применение электроники и фотоники в жизни человека
Фотоника. Современная и особенности. Работа и применение
Фотоника – это физическое учение о генерации света (фотонов), его обнаружении, преобразовании, эмиссии, передаче, модуляции, обработке сигналов, переключении, усилении и индикации. Большинство применений задействовано в области видимого и инфракрасного излучения, хотя сфера применения распространяется на всю область спектра.
Перспективной областью исследований является кремниевая фотоника, и дальнейшее развитие отрасли связано с ростом успехов этого направления.
История
Фотоника выделилась с созданием в 1960 году лазера. За этим изобретением последовали: лазерный диод в 1970-х годах, оптоволокно для передачи данных, и оптический усилитель на волокне, легированном эрбием. Эти изобретения создали основу для телекоммуникационной революции в конце 20-го века и обеспечили создание инфраструктуры Интернета.
Широкое распространение термин получил в 1980-х годах, когда операторы телекоммуникационных сетей освоили передачу данных по оптоволокну, способствовала его распространению фирма Bell Laboratories. Использование слова закрепилось, когда Общество лазеров и электронной оптики Института инженеров электротехники и электроники учредило в конце 1980-х годов журнал Photonics Technology Letters.
В течение периода, приведшего к краху доткомов (интернет-компаний) около 2001 года, к сфере фотоники относились в основном оптические сети связи. К настоящему времени она объемлет огромное количество научных и технологических приложений, включая производство лазеров, биологическое и химическое зондирование, медицинскую диагностику и терапию, технику отображения информации и оптические вычисления.
Фотоника, связь с прочими областями
Классическая оптика
Здесь связь очень тесная. Классическая оптика предшествовала открытию, что свет дискретен, что стало совершенно ясно, когда Альберт Эйнштейн триумфально обосновал в 1905 году природу фотоэлектрического эффекта. К оптическим инструментам относятся преломляющие линзы, отражающие зеркала, и многочисленные оптические компоненты, и инструменты, разработанные с 15-го по 19-й века. Выявленные в 17 веке основополагающие принципы классической оптики, наподобие принципа Гюйгенса, и выписанные в 19 веке уравнения Максвелла, и волновые уравнения, не основываются на квантовых свойствах света.
Современная оптика
Эта область науки связана с оптомеханикой, электрооптикой, оптоэлектроникой и квантовой электроникой. Однако, каждой области свойственны свои особенности, свои научные сообщества и место на рынке.
К квантовой оптике обычно относят проведение фундаментальных исследований, а фотоника это прикладные исследования и разработки:
Термин «оптоэлектроника» приложим к устройствам или схемам, которым одновременно свойственны электрические и оптические функции, т.е. к тонкопленочным полупроводниковым устройствам. Ранее использовался термин «электрооптика», и к электрооптике относились нелинейные устройства с электрооптическими взаимодействиями, как, например, модуляторы на объемных кристаллах (ячейки Поккельса), а также перспективные датчики изображения, обычно используемые гражданскими или правительственными организациями для наблюдения.
Вновь возникающие области
Фотоника тесно связана с возникающими квантовой информатикой и квантовой оптикой, в той части, где они используют общие методы. Прочие вновь возникающие направления включают оптомеханику, занимающуюся изучением влияния на свет механических вибраций мезоскопических или макроскопических объектов, и создание устройств, объединяющих фотонные и атомные приборы для служб хранения времени, навигации и метрологии. Отличие поляритоники заключается в том, что фундаментальными носителями информации являются поляритоны (смеси фотонов и фононов), работающие в диапазоне частот от 300 Ггц до примерно 10 ТГц.
Обзор исследований
Фотоника занимается исследованиями эмиссии, передачи, усиления, обнаружения и модуляции света.
