纳米光子学.

-------1纳米光子学简介•学科的形成：1.科学技术的进步，一种新的集成工艺；•学科的定义：2.纳米光子学是研究在纳米尺度上光与物质相互作用的一门学科。利用近场光学对纳米器件进行设计制造和运用的技术，属于光子学的分支。内容分类：1.在纳米尺度上限制物质2.在纳米尺度上限制波的辐射3.在纳米尺度上的光学加工光子学（Photonics）•包含传统光学、现代光学、光电子学和微光学在内的宽广领域统称为光子学。•特点：光子学是一门与电子学平行的科学。光子学的发展激光半导体微加工技术芯径几微米的石英光纤集成光，微米尺寸器件光纤通信光传感器光显光存光照621世纪被誉为光子世纪•光子学内容极为宽广，其涉及多种学科和高技术领域；光子学技术的应用遍及国民经济各行各业和科学技术的各个领域。光子学Photonics光学和光学工程电子学和微电子技术材料科学和技术计算机科学技术生命科学及技术据专家预测，在21世纪中，光子产业的总产值将超过电子产业的总产值。因此21世纪被誉为光子世纪。光通讯7光子学的发展•1905年爱因斯坦将量子论用于解释光电效应，并提出了光子的概念。明确提出当光作用于物质时，光是以“光子”（光的能量会集成一个个的“能包”）作为最小单位进行的。•光电探测器---光子——电子转换器•半导体激光器---电子——光子转换器•是光电相互依存和相互转化的典型例子。8/19/20208光子学与电子学相似的发展历程电子学光子学真空电子学（真空管器件）固体电子学（晶体管）微电子学（集成电路）各种类型的激光器、探测器半导体激光器微光子学（光子集成器件）9光子学的发展•1960年激光的发明•激光器(LASER)是电子学中微波量子放大器(MASER)在波长上的延伸。•激光器的发明不仅提供了光频波段的相干电磁波振荡源，而且对时至今日的无线电频率下的许多电子学的概念、理论和技术原则上均可延伸到光频波段，如振荡、放大、倍频、混频、参量、调制、信息处理、通信、雷达以至计算机等。E1E212EEhhhh8/19/202010光子学的发展•光学和电子学两个学科的相互交融，促成了光子学的建立，可以说光子学是发展到现阶段的光学。•由于激光的发明，低损耗光纤的研制成功和半导体光电器件的发展，使光学迅速进入近代高新技术舞台，并对近代科学技术和人类社会生活产生巨大的影响。TheodoreHaroldMaimanBornJul11192711光子学与电子学的关系•光子学与电子学的关系是继承与发展和相互依存的关系。在信息科技领域，20世纪电子学作出了巨大贡献，但由于其本身固有特性带来的局限而使其进一步发展无论在速度、容量还是在空间相容性上都受到限制。•而光子的特性却蕴藏着巨大的发展潜力并表现出明显的优越性，许多方面弥补了电子学的不足，为信息科技的发展提供了新的可能性。12光子器件与电子器件性能比较频率（带宽和信息容量）3×1011～6×1016Hz1000倍以上，高4～5个数量级3×108～3×1011Hz传输速度光波在真空中传输速度为光速，在光纤中传输速度接近光速无线电波在金属导线传输，受RC时间常数限制抗干扰能力无电磁干扰抗干扰能力差信息存储能力可实现三维光存储磁存储13•回顾电学和光学的发展历史，我们可以发现：物理学的两个孪生分支——电学和光学，它们的发展历程是相似的且又是相辅相成的。•光子学是研究光子与物质相互作用及其应用的一门新兴学科14基础学科技术学科电学（18世纪开始）电磁场理论电工学（电工、电器、电机技术）电子物理学（20世纪开始）电子管与电子线路理论电子学纳米电子学真空管电子学标志：1906年发明真空三级管固体电子学标志：1948年发明半导体晶体管微电子学标志：1960年发明集成电路21世纪发展纳米电子材料与器件光学（18世纪开始）基于自发辐射光源工程光学（光学材料、光学元件、光学仪器技术）现代光学（20世纪中开始）基于受激辐射光源光子学纳米光子学激光技术标志：1960年发明固体和气体激光器光子技术标志：1970年发明低损耗光纤，室温连续运转半导体激光器和集成光学技术21世纪发展近场光学、纳米光学材料与器件15信息时代的光子学•20世纪后半叶人类进入了信息时代。电子技术和光子技术的相配合衍生的光电子技术是信息时代的标志。21世纪光子学在众多科学技术领域中起着领军作用。光子信息光子学能量光子学固态光子学生物医学光子学光子物理16信息与光子二者之间的关系•（1）要求信息密度越来越高，这促使人们开发更短波长的信息载体即光波，而且光波的运用由红外向短波紫外方向发展。例如，在DVD光盘中，若以蓝光发射的激光器代替红光发射的激光器，其光学数据存储量将增加约2.5倍。•（2）数字化的要求更加迫切，数字化比模拟量更准确，容易合成，容易压缩。