纳米光子学.
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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。
• • •
7
光子学与电子学相似的发展历程
电 子 学
真空电子学
（真空管器件）
Theodore Harold Maiman Born Jul 11 1927
10/11/2018
10
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。
• （ 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。
16
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，
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。
23
纳米光子学是基于纳米技术和光 电子学的基础
光子学
＋
纳米技术
纳 米 光 子 学
＋
纳 米 光 子 技 术
纳 米 光 子 工 程
பைடு நூலகம்
纳 米 光 子 产 业
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
21世纪被誉为光子世纪
计算机科学技术 光通讯 电子学和 微电子技术
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。
•
22
纳米光子学
• 纳米光子学（Nanophotonics）是
•
34
4.纳米纤维
5.纳米膜
Thank You!
谢谢 ！
37
•
29
21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
30
纳米光子学的未来应用：
1：纳米粉末
2.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；
Dr.Gordon E. Moore CMOS芯片制造工艺极限5nm---预计2017年制程达3nm
20
摩尔定律何时了
芯 片 集 成 度
• “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
10亿
2017年
21
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，
h E2 E1
h
E2 h h
E1
9
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。
固体电子学
（晶体管）
微电子学
（集成电路）
光 子 学
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）
10/11/2018
8
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 。
光子
信息光子学
固态光子学 光子物理 生物医学光子学
能量光子学
• 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。
15
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。
18
摩尔定律 Moore’s Law
• “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。”
19
前言
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。 65nm 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。
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。
•
11
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× 1016 Hz >1000 倍 以 上 ， 高 4 ～ 5个数量级 3×108 ～ 3×1011Hz
传输速度
抗干扰能力
信息存储能力
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 无电磁干扰 可实现三维光存 储
• 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
26
纳米光子器件
高速、高密度存储
纳米量子结构、 量子电路及其集成技术
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
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
32
3.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1014
bit.。 • 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。
33
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。
无线电波在金属 导线传输，受RC 时间常数限制 抗干扰能力差 磁存储
12
• 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
13
基础学科
技术学科
电学
（18世纪开始） 电磁场理论
24
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。
25
纳米光子器件制作的方法
生命科学及技术
Photonics
光学 和光学工程
光子学
材料科学和技术
用遍及国民经济各行各业和科学技术的各个领域。
• 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
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。
6
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
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 激光技术 光子技术
标志：1960年 标志：1970年发明低 发明固体和气体 损耗光纤，室温连续 激光器 运转半导体激光器和 集成光学技术
纳米光子学
21世纪发展近场 光学、纳米光学 材料与器件
14
信息时代的光子学
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 真空管电 子学
标志： 1906年发 明真空三级 管
纳米电子学 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
固体电子学
标志：1948 年发明半导 体晶体管
光学
（18世纪开始） 基于自发辐射光源
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。
17
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。
-------
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
27
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. "Nanotechnology for Photonics"
28
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 • •
• • •
7
光子学与电子学相似的发展历程
电 子 学
真空电子学
（真空管器件）
Theodore Harold Maiman Born Jul 11 1927
10/11/2018
10
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。
• （ 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。
16
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，
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。
23
纳米光子学是基于纳米技术和光 电子学的基础
光子学
＋
纳米技术
纳 米 光 子 学
＋
纳 米 光 子 技 术
纳 米 光 子 工 程
பைடு நூலகம்
纳 米 光 子 产 业
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
21世纪被誉为光子世纪
计算机科学技术 光通讯 电子学和 微电子技术
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。
•
22
纳米光子学
• 纳米光子学（Nanophotonics）是
•
34
4.纳米纤维
5.纳米膜
Thank You!
谢谢 ！
37
•
29
21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
30
纳米光子学的未来应用：
1：纳米粉末
2.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；
Dr.Gordon E. Moore CMOS芯片制造工艺极限5nm---预计2017年制程达3nm
20
摩尔定律何时了
芯 片 集 成 度
• “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
10亿
2017年
21
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，
h E2 E1
h
E2 h h
E1
9
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。
固体电子学
（晶体管）
微电子学
（集成电路）
光 子 学
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）
10/11/2018
8
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 。
光子
信息光子学
固态光子学 光子物理 生物医学光子学
能量光子学
• 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。
15
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。
18
摩尔定律 Moore’s Law
• “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。”
19
前言
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。 65nm 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。
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。
•
11
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× 1016 Hz >1000 倍 以 上 ， 高 4 ～ 5个数量级 3×108 ～ 3×1011Hz
传输速度
抗干扰能力
信息存储能力
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 无电磁干扰 可实现三维光存 储
• 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
26
纳米光子器件
高速、高密度存储
纳米量子结构、 量子电路及其集成技术
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
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
32
3.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1014
bit.。 • 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。
33
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。
无线电波在金属 导线传输，受RC 时间常数限制 抗干扰能力差 磁存储
12
• 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
13
基础学科
技术学科
电学
（18世纪开始） 电磁场理论
24
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。
25
纳米光子器件制作的方法
生命科学及技术
Photonics
光学 和光学工程
光子学
材料科学和技术
用遍及国民经济各行各业和科学技术的各个领域。
• 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
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。
6
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
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 激光技术 光子技术
标志：1960年 标志：1970年发明低 发明固体和气体 损耗光纤，室温连续 激光器 运转半导体激光器和 集成光学技术
纳米光子学
21世纪发展近场 光学、纳米光学 材料与器件
14
信息时代的光子学
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 真空管电 子学
标志： 1906年发 明真空三级 管
纳米电子学 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
固体电子学
标志：1948 年发明半导 体晶体管
光学
（18世纪开始） 基于自发辐射光源
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。
17
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。
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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
27
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. "Nanotechnology for Photonics"
28
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 • •