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纳米光子学研究与发展现状

导读: 纳米光子学(nanophotincs)是目前发展最为迅速的现代光学分支之一,所涉及的器件特征尺寸与波长在同一个量级。其发展动力不仅仅来自于人们对微纳尺度上或亚波长尺度上对光性质变化的浓厚研究兴趣,同时还来自于市场的巨大需求和工业界的强力投入。

   纳米光子学(nanophotincs)是目前发展最为迅速的现代光学分支之一,所涉及的器件特征尺寸与波长在同一个量级。其发展动力不仅仅来自于人们对微纳尺度上或亚波长尺度上对光性质变化的浓厚研究兴趣,同时还来自于市场的巨大需求和工业界的强力投入。例如,由于数码相机和手机等产品的普及,图像传感成像器件有巨大的市场需求,像STMicroelectronics公司、松下等国际领先企业均有大量投入研究互补金属氧化物半导体(complementarymetaloxidesemiconductor,CMOS)器件;而像飞利浦、丰田等对发光二极管(LED)和有机发光二极管(OLED)的研究成果也已经应用到其相应的产品当中。就研究的广泛性而言,学术界一直在致力于探索和研究微纳米光子学的各个领域的可能的应用。微纳米光子学有望设计出超级光子器件并突破现有的一些技术极限,其实际应用包括半导体制造、光通信、传感成像、传感测量、显示、固体照明、生物医学、安全(security)、数据存储、太阳能、光互联等等。例如,全新的光子集成线路(photonicintegratedcircuits,PICs)不仅体积微小,速度更快,容量更大,而且所消耗的电能更少。

  纳米光学不仅涉及多学科理论,例如光学、物理学、化学、半导体科学、电子学、材料科学和数学等,同时还需要昂贵的制造设备和测量仪器等实验/检测手段的大量投入。我国在纳米光学方面起步基本与国际同步,并且最近几年的经费投入增长幅度也非常大,先后成立了一些国家级、省部级、市级等重点实验室以及区域研究中心等,研究队伍不断壮大,研究面不断拓宽,有些研究达到领先水平,已经取得了一些令人瞩目的成果。依作者之见,要加快我国纳米光子学的应用研究和市场开发,减少一些不必要的重复性研究,应注意以下几个方面:(1)加强不同高等学校、研究院所之间以及不同地区、不同部门之间的合作,例如美国有“国家纳米技术基础研究网络(NNIN)”组织等,其会员单位可以无偿地使用计算资源,并有一些项目合作。虽然目前国内已经有类似的组织,但在资源和信息共享方面有待深入;(2)建立区域性的纳米加工中心,供周围研究者免费使用或代为制造,例如加拿大有“国家研究院的光子学制造中心”,几个不同区域的纳米加工中心则每年举办为期不等(一周到一年)的设计、制造和测量研讨班;(3)共享测试设备,与其他研究相比,纳米光学原型试制加工和测量仪器设备昂贵,不同单位之间的设备共享可以使资源充分利用;(4)充分利用国际领先的优秀设计软件,加快设计进度和虚拟原型制造。由于试制和测试费用高、周期长,仿真计算是必不可少的重要一环,因此设计工具就是生产力。目前最普遍使用的时域有限差分(FDTD)方法直接求解矢量麦克斯韦方程,与其他方法相比,它具有宽光谱、适用性强、并行计算以及占用计算机资源相对较少等优点。

 

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