Источники света
Источники света в фотонике обычно устроены конструктивно посложнее ламп накаливания. Используются светодиоды, суперлюминесцентные диоды и лазеры, а также однофотонные источники, люминесцентные лампы, электронно-лучевые трубки и плазменные экраны. При этом электронно-лучевые трубки, плазменные экраны и органические светодиодные дисплеи генерируют свой собственный свет, в то время как ЖК-дисплеи (подобные TTF-экранам), требуют фоновой подсветки от флуоресцентных ламп с холодным катодом или, гораздо чаще, светодиодов.
Для полупроводниковых источников света характерно то, что взамен классических полупроводников (кремния и германия) чаще используются интерметаллиды. Примерами используемых систем материалов являются арсенид галлия (GaAs) и арсенид галлия и алюминия (AlGaAs), либо иные составные полупроводники. Эти материалы также используются в соединении с кремнием для изготовления гибридных кремниевых лазеров.
Среда передачи данных
Свет может проходить через любую прозрачную среду. Для направления света по нужному пути можно использовать стекловолокно или пластиковое оптоволокно. В системах оптической связи оптоволокно позволяет передавать данные на расстояния свыше 100 км без усиления, в зависимости от скорости цифрового потока и вида применяемой для передачи модуляции. Очень перспективным направлением исследования является разработка и производство специальных структур и материалов с заданными оптическими свойствами — фотонных кристаллов, фотонно-кристаллического оптоволокна и метаматериалов.
Усилители
Для усиления оптических сигналов используются оптические усилители. В оптических линиях связи используются легированные эрбием оптоволоконные усилители, полупроводниковые оптические усилители, усилители на эффекте Рамана и оптические параметрические усилители. Очень перспективной областью является исследование квантовых точечных полупроводниковых оптических усилителей.
Обнаружение (детектирование)
Фотодетекторы предназначены для обнаружения света, к ним относятся устройства разной степени быстродействия: быстродействующие фотодиоды, среднескоростные приборы с зарядовой связью, инертные солнечные элементы, применяемые для преобразования световой энергии Солнца в электрическую. Существует также и множество фотодетекторов, основанных на термических, химических, квантовых, фотоэлектрических и прочих эффектах.
Модуляция
Модуляция источников света используется для кодирования информации, передаваемой источниками света. Одним из самых простых примеров прямой модуляции источника света является включение и выключение фонарика для передачи сообщения кодом Морзе. Возможно и управление источником света посредством внешнего оптического модулятора.
Дополнительной областью исследований является вид модуляции. В оптической коммуникации обычно применяемым видом модуляции является переключение по типу «включено-выключено». В последние годы разработаны более совершенные виды модуляции наподобие фазового сдвига или ортогонального уплотнения каналов с частотным разделением для нейтрализации ухудшающих качество передачи сигнала эффектов наподобие дисперсии.
Фотонные системы
Наука занимается также исследованиями фотонных приборов для применения в системах оптической связи. Данная область исследований фокусируется на внедрении фотонных устройств, подобных высокоскоростным фотонным сетям, и объемлет исследования оптических регенераторов, улучшающих качество оптических сигналов.
Фотонные интегральные схемы
К областям микрофотоники и нанофотоники обычно относятся устройства на фотонных кристаллах и твердотельные устройства.
Фотонные интегральные схемы – это оптические активные интегральные полупроводниковые фотонные приборы, состоящие по меньшей мере из двух различных функциональных блоков (области усиления и лазерных зеркал на основе решетки). Эти устройства с улучшенными характеристиками ответственны за коммерческий успех оптической связи и возможность увеличения доступной ширины полосы без существенного увеличения стоимости связи для конечного потребителя. Наиболее часто применяются фотонные интегральные схемы на основе фосфида индия.
Применения
Фотоника стала вездесущей и проникла во все области повседневной жизни. Совершенно так же, как изобретение в 1948 году транзистора существенно расширило приложения электроники, продолжают развиваться уникальные приложения отрасли, которые фактически безграничны.
