奈米技術/奈米光學

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奈米光子學和奈米光學

隨著對更小、更快、更高整合的光學和電子器件的需求不斷增加，以及對生物醫學和環境應用中極其敏感的探測器的需求不斷增加，一個名為奈米光學或奈米光子學的領域正在興起 - 研究奈米結構的許多有希望的光學特性。

與奈米技術本身一樣，它是一個快速發展和變化的領域 - 但由於光通訊和相關器件的強烈研究活動，加上對奈米技術的密集研究，奈米光學似乎是一個前景光明的領域。

奈米光子學被認為是將摩爾定律擴充套件到未來幾十年的關鍵技術。在過去幾年中，全球的奈米光子學研究人員開發了晶片上矽雷射器、千兆赫矽電光開關和低損耗高度可整合緊湊奈米線（波導寬度為 100 奈米）。

預計奈米光子學將在晶片上發揮與微/奈米電子學互補的作用，並將電信網路的容量擴充套件到太位元/秒量級。近年來，人們一直非常重視開發片上互連，以打破整合晶片中更高資料速率的瓶頸。

結合奈米流體學，奈米光子學也在生物醫學感測器、醫療診斷等領域得到應用。

具有超長壽命的陷光微腔等奈米光子器件有望在引力波探測等基礎實驗物理領域得到應用。

英特爾、IBM、朗訊和 Luxtera 擁有功能強大且資金充足的奈米光子學研究團隊。美國、英國、日本、義大利、中國、比利時等許多大學一直在積極開展奈米光子學研究。除了“Web of Science”等出版資料庫中關於該詞的點選量不斷增加，這表明它已經引起了越來越多的關注外，它也越來越多地出現在資助機構的目標中，隨著經濟支援的增加，這肯定會增加該領域的活動。

電光調製器

電光調製器是用於調製或修改光束的器件。目前它們主要用於資訊科技和電信行業（例如光纖電纜）。EOM 在奈米光子學中具有良好的潛力。奈米級光通訊器件將具有更高的速度和效率，一旦它們能夠被設計和使用。奈米尺寸的電光調製器將是奈米級通訊網路的組成部分。

光電探測器

光電探測器響應輻射能。它們基本上是光或其他電磁能量的感測器。感測器是一種電子裝置，它將一種型別的能量轉換為另一種能量，以實現各種目的。奈米尺寸的光電探測器將是理論上奈米級光資訊網路的組成部分。

電光開關

電光開關將光纖中的訊號轉換為電訊號。它們通常基於半導體，其功能取決於折射率隨電場的變化。這一特性使它們成為高速、低功耗器件。無論是電光開關還是熱光開關，都無法與光機械開關的插入損耗、回波和長期穩定性相媲美。最新的技術將全光開關結合在一起，可以在不將訊號轉換為電域的情況下實現光纖的交叉連線。這極大地提高了切換速度，使當今的電信公司和網路能夠提高資料速率。然而，這項技術目前還處於開發階段，部署的系統成本遠遠高於使用傳統光機械開關的系統。

光子晶體

“光子晶體由週期性的介電或金屬介電奈米結構組成，這些結構被設計為以與半導體晶體中的週期勢影響電子運動相同的方式影響電磁波 (EM) 的傳播，透過定義允許和禁止的電子能帶。簡而言之，光子晶體包含規律重複的高、低介電常數內部區域。”光子晶體用於修改或控制光的流動。光子晶體可能在光資料傳輸中具有新穎的用途，但並不十分突出。它們可用於過濾光纖電纜中的干擾，或提高傳輸質量。此外，它們可以用來分離不同波長的光。光子晶體已經可以製造到接近奈米尺度。

感測器

奈米技術為光子感測器創造了許多新的、有趣的領域和應用。現有的用途，如數碼相機，可以得到增強，因為與現有技術相比，可以在感測器上放置更多的“畫素”。此外，感測器可以在奈米尺度上製造，因此它們將具有更高的質量，並可能沒有缺陷。最終的結果是照片將更大，更準確。作為通訊網路的一部分，光子感測器將用於將光資料（光子）轉換為電能（電子）。奈米級光子感測器將更加高效，並且基本上會獲得與在奈米尺度下構建的其他材料類似的優勢。

多路複用器

多路複用器是一種將許多資料流轉換為一個單一資料流的裝置，然後用解複用器將該資料流分成單獨的資料流。主要優點是節省成本，因為只需要一條物理鏈路，而不是許多物理鏈路。在奈米光學中，多路複用器將有許多應用。它們可以用作通訊網路的一部分，以及用於各種現代科學儀器的更小規模應用。

二氧化釩

二氧化釩具有有趣的特性，可以在不到 100 飛秒（萬億分之一秒的十分之一）的時間內從透明狀態變為反射的鏡面狀態。範德比爾特大學在 68 攝氏度發現了這種轉變。轉變發生的溫度可以透過新增少量雜質來改變，並且可以將溫度降低多達 35 攝氏度。然而，存在尺寸限制，對於小於 20 個原子寬或 10 奈米的粒子，這種變化不會發生。這種特性有許多應用。可能的應用包括一種“太陽遮陽”窗戶，它可以在溫度開始上升時自動從透光變為反射光。此外，可以製造出能夠測量人體細胞不同位置溫度的奈米感測器。然而，最重要的是，這種轉變可用於建立“超快”光開關，該開關可用於通訊或計算。目前，研究人員正在研究是否可以在光纖末端塗覆一層二氧化釩奈米粒子，以建立超高速鏈路。

量子點

量子點有幾個應用。第一個發現的應用是它們能夠發射非常特定的波長的光。這與其他發光燈泡不同，因為量子點可以非常精確地調整到可見光譜和紫外光譜。研究人員發現，如果他們將大約 2000 個量子點放在一起，他們將擁有一個精細調整的 LED。研究人員已經嘗試了很長時間讓這些點發出光。在 1990 年代，有人能夠獲得深紅色光。從那以後，其他研究人員已經能夠將這些點調整到更高的頻率，從而獲得藍色和綠色光。這方面的應用將是有益的，這樣我們就可以製造出全綵螢幕和顯示器。

資源

• 近場和遠場 - 近場和遠場輻射在某種程度上可以比作聽隨身聽耳機；戴耳機的人即使在低音波長遠大於耳機的情況下也能完美地聽到聲音。如果您沒有戴耳機，高頻聲音會比低音高得多。低音只能在近場聽到。
• 等離子體
• 羅切斯特奈米光學

參考文獻

• Lucas Novotny 和 Bert Hect，《奈米光學原理》，劍橋大學出版社 (2006)。