книги / Физические основы нанотехнологий фотоники и оптоинформатики
..pdfМинистерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
В.С. Кирчанов
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ ФОТОНИКИ И ОПТОИНФОРМАТИКИ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
2-е издание, исправленное и дополненное
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2022
УДК 621.383+535]: 620.3 (075.8) ББК 30.3
К43
Рецензенты:
канд. техн. наук, доц. В.С. Постников (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);
д-р физ.-мат. наук, проф. Л.В. Спивак (Пермский государственный национальный исследовательский университет)
Кирчанов, В.С.
К43 Физические основы нанотехнологий фотоники и оптоинформатики : учеб. пособие / В.С. Кирчанов. – 2-е изд., испр. и доп. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2022. – 364 с.
ISBN 978-5-398-02696-2
Написано на основе материала лекций по дисциплине «Физические основы нанотехнологий фотоники и оптоинформатики», которые автор читает на протяжении ряда лет на факультете прикладной математики и механики для студентов-магистров специальности «Фотоника и оптоинформатика». Изложен основной материал, необходимый для изучения этой дисциплины, приведены тематический план, примерный список вопросов для экзамена.
Рекомендовано студентам-бакалаврам и магистрам специальности «Фотоника и оптоинформатика», а также лицам, которые интересуются новыми материалами и технологиями, используемыми в наномире.
На обложке книги представлена гравюра Эшера «Whirlpools» («Водовороты») 1957 г. На обороте обложки книги помещена гравюра Эшера «Square Limit» («Предел квадрата») 1964 г. Обе прекрасные фрактальные картины показывают нам, что голландский художник Escher Maurtes Cornelius (1898–1972) обладал ярко выраженной математической интуицией постижения и представления геометрических форм наномира.
УДК 621.383+535]: 620.3 (075.8) ББК 30.3
ISBN 978-5-398-02696-2 |
© ПНИПУ, 2022 |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
ПРЕДИСЛОВИЕ.................................................................................................................. |
7 |
ЧАСТЬI. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫНАНОТЕХНОЛОГИЙ ФОТОНИКИ....... |
9 |
ГЛАВА 1. НАНОФОТОНИКА.................................................................................. |
9 |
1.1. Фотоника....................................................................................................................... |
9 |
1.2. Нанофотоника ........................................................................................................... |
10 |
1.2.1. Направления нанофотоники...................................................................... |
11 |
1.2.2. Задачи нанофотоники................................................................................ |
12 |
1.2.3. Другие разделы фотоники......................................................................... |
13 |
1.3. Оптоинформатика ..................................................................................................... |
13 |
1.4. Оптические наноструктуры и их свойства ........................................................... |
15 |
1.4.1. Фотонные кристаллы ................................................................................ |
15 |
1.4.2. Фотонный фрактал .................................................................................... |
20 |
ГЛАВА 2. ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ .............................................................. |
26 |
2.1. Полупроводниковые наноструктуры и наноустройства. |
|
Источники фотонов ......................................................................................................... |
26 |
2.1.1. Материалы и структуры полупроводниковых устройств ...................... |
26 |
2.2. Квантово-размерные лазеры и лазеры с микрорезонаторами ........................... |
31 |
2.2.1. Лазеры на квантовых ямах ....................................................................... |
32 |
2.2.2. Лазеры на квантовых точках..................................................................... |
33 |
2.2.3. Полупроводниковые вертикально излучающие |
|
лазеры (VCSEL) .................................................................................................. |
35 |
2.2.4. Фотонно-кристаллические лазеры с микрорезонаторами ..................... |
37 |
2.3. Случайные лазеры .................................................................................................... |
39 |
ГЛАВА 3. ФОТОПРИЕМНИКИ............................................................................. |
42 |
3.1. Источники излучения............................................................................................... |
42 |
3.2. Полупроводниковые детекторы фотонов для оптических приемников ............ |
42 |
3.3. Солнечные фотоэлементы ....................................................................................... |
46 |
3.3.1. Классификация солнечных элементов..................................................... |
48 |
3.3.2. Солнечные элементы на основе металлоорганических |
|
перовскитов ......................................................................................................... |
51 |
3.4. Приборы с зарядовой связью ................................................................................. |
54 |
3.4.1. Технология изготовления фоточувствительного прибора |
|
с зарядовой связью............................................................................................... |
55 |