Фотоника vs Электроника: почему будущее за интеграцией технологий
Оптические компьютеры, медицинские сенсоры, плащи-невидимки — не все эти разработки, объединяющие метаматериалы и фотонику, приблизились к реальному применению. Особенно остро стоит вопрос с применением метаматериалов для увеличения мощностей вычислительных систем. Несмотря на то, что интерес к таким исследованиям не ослабевает, ученые начинают обращать внимание и на другие возможности, в том числе, на создание гибридных систем электронных и оптических устройств. О вызовах оптических наук и потенциале гибридных систем рассказал руководитель Центра фотоники и квантовых материалов Сколтеха, профессор Университета Аризоны Ильдар Габитов, который принял участие в конференции «Фундаментальные проблемы оптики».
В какой области вы проводите научные исследования?
Начну с краткого описания исследований, проводимых в центре фотоники и квантовых материалов Сколтеха. В настоящее время функционируют лаборатории гибридной фотоники и низкоразмерных материалов, в стадии формирования — лаборатория плазмоники и метаматериалов. В Сколтехе мы занимаемся исследованиями, относящимися как к области фундаментальных проблем фотоники и квантовой физики, так и их приложений. К ним относятся устройства на основе углеродных нанотрубок и графена, метаматериалы, квантовые вычислители, эффективные источники света, плазмонные волноводы с компенсацией потерь и многое другое. Кроме того, в настоящее время совместно с Университетом ИТМО и в рамках Проекта 5−100 запускаем проект по совмещению квантовой коммуникации с быстрыми системами высокоскоростной передачи информации. Недостаток квантовой коммуникации в том, что она медленная, плюс состоит в том, что она абсолютно защищена природой от неавторизованного доступа. В настоящее время достигнут колоссальный прогресс в создании систем, способных передавать громадные объемы информации. Проблема в том, как объединить одно с другим, и именно на это направлен проект. Мои научные интересы сосредоточены на проблемах высокоскоростной передачи информации на большие расстояния, где очень важны нелинейные эффекты, а также на изучении нелинейных свойств метаматериалов. В последнее время совместно с коллегами мы работаем над изучением поверхностных явлений на границе раздела метаматериал-диэлектрик, включая топологические изоляторы.
Для многих людей непонятно, почему для управления светом используются метаматериалы, но об этом много говорят, будто мы достигли предела в развитии наук об оптике?
В течение последнего десятилетия научная общественность находится в ожидании практического прогресса в области метаматериалов. Однако, несмотря на отдельные успехи, существенные практические результаты прорывного характера пока не достигнуты. Наибольших успехов удалось достигнуть в области применения метаматериалов в области сенсорики, в том числе и для оптико-акустической визуализации биологических объектов, когда металлические наночастицы внедряются в ткани и «подсвечивают» их под воздействием ультразвуковых акустических колебаний. О клиническом применении этого метода говорить еще рано, но это очень перспективная разработка.
Диэлектрический метаматериал изготовленный методом фотополимерной 3D печати. Источник: photonics.ifmo.ru
Почему к метаматериалам возник большой интерес? Когда электрический кабель заменили на оптоволокно, стало возможным передавать огромные объемы данных — произошла революция в области передачи информации. Однако технологии ее обработки остались прежними и колоссальным образом «отстали» от технологии передачи информации. Долгое время ученые пытались устранить это несоответствие и изобрести для этого оптические технологии обработки информации. Решение этой задачи оказалось очень серьезной проблемой. Носителем информации в электроники являются электроны. Они имеют заряд, и ими можно управлять электрическим или магнитным полем. Фотоны, используемые в оптических устройствах нейтральны, поэтому управлять ими, как прежде, не представляется возможным. Появление метаматериалов давало надежду на возможность управления такими свойствами, как коэффициент преломления, что, в свою очередь, позволило бы манипулировать световыми потоками. Эта надежда стала важным, но не единственным мотивом, стимулировавшим взрывной интерес к этой области. Однако, несмотря на значительные усилия, эта задача до сих пор не решена. Сейчас ученые начинают работать в другом направлении: пытаются создать совместимые технологии, которые бы позволили осуществить гибридизацию высокой степени интеграции элементов электроники и фотоники.
Каково же будущее метаматериалов?
В настоящее время метаматериалы по-прежнему широко изучаются, но основные достижения заметны в микроволновом диапазоне, а не в оптическом. Относительно высокий темп исследований сохраняется в области разработки сенсоров, биомедицинских приложений, визуализации, оптических межсоединений. В каком-то смысле широкий интерес к метаматериалам начинает постепенно снижаться, поскольку ярких практических результатов после их открытия пока не последовало. Поэтому отцы-основатели, в свое время номинированные на Нобелевскую премию за исследования в области метаматериалов, премию пока не получили. Это, видимо, правильное и продуманное решение комитета, поскольку до сих пор ждет своего решения проблема определения лауреата за создание оптического волокна, совершившего революцию в современных информационных технологиях.
Вы сказали о совмещении технологий оптики и электроники. Какие самые актуальные разработки в этой области?
Источник: depositphotos.com
Кроме того, печатать фотонные устройства и управлять фотонами также пока весьма затруднительно. Именно поэтому сейчас популярна тема гибридных систем. В этой области есть продвижения, но они реализованы в виде устройств, лежащих на столах исследователей. Это пока не технология — ее нельзя напечатать в массовом порядке.
Какие свойства будут у новых гибридных систем?
Пока мы даже не можем представить, какой функционал получим у фотонного устройства высокой степени надежности и интеграции — точно так же мы не знали о функционале мобильных телефонов 15 лет назад. Пока бессмысленно говорить что-то конкретное по этому вопросу. В любом случае, гибридные системы должны стать эффективнее существующих. Но прежде нужно справиться с большим количеством вызовов. Например, как соединить фотонные элементы между собой? Транзисторы можно соединить, грубо говоря, проволокой. А как мы соединим новые оптические элементы, чтобы система работала безупречно даже при наличии некоторого процента сбоев в логических операциях? Я пока не знаю.
В каких еще областях будет развиваться оптика?
Еще одно новое направление — это так называемое Brain Photonics. Это попытки воздействовать на мозг очень тонкими оптоволоконными устройствами, которые возбуждают определенные участки мозга. Эти исследования направлены прежде всего на получение новых знаний о работе органа. Актуальны разработки в области биоинформатики, в том числе, по воздействию на биологические ткани с помощью фотонных устройств. Благодаря этому ученые уже сегодня могут проводить некоторые манипуляции с ДНК. Я уверен, что это направление работы очень перспективно.
Фотоника vs Электроника: почему будущее за интеграцией технологий
Оптические компьютеры, медицинские сенсоры, плащи-невидимки — не все эти разработки, объединяющие метаматериалы и фотонику, приблизились к реальному применению. Особенно остро стоит вопрос с применением метаматериалов для увеличения мощностей вычислительных систем. Несмотря на то, что интерес к таким исследованиям не ослабевает, ученые начинают обращать внимание и на другие возможности, в том числе, на создание гибридных систем электронных и оптических устройств. О вызовах оптических наук и потенциале гибридных систем рассказал руководитель Центра фотоники и квантовых материалов Сколтеха, профессор Университета Аризоны Ильдар Габитов, который принял участие в конференции «Фундаментальные проблемы оптики».
В какой области вы проводите научные исследования?
