müller R.H. Drug Nanocrystals – The Universal Formulation Approach for Poorly Soluble Drugs // Nanoparticulate Drug Delivery Systems. Drugs And The Pharmaceutical Sciences, v. 166 / Ed. by D. Thassu, M. Deleers, Y. Pathak. — Informa Healthcare, 2007. P. 71-88.
метаматериал (англ. metamaterial) — искусственный композитный структурированный материал, электромагнитные свойства которого существенно отличаются от свойств компонентов, входящих в его состав, и определяются особым упорядочением и структурой компонентов (кольцеподобной, рулонной, проводной и т. д.).
Метаматериалы выделены в отдельный класс материалов, так как их свойства зависят от структуры компонентов, упорядоченных особым образом, и могут кардинально отличаться от свойств составляющих их компонентов. К метаматериалам такого типа относятся, например, синтетические дихроичные материалы, состоящие из изотропных компонентов: именно асимметричная структура композитного материала, приводит к появлению анизотропии формы. Существуют метаматериалы с многократно увеличенными электрической проницаемостью и магнитной восприимчивостью, метаматериалы, эффективность нелинейных эффектов в которых увеличивается на много порядков по сравнению с обычными веществами. Например, эффективность гигантского комбинационного рассеяния может возрастать в раз по сравнению с вынужденным комбинационным рассеянием в компонентах, на порядки увеличивается эффективность генерации второй и третьей гармоник.
Один из наиболее известных классов метаматериалов — метаматериалы с отрицательным коэффициентом преломления, у которых одновременно отрицательны диэлектрическая и магнитная проницаемость. Существование веществ с одновременно отрицательными диэлектрической и магнитной проницаемостями было теоретически обоснована в работе В. Г. Веселаго, вышедшей еще в 1967 г. [1]. Как показал автор, такие вещества характеризуются отрицательными значениями показателя преломления, а многие оптические свойства существенно отличаются от свойств традиционных материалов. Природных материалов с такими свойствами пока не обнаружено. Экспериментально вещества с отрицательным показателем преломления в радиодиапазоне электромагнитных волн были созданы в 1999 г. [2]. В настоящее время широким фронтом ведутся работы по созданию и исследованию метаматериалов с отрицательным показателем преломления в оптическом диапазоне. Все созданные искусственно материалы с одновременно отрицательными диэлектрической и магнитной проницаемостями в оптическом диапазоне являются композитами, содержащими металлические и диэлектрические компоненты.
Весьма перспективным классом метаматериалов являются фотонные кристаллы, в частности резонансные фотонные кристаллы [3].
Веселаго В. Г. Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями ε и μ // УФН. 1967. Т. 92. С. 517.
Pendry J. B., Schurig D., Smith D. R. // Science. 2006. V. 312. P. 1780.
Манцызов Б.И. Когерентная и нелинейная оптика фотонных кристаллов. — М.: Физматлит, 2009. — 206 с.
Вопросы по нанофотонике.
1.Основныепонятия: электромагнитная волна уравнение волны волновойвектор фазовая и групповая скорость. Уравнения Максвелла Уравнение волны в комплексной форме УравненияМаксвелла в комплексной форме. Классификация волн.
2. Волновая функция и уравнение Шредингера. Уравнение Шредингера. Волновая функция , ее физический смысл. Частица в бесконечно глубокой потенциальной яме (решение уравнения Шредингера ). Разрешенные уровни энергии для частицы в бесконечно глубокой потенциальной яме. Квантовый конфайнмент.
3. Размерное квантование и квантово–размерные структуры. Уравнение Шредингера. Энергетический спектр кантово-размерных структур. Квантовые ямы. Квантовые нити.
Квантовые точки. Квантовый конфайнмент. Плотность состояний.
4. Фотонные кристаллы. Одномерные фотонные кристаллы . Методы матрицы преобразования для слоисто-периодических структур. Получение дисперсионного
Уравнения для одномерного фотонного кристалла.
5. Тензор диэлектрической проницаемости. Тензор магнитной проницаемости. Дисперсионное уравнение для полупроводникового одномерного фотонного кристалла.
6. Расчет зонной структуры одномерного фотонного кристалла (по Sakoda).
7. Плазмоны. Плазма. Волны в плазме. Плазменная частота.
8. Теория металлов Друде.
9. Эффективная диэлектрическая проницаемость. Частотная дисперсия материальных
параметров. Соотношения Крамерса-Кронига.
10. Теория эффективной среды. Композитная среда со сферическими включениями. Композитная среда с эллипсоидальными включениями. Формализм Максвелла Гарнета.
11.Плазмоны. Плазмон– поляритоны. Поверхностныеплазмоны. Дисперсионные кривые.
Возбуждение поверхностных плазмонов. Плазмоный резонанс в сферических частицах .
13. Построение дисперсионных кривых для одномерного фотонного кристалла
14. Расчет эффективной диэлектрической проницаемости композитной среды (включения
15.Графическое нахождение запрещенных и разрешенных зон при помощи функции F
- биологические и физические исследования ; — наблюдения за изменением климата Земли и экологический мониторинг; — медицинская диагностика (исследование сущности болезни и состояния заболевшего человека) и терапия (лечение, оздоровление).
Нанофотоника
Квантовый компьютер
Одно из самых важных применений квантового компьютера сейчас — разложение на простые числа. Дело в том, что вся современная криптография основана на том, что никто не сможет быстро разложить число из 30–40 знаков (или больше) на простые множители. На обычном компьютере на это уйдёт миллиарды лет. Квантовый компьютер сможет это сделать примерно за 18 секунд.
Читайте также: