книги / Физические основы нанотехнологий фотоники и оптоинформатики.-1
.pdfМинистерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное 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
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2020
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. – Пермь. Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2020. – 351 с.
ISBN 978-5-398-02420-3
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.
УДК 621.383+535]: 620.3 (075.8) ББК 30.3
ISBN 978-5-398-02420-3 |
©ПНИПУ,2020 |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
ПРЕДИСЛОВИЕ.................................................................................................................. |
7 |
ЧАСТЬI.ФИЗИЧЕСКИЕОСНОВЫНАНОТЕХНОЛОГИЙФОТОНИКИ....... |
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 ФПЗС.............................................................. |
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 (EDFA) ......................... |
90 |
6.2.2. Волоконные ВКР-усилители (Raman fider amplifiers, RFA) .................. |
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.ФИЗИЧЕСКИЕОСНОВЫНАНОТЕХНОЛОГИЙ |
|
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 (ЗГУ) .... |
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. Российские ученые создали проект инновационного |
|
биоморфного нейропроцессора ....................................................................... |
226 |
9.5.3. Нейронный процессор TrueNorth Neurosynaptic System |
|
(американская «истинный север» нейросинапсическая система)................. |
228 |
9.5.4. Европейский нейроморфный суперкомпьютер SpiNNaker ................. |
230 |
ГЛАВА 10. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ |
|
НАНОТЕХНОЛОГИИ..................................................................................... |
246 |
10.1. Квантовая нанотехнология.................................................................................. |
246 |
10.2. Теоретические элементы для построения квантового компьютера.............. |
247 |
10.2.1. Постулаты квантовой мехники ............................................................ |
247 |
10.2.2. Квантовая суперпозиция состояний..................................................... |
250 |
10.3. Получение запутанных квантовых состояний ................................................. |
252 |
10.3.1. Спонтанное параметрическое рассеяние света .................................. |
252 |
10.4. Мысленный эксперимент (ЭПР) Эйнштейна – Подольского – Розена |
|
в интерпретации Бома.................................................................................................... |
255 |
10.5. Неравенства Белла ................................................................................................ |
257 |
10.5.1. Формализм.............................................................................................. |
257 |
10.5.2. Неравенства Белла ................................................................................. |
258 |
10.5.3. Экспериментальная проверка неравенств Белла................................. |
262 |
5
ГЛАВА 11. КВАНТОВЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ И ОПЕРАЦИИ.......................... |
272 |
11.1. Измерение (наблюдение) .................................................................................... |
273 |
11.1.1. Кубиты ................................................................................................... |
274 |
11.2. Вычисление на квантовом компьютере............................................................. |
280 |
11.2.1. Однокубитовые вентили........................................................................ |
281 |
11.2.2. Трехмерная визуализация кубита – сферы Блоха............................... |
283 |
11.2.3. Логические элементы, действующие на два кубита........................... |
285 |
11.2.4. Логические элементы, действующие на три кубита........................... |
287 |
11.2.5. Универсальные квантовые вентили ..................................................... |
288 |
11.3. Теорема о запрете клонирования........................................................................ |
292 |
11.4. Квантовая телепортация состояний .................................................................. |
294 |
11.5. Квантовая коммуникация..................................................................................... |
297 |
11.6. Квантовая криптология........................................................................................ |
299 |
11.7. Квантовые алгоритмы........................................................................................... |
300 |
11.8. Энтропия фон Неймана – характеристика запутанности |
|
двухкубитовых систем ............................................................................................. |
302 |
ГЛАВА 12. КВАНТОВЫЙ КОМПЬЮТЕР........................................................ |
305 |
12.1. Структура квантового компьютера ................................................................ |
305 |
12.1.1. Идеальный квантовый компьютер ...................................................... |
307 |
12.2. Сравнение квантового компьютера с оптическим компьтером.................... |
310 |
12.3. Физические проблемы квантовых компьютеров ............................................ |
311 |
12.3.1. Методы подавления декогеренции...................................................... |
312 |
12.3.2. Фазовая декогеренция кубита.............................................................. |
313 |
12.4. Общие требования для реализации квантового компьютера......................... |
315 |
12.5. Квантовый компьтер на основе спектрометра ядерного магнитного |
|
резонанса (ЯМР) ............................................................................................................ |
316 |
12.6. Квантовые компьютеры на различной физической основе............................ |
320 |
12.7. Состояние квантовых компьютеров до 2012 г................................................. |
322 |
12.8. Разработки квантовых компьютеров после 2012 г.......................................... |
323 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................................ |
341 |
ПРИЛОЖЕНИЕ1............................................................................................................ |
342 |
ПРИЛОЖЕНИЕ2 ........................................................................................................... |
345 |
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 ценноеучебное 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 научныхдостижениях,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. Вовторой главе рассмотрены наноматериалы, используемые в источниках излучения, применяемые в устройствах фотоники и оптоинформатике. 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 воло- конно-оптических усилителях и лазерах и различные нанополяризаторы. Метаматериаламитехнологиямнаноплазмоникипосвященаседьмаяглава.
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. В одиннадцатой главе рассмотрены квантовые вычисления и логические квантовые операции. Двенадцатая глава содержит обзор о реализации квантового компьютера на основе различных физических материалов и явлений.
Учебное пособие содержит также прил. 1 с тематическим планом
исписком примерных вопросов к экзамену поодноименной 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 опти-
ческих устройствах управление сигналом может осуществляться за
1фемтосекунду = 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