Начну с краткого описания исследований, проводимых в центре фотоники и квантовых материалов Сколтеха. В настоящее время функционируют лаборатории гибридной фотоники и низкоразмерных материалов, в стадии формирования — лаборатория плазмоники и метаматериалов. В Сколтехе мы занимаемся исследованиями, относящимися как к области фундаментальных проблем фотоники и квантовой физики, так и их приложений. К ним относятся устройства на основе углеродных нанотрубок и графена, метаматериалы, квантовые вычислители, эффективные источники света, плазмонные волноводы с компенсацией потерь и многое другое. Кроме того, в настоящее время совместно с Университетом ИТМО и в рамках Проекта 5−100 запускаем проект по совмещению квантовой коммуникации с быстрыми системами высокоскоростной передачи информации. Недостаток квантовой коммуникации в том, что она медленная, плюс состоит в том, что она абсолютно защищена природой от неавторизованного доступа. В настоящее время достигнут колоссальный прогресс в создании систем, способных передавать громадные объемы информации. Проблема в том, как объединить одно с другим, и именно на это направлен проект. Мои научные интересы сосредоточены на проблемах высокоскоростной передачи информации на большие расстояния, где очень важны нелинейные эффекты, а также на изучении нелинейных свойств метаматериалов. В последнее время совместно с коллегами мы работаем над изучением поверхностных явлений на границе раздела метаматериал-диэлектрик, включая топологические изоляторы.
Для многих людей непонятно, почему для управления светом используются метаматериалы, но об этом много говорят, будто мы достигли предела в развитии наук об оптике?
В течение последнего десятилетия научная общественность находится в ожидании практического прогресса в области метаматериалов. Однако, несмотря на отдельные успехи, существенные практические результаты прорывного характера пока не достигнуты. Наибольших успехов удалось достигнуть в области применения метаматериалов в области сенсорики, в том числе и для оптико-акустической визуализации биологических объектов, когда металлические наночастицы внедряются в ткани и «подсвечивают» их под воздействием ультразвуковых акустических колебаний. О клиническом применении этого метода говорить еще рано, но это очень перспективная разработка.
Диэлектрический метаматериал изготовленный методом фотополимерной 3D печати. Источник: photonics.ifmo.ru
Почему к метаматериалам возник большой интерес? Когда электрический кабель заменили на оптоволокно, стало возможным передавать огромные объемы данных — произошла революция в области передачи информации. Однако технологии ее обработки остались прежними и колоссальным образом «отстали» от технологии передачи информации. Долгое время ученые пытались устранить это несоответствие и изобрести для этого оптические технологии обработки информации. Решение этой задачи оказалось очень серьезной проблемой. Носителем информации в электроники являются электроны. Они имеют заряд, и ими можно управлять электрическим или магнитным полем. Фотоны, используемые в оптических устройствах нейтральны, поэтому управлять ими, как прежде, не представляется возможным. Появление метаматериалов давало надежду на возможность управления такими свойствами, как коэффициент преломления, что, в свою очередь, позволило бы манипулировать световыми потоками. Эта надежда стала важным, но не единственным мотивом, стимулировавшим взрывной интерес к этой области. Однако, несмотря на значительные усилия, эта задача до сих пор не решена. Сейчас ученые начинают работать в другом направлении: пытаются создать совместимые технологии, которые бы позволили осуществить гибридизацию высокой степени интеграции элементов электроники и фотоники.
Каково же будущее метаматериалов?
В настоящее время метаматериалы по-прежнему широко изучаются, но основные достижения заметны в микроволновом диапазоне, а не в оптическом. Относительно высокий темп исследований сохраняется в области разработки сенсоров, биомедицинских приложений, визуализации, оптических межсоединений. В каком-то смысле широкий интерес к метаматериалам начинает постепенно снижаться, поскольку ярких практических результатов после их открытия пока не последовало. Поэтому отцы-основатели, в свое время номинированные на Нобелевскую премию за исследования в области метаматериалов, премию пока не получили. Это, видимо, правильное и продуманное решение комитета, поскольку до сих пор ждет своего решения проблема определения лауреата за создание оптического волокна, совершившего революцию в современных информационных технологиях.
Вы сказали о совмещении технологий оптики и электроники. Какие самые актуальные разработки в этой области?
Источник: depositphotos.com
Кроме того, печатать фотонные устройства и управлять фотонами также пока весьма затруднительно. Именно поэтому сейчас популярна тема гибридных систем. В этой области есть продвижения, но они реализованы в виде устройств, лежащих на столах исследователей. Это пока не технология — ее нельзя напечатать в массовом порядке.