ГЛАВА 4. МОДУЛЯТОРЫ...................................................................................... |
59 |
4.1. Электрооптические модуляторы............................................................................. |
59 |
4.1.1. Электрооптические модуляторы света..................................................... |
59 |
4.1.2. Интегрально-оптические модуляторы света........................................... |
62 |
4.1.3. Электропоглощающие модуляторы на основе эффекта |
|
Келдыша – Франца и квантово-размерного эффекта Штарка ........................ |
64 |
3
4.2. Магнитооптические модуляторы света................................................................. |
66 |
4.3. Акустооптические модуляторы света.................................................................... |
68 |
4.4. Пространственные модуляторы света .................................................................. |
70 |
4.5. Оптроны ..................................................................................................................... |
72 |
ГЛАВА 5. ОПТИКА НЕОДНОРОДНЫХ СРЕД.................................................. |
75 |
5.1. Волоконный световод ............................................................................................. |
75 |
5.1.1. Характеристики волоконных световодов................................................ |
76 |
5.1.2. Технология изготовления и применения световодов............................. |
78 |
5.1.3. Специальные волноводы. Фокон, градан, сельфок................................. |
79 |
5.2. Мутные среды............................................................................................................ |
83 |
5.3. Интегральная оптика................................................................................................. |
84 |
5.3.1. Активные элементы интегральной оптики.............................................. |
86 |
5.3.2. Технология интегральной оптики............................................................ |
86 |
ГЛАВА 6. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ..................... |
88 |
6.1. Волоконно-оптические системы связи ................................................................. |
88 |
6.2. Волноводные оптические усилители и лазеры .................................................... |
89 |
6.2.1. Волоконный усилитель легированные эрбием........................................ |
90 |
6.2.2. Волоконные ВКР-усилители..................................................................... |
97 |
6.3. Нанополяризаторы ................................................................................................... |
98 |
ГЛАВА 7. ТЕХНОЛОГИИ НАНОПЛАЗМОНИКИ.......................................... |
102 |
7.1. Плазмоника............................................................................................................... |
102 |
7.1.1. Плазмоны.................................................................................................. |
102 |
7.1.2. Плазмонный резонанс ............................................................................. |
103 |
7.2. Наноплазмоника ..................................................................................................... |
104 |
7.2.1. Плазмонный нанолазер ........................................................................... |
106 |
7.2.2. Применения устройств наноплазмоники .............................................. |
116 |
7.3. Метаматериалы........................................................................................................ |
126 |
7.3.1. «Правые» и «Левые» изотропные среды .............................................. |
129 |
7.3.2 Оптика материалов с отрицательным показателем преломления........ |
132 |
7.3.3. Оптические плазмонные метаматериалы .............................................. |
134 |
7.3.4. Применение оптических метаматериалов для волнового |
|
обтекания предметов ........................................................................................ |
145 |
7.3.5. Метаповерхности .................................................................................... |
149 |
7.3.6. Гибридные наноантенны ........................................................................ |
156 |
ЧАСТЬII. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫНАНОТЕХНОЛОГИЙ |
|
ОПТОИНФОРМАТИКИ............................................................................................... |
161 |
ГЛАВА 8. ОПТИЧЕСКАЯ ЗАПИСЬ, ХРАНЕНИЕ И СЧИТЫВАНИЕ |
|
ИНФОРМАЦИИ...................................................................................................... |
161 |
8.1. Устройства памяти ................................................................................................. |
161 |
8.1.1. Элементы памяти на макроскопических структурных изменениях |
|
(нарушениях формы) носителя......................................................................... |
162 |
8.1.2. Магнитные элементы памяти.................................................................. |
162 |
8.1.3. Электрические элементы памяти............................................................ |
163 |
4
8.2. Оптические элементы памяти............................................................................... |
164 |
8.2.1. Амплитудная бистабильность в пассивном кольцевом |
|
оптическом резонаторе ..................................................................................... |
165 |
8.2.2. Бистабильные оптические устройства .................................................. |
168 |
8.3. Голографические элементы памяти..................................................................... |
172 |
8.3.1. Оперативные запоминающие голографические устройства................ |
172 |
8.4. Запоминающие устройства на одноквантовых джозефсоновских |
|
элементах памяти ........................................................................................................... |
175 |
8.5. Сегнетоэлектрические энергонезависимые запоминающие устройства ...... |
177 |
8.6. Новые научные разработки (около 2010 г.) ........................................................ |
180 |
ГЛАВА 9. ОПТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ |
|
В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ................................................................... |
188 |
9.1. Оптические технологии.......................................................................................... |
191 |
9.1.1. Оптические логические устройства на основе оптической |
|
бистабильности ................................................................................................. |
191 |
9.1.2. Первые цифровые оптические компьютеры.......................................... |
196 |
9.1.3. Аналоговые оптические вычисления..................................................... |
200 |
9.1.4. Аналоговые процессоры.......................................................................... |
204 |
9.2. Коммерческий оптический компьютер EnLight 256 ......................................... |
206 |
9.2.1. Элементная база EnLight 256 .................................................................. |
211 |
9.2.2. Принцип действия вычислительного ядра EnLight 256........................ |
212 |
9.3. Оптические процессоры нечеткой логики ......................................................... |
214 |
9.4. Оптические нейронно-сетевые компьютеры ..................................................... |
217 |
9.5. Программа Нейронет.............................................................................................. |
218 |
9.5.1. Мемристор ............................................................................................... |
219 |
́ |
|
9.5.2. Проект инновационного биоморфного нейропроцессора, |
|
созданный российскими учеными.................................................................... |
226 |
9.5.3. Нейронный процессор TrueNorth Neurosynaptic System |
|
(американская нейросинапсическая система «Истинный Север»)................ |
230 |
9.5.4. Европейский нейроморфный суперкомпьютер SpiNNaker ................. |
232 |
9.6. Когнитивные технологии................................................................................... |
242 |
ГЛАВА 10. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ |
|
НАНОТЕХНОЛОГИИ..................................................................................... |
256 |
10.1. Квантовая нанотехнология.................................................................................. |
256 |
10.2. Теоретические элементы для построения квантового компьютера.............. |
257 |
10.2.1. Постулаты квантовой мехники ............................................................ |
257 |
10.2.2. Квантовая суперпозиция состояний..................................................... |
260 |
10.3. Получение запутанных квантовых состояний ................................................. |
262 |
10.3.1. Спонтанное параметрическое рассеяние света .................................. |
262 |
10.4. Мысленный эксперимент Эйнштейна – Подольского – Розена |
|
в интерпретации Бома.................................................................................................... |
265 |
10.5. Неравенства Белла ................................................................................................ |
267 |
10.5.1. Формализм.............................................................................................. |
267 |
10.5.2. Неравенства Белла ................................................................................. |
268 |
10.5.3. Экспериментальная проверка неравенств Белла................................. |
272 |
5
ГЛАВА 11. КВАНТОВЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ И ОПЕРАЦИИ.......................... |
282 |
11.1. Измерение (наблюдение) .................................................................................... |
283 |
11.1.1. Кубиты ................................................................................................... |
284 |
11.2. Вычисление на квантовом компьютере............................................................. |
290 |
11.2.1. Однокубитовые вентили........................................................................ |
291 |
11.2.2. Трехмерная визуализация кубита – сферы Блоха............................... |
293 |
11.2.3. Логические элементы, действующие на два кубита........................... |
295 |
11.2.4. Логические элементы, действующие на три кубита........................... |
297 |
11.2.5. Универсальные квантовые вентили ..................................................... |
298 |
11.3. Теорема о запрете клонирования........................................................................ |
302 |
11.4. Квантовая телепортация состояний .................................................................. |
307 |
11.5. Квантовая коммуникация..................................................................................... |
310 |
11.6. Квантовая криптология........................................................................................ |
311 |
11.7. Квантовые алгоритмы........................................................................................... |
