纳米技术/纳米光学

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纳米光子学和纳米光学

随着对更小、更快、更高集成的光学和电子器件的需求不断增加，以及对生物医学和环境应用中极其敏感的探测器的需求不断增加，一个名为纳米光学或纳米光子学的领域正在兴起 - 研究纳米结构的许多有希望的光学特性。

与纳米技术本身一样，它是一个快速发展和变化的领域 - 但由于光通信和相关器件的强烈研究活动，加上对纳米技术的密集研究，纳米光学似乎是一个前景光明的领域。

纳米光子学被认为是将摩尔定律扩展到未来几十年的关键技术。在过去几年中，全球的纳米光子学研究人员开发了芯片上硅激光器、千兆赫硅电光开关和低损耗高度可集成紧凑纳米线（波导宽度为 100 纳米）。

预计纳米光子学将在芯片上发挥与微/纳米电子学互补的作用，并将电信网络的容量扩展到太比特/秒量级。近年来，人们一直非常重视开发片上互连，以打破集成芯片中更高数据速率的瓶颈。

结合纳米流体学，纳米光子学也在生物医学传感器、医疗诊断等领域得到应用。

具有超长寿命的陷光微腔等纳米光子器件有望在引力波探测等基础实验物理领域得到应用。

英特尔、IBM、朗讯和 Luxtera 拥有功能强大且资金充足的纳米光子学研究团队。美国、英国、日本、意大利、中国、比利时等许多大学一直在积极开展纳米光子学研究。除了“Web of Science”等出版数据库中关于该词的点击量不断增加，这表明它已经引起了越来越多的关注外，它也越来越多地出现在资助机构的目标中，随着经济支持的增加，这肯定会增加该领域的活动。

电光调制器

电光调制器是用于调制或修改光束的器件。目前它们主要用于信息技术和电信行业（例如光纤电缆）。EOM 在纳米光子学中具有良好的潜力。纳米级光通信器件将具有更高的速度和效率，一旦它们能够被设计和使用。纳米尺寸的电光调制器将是纳米级通信网络的组成部分。

光电探测器

光电探测器响应辐射能。它们基本上是光或其他电磁能量的传感器。传感器是一种电子设备，它将一种类型的能量转换为另一种能量，以实现各种目的。纳米尺寸的光电探测器将是理论上纳米级光信息网络的组成部分。

电光开关

电光开关将光纤中的信号转换为电信号。它们通常基于半导体，其功能取决于折射率随电场的变化。这一特性使它们成为高速、低功耗器件。无论是电光开关还是热光开关，都无法与光机械开关的插入损耗、回波和长期稳定性相媲美。最新的技术将全光开关结合在一起，可以在不将信号转换为电域的情况下实现光纤的交叉连接。这极大地提高了切换速度，使当今的电信公司和网络能够提高数据速率。然而，这项技术目前还处于开发阶段，部署的系统成本远远高于使用传统光机械开关的系统。

光子晶体

“光子晶体由周期性的介电或金属介电纳米结构组成，这些结构被设计为以与半导体晶体中的周期势影响电子运动相同的方式影响电磁波 (EM) 的传播，通过定义允许和禁止的电子能带。简而言之，光子晶体包含规律重复的高、低介电常数内部区域。”光子晶体用于修改或控制光的流动。光子晶体可能在光数据传输中具有新颖的用途，但并不十分突出。它们可用于过滤光纤电缆中的干扰，或提高传输质量。此外，它们可以用来分离不同波长的光。光子晶体已经可以制造到接近纳米尺度。

传感器

纳米技术为光子传感器创造了许多新的、有趣的领域和应用。现有的用途，如数码相机，可以得到增强，因为与现有技术相比，可以在传感器上放置更多的“像素”。此外，传感器可以在纳米尺度上制造，因此它们将具有更高的质量，并可能没有缺陷。最终的结果是照片将更大，更准确。作为通信网络的一部分，光子传感器将用于将光数据（光子）转换为电能（电子）。纳米级光子传感器将更加高效，并且基本上会获得与在纳米尺度下构建的其他材料类似的优势。

多路复用器

多路复用器是一种将许多数据流转换为一个单一数据流的设备，然后用解复用器将该数据流分成单独的数据流。主要优点是节省成本，因为只需要一条物理链路，而不是许多物理链路。在纳米光学中，多路复用器将有许多应用。它们可以用作通信网络的一部分，以及用于各种现代科学仪器的更小规模应用。

二氧化钒

二氧化钒具有有趣的特性，可以在不到 100 飞秒（万亿分之一秒的十分之一）的时间内从透明状态变为反射的镜面状态。范德比尔特大学在 68 摄氏度发现了这种转变。转变发生的温度可以通过添加少量杂质来改变，并且可以将温度降低多达 35 摄氏度。然而，存在尺寸限制，对于小于 20 个原子宽或 10 纳米的粒子，这种变化不会发生。这种特性有许多应用。可能的应用包括一种“太阳遮阳”窗户，它可以在温度开始上升时自动从透光变为反射光。此外，可以制造出能够测量人体细胞不同位置温度的纳米传感器。然而，最重要的是，这种转变可用于创建“超快”光开关，该开关可用于通信或计算。目前，研究人员正在研究是否可以在光纤末端涂覆一层二氧化钒纳米粒子，以创建超高速链路。

量子点

量子点有几个应用。第一个发现的应用是它们能够发射非常特定的波长的光。这与其他发光灯泡不同，因为量子点可以非常精确地调整到可见光谱和紫外光谱。研究人员发现，如果他们将大约 2000 个量子点放在一起，他们将拥有一个精细调整的 LED。研究人员已经尝试了很长时间让这些点发出光。在 1990 年代，有人能够获得深红色光。从那以后，其他研究人员已经能够将这些点调整到更高的频率，从而获得蓝色和绿色光。这方面的应用将是有益的，这样我们就可以制造出全彩屏幕和显示器。

资源

• 近场和远场 - 近场和远场辐射在某种程度上可以比作听随身听耳机；戴耳机的人即使在低音波长远大于耳机的情况下也能完美地听到声音。如果您没有戴耳机，高频声音会比低音高得多。低音只能在近场听到。
• 等离子体
• 罗切斯特纳米光学

参考文献

• Lucas Novotny 和 Bert Hect，《纳米光学原理》，剑桥大学出版社 (2006)。