Какие свойства будут у новых гибридных систем?
Пока мы даже не можем представить, какой функционал получим у фотонного устройства высокой степени надежности и интеграции — точно так же мы не знали о функционале мобильных телефонов 15 лет назад. Пока бессмысленно говорить что-то конкретное по этому вопросу. В любом случае, гибридные системы должны стать эффективнее существующих. Но прежде нужно справиться с большим количеством вызовов. Например, как соединить фотонные элементы между собой? Транзисторы можно соединить, грубо говоря, проволокой. А как мы соединим новые оптические элементы, чтобы система работала безупречно даже при наличии некоторого процента сбоев в логических операциях? Я пока не знаю.
В каких еще областях будет развиваться оптика?
Еще одно новое направление — это так называемое Brain Photonics. Это попытки воздействовать на мозг очень тонкими оптоволоконными устройствами, которые возбуждают определенные участки мозга. Эти исследования направлены прежде всего на получение новых знаний о работе органа. Актуальны разработки в области биоинформатики, в том числе, по воздействию на биологические ткани с помощью фотонных устройств. Благодаря этому ученые уже сегодня могут проводить некоторые манипуляции с ДНК. Я уверен, что это направление работы очень перспективно.
Нанофотонный переворот. Молодая наука может кардинально изменить нашу жизнь
С момента изобретения микроскопа Антони ван Левенгуком 300 лет оптика развивалась в рамках парадигмы, которую можно описать одним словом «наблюдать». Расширялась теоретическая база, росли технические возможности, разрабатывались новые инструменты, однако, по-прежнему, единственной целью было создание более совершенных инструментов наблюдения, будь то телескопы для изучения далеких галактик или микроскопы для исследования микрообъектов.
Оптоэлектронные микропроцессоры
Эти открытия сразу же заинтересовали индустрию. Так, например, компания IBM, которая стояла у истоков создания первых полупроводниковых лазеров, но к 2000-м распродала абсолютно все свои оптические подразделения, запустила крупный проект по кремниевой нанофотонике. Его целью является замена части привычных электронных компонентов, отвечающих за передачу данных внутри процессора, на фотонные, что позволит увеличить пропускную способность каждого соединения вплоть до 10000 раз, а это, в свою очередь, приведет к созданию высокопроизводительных процессоров с несколькими тысячами ядер на одном кристалле. При этом производительность будет расти почти линейно с ростом числа ядер. Помимо IBM над этой задачей активно работают основные игроки на рынке суперкомпьютеров и высокопроизводительных серверов — HP и Oracle, — а также другие гиганты в области полупроводниковой индустрии. Первые серверные процессоры использующие нанофотонные технологии и насчитывающие несколько сотен ядер общего назначения мы должны увидеть на рынке уже в ближайшие 2-3 года.
Нанофотонные магнитные жесткие диски
Это очень удивительная история, еще 20 лет назад никто не мог себе представить, что фотоника может конкурировать с другими технологиями, когда речь заходит о миниатюризации. Но оказалось, что при помощи металлических наноструктур свет можно сконцентрировать в пятно размером около 70 нанометров. Это в 12 раз меньше, чем длина волны используемого при этом лазера и в 6 раз меньше, чем может дать идеальная оптическая линза. Таким образом, можно создать нанофотонную записывающую головку для магнитного жесткого диска. Процесс записи при этом максимально прост и основан на процессах нагревания за счет поглощения света и охлаждения. Это открывает путь к созданию жестких дисков с более высокой плотностью информации, которые, к тому же, будут еще и быстрее работать, а их габариты будут меньше. Мы могли бы увидеть такие устройства, которые внешне, конечно, не отличишь от обычных жестких дисков, разве что по маркировке, уже совсем скоро. Однако сейчас спрос пользователей пока удовлетворяется старыми технологиями, а в условиях глобальной рыночной экономики не стоит ожидать выход на потребительский рынок новых технологий, которые нужно еще внедрить, до тех пор, пока старые приносят стабильную прибыль.