312 |
11.8. Энтропия фон Неймана – характеристика запутанности |
|
двухкубитовых систем ............................................................................................. |
314 |
ГЛАВА 12. КВАНТОВЫЙ КОМПЬЮТЕР ........................................................ |
318 |
12.1. Структура квантового компьютера ................................................................ |
318 |
12.1.1. Идеальный квантовый компьютер ...................................................... |
320 |
12.2. Сравнение квантового компьютера с оптическим компьтером.................... |
323 |
12.3. Физические проблемы квантовых компьютеров ............................................ |
324 |
12.3.1. Методы подавления декогеренции...................................................... |
325 |
12.3.2. Фазовая декогеренция кубита.............................................................. |
326 |
12.4. Общие требования для реализации квантового компьютера......................... |
327 |
12.5. Квантовый компьтер на основе спектрометра ядерного магнитного |
|
резонанса.......................................................................................................................... |
329 |
12.6. Квантовые компьютеры на различной физической основе............................ |
332 |
12.7. Состояние квантовых компьютеров до 2012 г. ................................................ |
335 |
12.8. Разработки квантовых компьютеров после 2012 г. ......................................... |
336 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................................ |
354 |
ПРИЛОЖЕНИЕ1 ............................................................................................................ |
355 |
ПРИЛОЖЕНИЕ2 ........................................................................................................... |
358 |
6
ПРЕДИСЛОВИЕ
Учебное пособие по дисциплине «Физические основы нанотехнологий фотоники и оптоинформатики» предназначено для магистров, обучающихся по направлению «Фотоника и оптоинформатика» в течение одного семестра. Предполагается, что бакалавры данного направления прослушали семестровый курс «Наноматериалы и нанотехнологии». Например, учебное пособие В.С. Кирчанова «Наноматериалы и нанотехнологии», которое можно рассматривать в качестве вводной части к предлагаемому пособию.
Сделана попытка собрать изучаемый в рамках одного семестра материал по основным направлениям устройств фотоники, в которых происходят различные превращения энергии, и приборов оптоинформатики, предназначенных для обработки информации. Основное внимание уделяется изучению физических, физико-химических, технологических процессов, использованных для получения этих приборов и устройств, которые в наномасштабе приобрели новые функциональные возможности, ранее недоступные в микромасштабе.
Книги, полностью соответствующей дисциплине для магистров, визвестной нам литературе найти не удалось. Наиболее близкими этой теме являются отдельные главы из фундаментальной книги Б. Салеха, М. Тейха «Оптика и фотоника. Принципы и применения» в двух томах для студентов физических и технических специальностей. Использовалось также ценное учебное пособие А.Н. Игнатова «Оптоэлектроника и нанофотоника», статьи пятитомной Физической энциклопедии. Представляет интерес русский перевод (2013 г.) японского Справочника по технологии наночастиц с большим количеством полезных приложений. По квантовым технологиям полезными оказались книги Р. Перри «Элементарное введение вквантовые вычисления» и Ф. Кайле, Р. Лафлами, М. Моска «Ввведение вквантовые вычисления», учебное пособие Ю.А. Байкова, В.М. Кузнецова «Квантовая механика» для студентов технических специальностей. Вторым видом источников являются обзоры физических журналов «Успехи физических наук» и др. Третий вид источников информации – различные электронные ресурсы типа Википедии, рекламные сайты о новых научных достижениях, требующиедополнительнойпроверкиифильтрации.
Целью учебного пособия является рассмотрение физических основ нанотехнологий различных частей фотоники (волоконно-оптичес-
7
ких линий связи, нанофотоники, компьютерной фотоники) и оптоинформатики, включая оптические компьютеры, квантовые технологии, особенно квантовый компьютер. Рассмотрены физические основы нанотехнологии современных солнечных элементов, метаматериалы и технологии невидимости объектов. Исследования в этих областях ведутся интенсивно, и количество информации возрастает экспоненциально, поэтому представления автора о предмете курса уточняются при получении и отборе нового материала.
Пособие состоит из двух частей, организованных в виде отдельных глав. В первой части рассматриваются физические основы нанотехнологий фотоники. В первой главе, которая является вводной, уточняются основные цели, задачи нанофотоники и оптоинформатики, приводятся примеры фотонных кристаллов и рассматриваются фотонные фракталы. Во второй главе рассмотрены наноматериалы, используемые в источниках излучения, применяемые в устройствах фотоники
иоптоинформатике. В третьей главе обсуждаются материалы для оптических детекторов, солнечных элементов. В четвертой главе рассмотрены модуляторы и оптоэлектронные устройства. Пятая глава посвящена волоконным световодам, мутным средам и интегральной оптике полупроводниковых оптических детекторов, солнечных элементов, модуляторов и оптоэлектронных устройств. В шестой главе рассмотрено применение наноматериалов в волоконно-оптических усилителях и лазерах
иразличные нанополяризаторы. Метаматериалам и технологиям наноплазмоники посвящена седьмая глава.