光子技术在信息的探测、采集、处理、传输、存储及显示等诸多方面都显现出其突出的优点，具有很强的竞争力。17光子技术优越性•器件响应和系统处理速度快•光开关器件响应时间最快达到10-15s即飞秒(fs)量级，几乎到了其固有极限值。•利用多重波长和并行互联及并行处理，能克服冯·诺依曼结构的电子计算机的瓶颈效应，光布线技术，可实现光互联；•由于光可以进行并行处理，没有阻抗匹配和没有必要布线回路，故可进行高速信号处理等。18超高速运算速度光脑（光计算机）在21世纪将有可能取代电脑•光脑的优越性：1，光脑的并行处理能力强，具有超高速运算速度，其运算速度比电脑快1000倍。2，超高速电脑只能在低温状态工作，而光脑在室温下即可工作。3，光脑利用光子传递信息，不需要导线，即使在光线相交的情况下，它们之间也丝毫不会相互影响。4，光脑所需之驱动能量很小，所产生的热量大大减少。19摩尔定律Moore’sLaw•“集成电路芯片上所集成的晶体管的数目，•每隔18个月至24个月就将会翻一番。”20前言CMOS芯片制造工艺极限5nm---预计2017年制程达3nmDr.GordonE.Moore65nm英特尔公司最近宣布在推出用90纳米工艺批量生产的新型奔腾4处理器之后，又使用先进的65纳米工艺技术，成功制造出了包含有5亿多个晶体管、并具备全部功能的70MB静态随机存取存储器(SRAM)芯片。德州仪器(TI)也宣布他们的65纳米工艺技术技术已经达标，在更紧凑的空间内具更高的处理性能，采用了SmartReflex电源及性能管理技术不会导致功耗增加。21摩尔定律何时了•“任何指数函数一旦外推到一定程度都会遇到阻碍。•……我们不可能做得更小了。”•-----戈登·摩尔2017年10亿芯片集成度22纳米光子学应运而生•信息社会对集成电路的集成度的要求越来越高，这也促使人们不断探索能够突破器件尺寸极限的途径。于是在这种形势的威逼下纳米光子学（Nanophotonics）便应运而生了。•纳米光子学的一个理想目的就是通过纳米技术，将有可能从单个的分子开始构建出功能完全等同于芯片的一种物质，它既能够储存数据又能用作电子通道的开关。23纳米光子学•纳米光子学（Nanophotonics）是研究纳米结构中电子与光子的互作用及其器件的学科;•是光子技术与纳米电子技术相融合合而开拓出的一门崭新的学科。•纳米光子学将朝向纳米光电子集成的方向发展。24纳米光子学是基于纳米技术和光电子学的基础纳米光子学光子学纳米技术＋纳米光子技术＋纳米光子工程纳米光子产业25纳米光子器件•纳米光子器件是纳米光子学的一个重要组成部分•目前在研的的纳米光子器件有：•纳米激光器、量子点红外光电探测器、多量子阱自电光效应器件（MQW-SEED）、超晶格多量子阱红外光电探测器阵列、纳米级薄膜制作的红外摄像器件、光子晶体波导器件等。26纳米光子器件制作的方法•纳米光子器件制作及集成的技术：•电子束光刻•纳米压印技术•聚焦离子束加工•等离子体工艺•为纳米信息光电子器件的制作提供高分辨率、高生产率的方法27纳米光子器件高速、高密度存储既有记忆逻辑功能，又有可以用软件修改的可编程逻辑芯片纳米量子结构、量子电路及其集成技术三维光子晶体天线、光子晶体二极管、无损耗光波导、光开关、无阈值激光器、光放大器28纳米光子器件的全球市场•2004年已达到4.2亿美元，每年以85.8％的速度增长，预料在2009年将达到93.3亿美元的市场规模。From:BCC,Inc.NanotechnologyforPhotonics29非常广阔的应用前景•超小型的纳米激光器在一系列领域中有着非常广阔的应用前景：•在化学和生物医学工程中例如生物传感器、显微术和激光外科以及也有可能把纳米激光器用于鉴别化学物质。•纳米激光器在光计算，信息存储和纳米分析等领域也会得到广泛的应用。•把纳米激光器集成到芯片上，便可提高计算机磁盘信息存储量以及未来的光子计算机的信息存储量，加速信息技术的集成化发展。3021世纪初科技发展的总趋势•一个兴起：光子学与纳米科学与技术；•二个焦点：环境，能源；•三个关注：地球科学，海洋科学，空间科学；•四个支撑：信息技术，材料技术，制造技术，生命科学技术纳米光子学的未来应用：1：纳米粉末322.纳米传感器•人类将拥有大量成本低廉的各种量级的传感器；333.纳米存储器和DNA开关•纳米存储器，存储密度可达每平方厘米1014bit.。•DNA开关，利用它将可以制造出分子大小的电子电路，运算速度更快。34纳米光子学将会产生难以估量的影响•人类将在纳米尺度上重新认识和改造世界以及人类自身：•参与“人类基因组计划”的科学家在《自然》杂志上公布了最新的人类基因组图谱。更为精确的计算表明，人类基因数量实际在2万到2.5万之间。4.纳米纤维5.纳米膜37ThankYou!谢谢！