3.2. Нанофотоника

Фотоника представляет собой научно-техническое направление, включающее в себя фундаментальные и прикладные исследования явлений взаимного преобразования электрических и оптических сигналов в веществе и создания на этой основе устройств для генерации, передачи, хранения, обработки и отображения информации. Фотоника по существу является аналогом электроники, только вместо электронов в ней используются кванты электромагнитного поля – фотоны.

Основными объектами исследований фотоники являются:

• светодиоды на основе полупроводниковых гетеропереходов;

• светоизлучающие структуры на основе квантово-размерных слоев, квантовых нитей и квантовых точек;

• твердотельные и органические лазеры;

• высокочувствительные детекторы электромагнитного излучения;

• элементы солнечной энергетики;

• наноструктурированные оптические волокна и устройства на их основе;

• элементы нелинейной оптики;

• элементы обработки оптической информации на основе фотонных кристаллов.

Перспективным направлением миниатюризации фотонных устройств и их интеграции в сложные системы является использование т. н. фотонных кристаллов. Эти кристаллы представляют собой искусственные периодические наноструктуры, сформированные таким образом, что электромагнитные волны некоторых частот (или даже диапазонов частот) не могут в них распространяться ни в каком направлении. Например, на основе планарных фотонных кристаллов можно создать миниатюрные и очень эффективные нанорезонаторы, позволяющие локализовать мощные электромагнитные поля в очень малых объемах в течение длительного времени. Более того, возможны резонаторы, позволяющие «концентрировать» свет в воздухе; такие устройства могут служить весьма перспективным инструментом для изучения процессов взаимодействия света и вещества в нанометровом масштабе. Изготовление и исследование свойств наноразмерных оптических резонаторов в настоящее время является одним из самых интересных направлений развития фотоники, представляющим большую практическую и научную ценность.

С развитием нанофотоники связывают перспективы работ по созданию оптических компьютеров, интенсивная разработка которых ведется с середины 1980-х годов. Сердцем таких компьютеров является оптический процессор, использующий элементы, в которых свет управляет светом, а логические операции осуществляются в процессе взаимодействия световых волн с веществом. Первый макет цифрового оптического устройства, способного выполнять логические операции с высоким быстродействием и малым потреблением энергии, создан в 1990 году в американской фирме «Белл». Принципиальным недостатком всех разработанных до настоящего времени вариантов оптических компьютеров была крайне низкая интегрируемость их отдельных компонентов, невозможность обеспечить эффективные сопряжения между матрицами преобразования и хранения информации и волноводами. Предполагается, что данная проблема может быть решена с помощью фотонных кристаллов, использование которых позволит создать полностью оптический процессор.