Во второй части рассматриваются физические основы нанотехнологий оптоинформатики. В восьмой главе представлены различные устройства памяти (записи, хранения и считывания информации). Девятая глава посвящена оптическим технологиям и оптическим компьютерам, модели мемристора и нейрокомпьютеру. В десятой главе представлен материал о квантовых технологиях, в частности о получении запутанных квантовых состояний, квантовой телепортации. Водиннадцатой главе рассмотрены квантовые вычисления и логические квантовые операции. Двенадцатая глава содержит обзор о реализации квантового компьютера на основеразличныхфизическихматериаловиявлений.
Учебное пособие содержит также прил. 1 с тематическим планом
исписком примерных вопросовк экзаменупоодноименной дисциплине.
Вэтой книге нет ничего, что не было ранее сказано другими, поэтому заранее выражаю благодарность за указание на возможные неточности и дельные замечания, способные улучшить изложение.
8
ЧАСТЬ I. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ ФОТОНИКИ
ГЛАВА 1. НАНОФОТОНИКА
1.1. ФОТОНИКА
Мы будем рассматривать физические основы наноматериалов и нанотехнологий только для фотоники и оптоинформатики, поэтому вкратце напомним, что изучают эти дисциплины.
Фотоника – область науки и техники, связанная с использованием светового излучения (потоков фотонов) в оптических элементах, устройствах и системах, в которых генерируются, усиливаются, модулируются, распространяются и детектируются оптические сигналы.
Фотоника (англ. photonics) – технология, которая включает излучение света, его передачу, отклонение, усиление и детектирование при помощи оптических компонентов и устройств, лазеров и других источников, оптического волокна, электрооптических метрологических устройств и других сложных нанофотонных систем.
Задачи фотоники:
–миниатюризация оптических элементов, устройств и систем;
–интеграция оптических элементов, устройств и систем на единой базе (чипе);
–сверхбыстродействие оптических систем (в полностью оптических устройствах управление сигналом может осуществляться за 1 фемтосекунду = 10–15 с);
– сверхскоростная передача больших массивов информации
1Тбит/с = 1012 бит/с;
–низкий уровень управляющих сигналов (современное переключение энергии управляющего сигнала 1–5 фемтоДж = 10–15 Дж);
–полифункциональность оптических материалов.
Нанооптика – раздел оптики, в котором изучаются особенности взаимодействия излучения наноразмерных полей с атомами, молекулами и нанотелами.
9
1.2. НАНОФОТОНИКА1
Нанофотоника – раздел нанооптики, в котором исследуются нанополя со считанным количеством фотонов и поведение света на нанометровой шкале.
Нанофотоника (англ. nanophotonics) – раздел фотоники, занимающийся изучением физических явлений, возникающих при взаимодействии фотонов с объектами нанометровых размеров, и практическим применением указанных явлений.
Нанофотоника – область фотоники, связанная с разработкой архитектур и технологий производства наноструктурированных устройств генерации, усиления, модуляции, передачи и детектирования электромагнитного излучения и приборов на основе таких устройств, а также с изучением физических явлений, определяющих функционирование наноструктурированных устройств и протекающих при взаимодействии фотонов с наноразмерными объектами.
Цели и материалы / устройства нанофотоники
Цель нанофотоники – разработка материалов, имеющих нанометровые размеры (1–100 нм), с новейшими оптическими свойствами и создание на их основе фотонных устройств. В настоящее время нанофотоника рассматривается как альтернатива современной электроники. Использование фотонов при передаче и обработке информации позволит достичь существенного преимущества благодаря высокому быстродействию и устойчивости фотонных каналов связи
кпомехам.
Кнанофотонным устройствам относятся устройства, использующие структуры размером 100 нм и менее. Такие устройства решают проблемы миниатюризации многих оптических систем. Нанофотонные устройства не только значительно превосходят электронные аналоги, но и позволяют успешно решать проблемы, связанные с тепловыделением и электропитанием. Слабым местом приборов на основе нанофотоники остается обеспечение надежности электрооптических переключателей, позволяющих преобразовывать электрические сигналы в оптические и наоборот.
1 По материалам работ [1, 2].
10