Солнечный батареи
Не нужно, однако, думать, что новые нанофотонные технологи обязательно очень дороги. При определенных обстоятельствах их априори высокая стоимость, за счет необходимости наноструктурирования, в конечном счете может уменьшить цену устройства. Задача эквивалентна вопросу, что лучше 3 стандартные фермы по производству молока или одна нестандартная ферма, которая в 3 раз дороже, но дает на выходе молока в 5 раз больше. Сегодня стандартные фотоэлектрические преобразователи делаются на основе монокристаллического кремния. Чтобы удешевить солнечную энергетику и ставить солнечные батареи на все крыши домов, нужно или удешевить материал (например, использовать аморфный кремний), но тогда падает эффективность и такого материала требуется больше, или, наоборот, увеличить эффективность, пусть и ценой использования более дорого материала, но при этом можно выиграть за счет уменьшения количества этого материала. Именно над этим сейчас бьются ученые при разработке солнечных батарей. В развитых странах на эти исследования ежегодно выделяются десятки миллиардов долларов. Зачастую дизайн предлагаемых нанофотонных фотоэлектрических преобразователей настолько сложен, что сразу можно сделать вывод об их коммерческой неэффективности. Однако, иногда такие выводы не столь очевидны. Например, вырастив лес из тонких полупроводниковых нанонитей можно использовать в 100 раз меньше кремния при той же эффективности, и подобная технология вскоре может незаметно войти в нашу повседневную жизнь, ведь на вид это будет все та же черно-фиолетовая пластина.
Матрицы: перезагрузка
С помощью наноструктурирования можно создавать новые поверхности с одной стороны аналогичные уже существующим, с другой — с новыми свойствами, отличными от свойств объемных и слоистых материалов. Представим ковш и сделанное из этого ковша решето. С одной стороны в решете можно носить, например, килограмм яблоки, но вот набрать в него литр воды, как в ковш, уже не получится. С наноструктурированными поверхностями дело обстоит подобным образом, только эффект более тонкий и интересный. Создав из сверхтонкой металлической пленки структуру с характерными размерами много меньше длины волны света (например, проделав наноразмерные дырки в пленке), можно заставить ее фильтровать оптическое излучение. Получается что-то вроде инстаграм-фильтра. Если на квадратной полупроводниковой площадке размером в несколько микрон разместить 4 квадрата из металла, два из который пропускают только зеленый свет, один — синий, и один — красный, то получится пиксель матрицы цифровой фотокамеры. Процесс производства крайне прост и дешев — нужно все лишь нанести тонкую металлическую пленку толщиной несколько десятков нанометров и сделать в ней на каждом участке свои дырки. Каждый участок будет пропускать свой цвет, хотя пленка без дырок все цвета полностью отражает. Сейчас же для достижений той же цели каждую площадку, размер которой в самых современных матрицах меньшей одного микрометра, покрывают относительно толстым слой органического соединений с красителем, причем для каждой площадки нужно свое вещество. Таким образом, простая в изготовлении нанофотонная поверхность может значительно упростить и удешевить производство фотоаппаратов, видеокамер и смартфонов.
«Оптическая микроволновка» и лечение рака
Обнаружение одиночных молекул
Локализация света в фотонных наноструктурах дает возможность усилить взаимодействие света с веществом. Это свойство напоминает принцип работы больших антенн — собирать энергию с большого пространства и сконцентрировать ее в малом. Используя нанофотонные антенны, можно добиться интересных результатов — усиления отклика при взаимодействии с очень маленькими объемам вещества. Чувствительность устройства в этом случае настолько велика, что позволяет регистрировать даже одиночные молекулы. Сегодня на данном принципе уже разрабатываются наноразмерные детекторы газов. Вообще, нанофотонный подход позволяет создавать различные типы сенсоров под разные задачи вплоть до диагностики заболеваний по одиночным молекулам белков, содержащихся в выдыхаемом нами воздухе.