В области инфокоммуникационных технологий нанофотонику рассматривают как альтернативу современной электронике. Применение фотонов, а не электронов, при передаче и обработке информации дает существенные преимущества из-за большого быстродействия и устойчивости к помехам фотонных каналов связи.
Что такое нанофотоника?
Нанофотоникой называют раздел фотоники, который рассматривает процессы, проявляющиеся при взаимодействии света с очень малыми объектами.
Целью нанофотоники считают создание материалов с новыми оптическими свойствами, которые позволили бы сконструировать фотонные устройства.
К устройствам нанофотоники причисляют объекты, применяющие элементы, размер которых меньше, чем $10^{-7}$ м. Эти устройства решают проблемы уменьшения размеров большого числа оптических систем, которые содержат:
- волноводы,
- резонаторы,
- интерферометры и др.
Вычислительные устройства, использующие нанофотоные объекты, существенно превосходят электронные аналоги в области быстродействия. Они дают возможность обойти проблемы, которые связаны с выделением тепла и электропитанием в вычислительных системах.
Проблемой при использовании устройств нанофотоники является на сегодняшний день отсутствие надежных электрооптических переключателей, которые позволяли бы преобразовывать электрические сигналы в оптические и обратно.
Оптические наноматериалы
Наноматериалы имеют ряд особенностей, которые определяют их уникальные оптические и электропроводящие свойства:
- Очень малый размер, переход от твёрдого тела с его зонной структурой к обособленным электронным уровням, ограничение длины свободного пробега носителей из-за влияния кластерной поверхности приводят к изменениям правил отбора мод и вызывают к жизни новые оптические переходы. Изменяется энергии переходов, время флюоресценции и люминесценции, увеличивается силы осцилляторов.
- Матрица и вещество в котором находятся кластеры. Наноматериалы являются основой для создания светоперестраиваемых диодов и лазеров, у которых можно изменять длину волны. Создание определенного порядка из нанокластреов дает возможность получить фотонные кристаллы, обладающие постоянной решеткой, размер которой сравним с длиной световой волны.
- Оптические свойства наночастиц полупроводниковых элементов и самих материалов существенно отличаются. Оптические спектры поглощения, при уменьшении частицы, претерпевают сдвиг в голубую сторону (сторона уменьшения длины волны). Фотоны, имеющие энергию равную и больше, чем ширина запрещенной зоны полупроводника, способны создавать электронно-дырочные пары. Электрон и дырка перемещаются независимо друг от друга. В некоторых случаях возникают экситоны. Они не влияют на проводимость электричества. Появление экситонов происходит легче в квантовых ямах, поскольку нахождение в ограниченных областях усиливает эффект перекрытия волновых функций электронов и дырок.
Экситоны – электрически нейтральные частицы, которые образованы электроном и дыркой в полупроводнике благодаря взаимодействию зарядов противоположного знака.
Наночастицы обладают некоторыми особенностями при поглощении и рассеивании света. Данные особенности проявляются в экспериментах с большим количеством наночастиц. Так, при поглощении света в тонкозернистых пленках металлов в видимой части спектра возникают пики поглощения, которых нет в массе металла.
Наноплазмоника
Оптика внутриволновой зоны излучения (или наноплазмоника), основывается на физических механизмах возбуждения поверхностных плазмонов (ПП) в металлах при их облучении импульсами видимого света.
Поверхностными плазмонами называют связанные колебания электромагнитного поля и электронов проводимости, которые распространяются по поверхности проводника (вдоль нее).
Иногда ПП интерпретируют как электромагнитные волны, которые захватила поверхность металла в результате взаимодействия электронами проводимости. При этом взаимодействии свободные электроны совместно реагируют на силовое действие поля и их осцилляции приходят в резонанс с волной света. Гибридность поверхностного плазмона отражена в иное его наименовании: плазмон-полярон. В этом случае плазмон относят к колебаниям заряда на поверхности проводника, а полярон относят к электромагнитному полю в диэлектрике. Волновой вектор в проекции на ось $X$ (направление его распространения) можно записать как:
$k_{x}=\frac{\omega }{c}\sqrt \frac{\varepsilon_{1}\varepsilon_{2}}{\varepsilon_{1}+\varepsilon_{2}} \left( 1 \right)$,
где$ ε_1$; $ε_2$ – диэлектрические проницаемости диэлектрика и проводника.
Эксперименты выявили принципиальные изменения при прохождении света сквозь наноотверстия в металлах, которые указывают на резкое увеличение (в сравнении с обычной оптикой) коэффициентов прохождения сигнала света и его усиление. Кроме этого, наноструктурирование веществ около нанощелей и применение наноотверстий ведут к изменению спектра и направления излучения. Так, данные материалы принципиальным образом изменяют наши представления о прохождении света сквозь вещество.
Физическим основанием для изменений в транспортных свойствах материалов с наноструктурой служит возбуждение волной света поверхностных плазмонов в проводнике. Эти плазмоны могут распространиться, на гораздо большие по глубине, расстояния в сравнении со световой волной.
Интерференция излучения на передней и задней поверхностях наноструктур дает возможность получить изменение проходимости и состава спектра в большом диапазоне.
Открытые свойства транспорта импульсов света сквозь наноструктуры дает новые возможности использования их для создания скоростных фотодетекторов и систем телекоммуникаций.
Особым интересом пользуется применение нанопор с целью детекции и расшифровки соединений молекул. Данные возможности основываются на резком уменьшении исследуемого объема в сравнении с объемами «классического» детектирования.
Нанооптика открывает возможности декодирования сложных соединений молекул, включая структуру биомолекул.
