tumblr hit tracking tool

Naturvetenskap

Nanofotonik: Att ”krympa” ljuset

Av Lars Thylen 2016-01-22
Den teoretiska möjligheten att skapa plasmoniska fotoniska nanostrukturer har varit känd länge, först genom nanoteknologins utveckling har experimentella genombrott skett.
Optiska komponenter är vanligen mycket större än 1 mikrometer, den ungefärliga ljusvåglängden. Inom nanofotonik utvecklas nu verkliga nanostrukturer för ICT och biosensorer.

Ljusvåglängden är av storleksordningen 1 mikromenter. Optiska komponenter, från bildpunkter i displayer och kamerasensorer till laserdioder och optiska fibrer är vanligen storleksordningar större. Jämfört med mikroelektronikens chip med transistorer i nanoskala är således fotonikkomponenter mycket voluminösa.

Under senare år har en gren av fotoniken, nanofotonik, vuxit fram, där fotoniska element väsentligt mindre än ljusvåglängden utvecklats

Speciellt är detta ett problem för integrerad fotonik, ”optikens IC kretsar” [1], där olika funktioner (ljuskällor, våglängdsselektiva element, detektorer e t c) integreras på ett chip, och där stort ”footprint” som det brukas kallas är en nackdel ur flera synpunkter: Svårt att tillverka komplexa integrerade strukturer, högre energiförbrukning, svårare att göra känsliga multikanalsensorer, högre kostnader, större materialförbrukning.

Nya möjligheter

Under senare år har en gren av fotoniken, nanofotonik, vuxit fram, där fotoniska element väsentligt mindre än ljusvåglängden utvecklats. Detta har medfört nya möjligheter och tillämpningar inom ”Information & Communnications Technology”, ICT, och sensorer, och utmaningar att krympa dimensioner ytterligare för bättre prestanda. Nanofotoniken domineras hittills i stort sett av ädelmetaller: guld och silver.

Generellt krävs, för denna sk plasmoniska variant av nanofotonik, en negativ dielektricitetskonstant (relativ  permittivitet) vid den aktuella våglängden. Den teoretiska möjligheten att skapa plasmoniska fotoniska nanostrukturer har varit känd länge, först genom nanoteknologins utveckling har experimentella genombrott skett.

Har ökat i omfattning

I kombination med kiselfotonik [2] har forskningen under senare år snabbt ökat i omfattning med tillämpningar inom ett stort antal områden, från ICT till biosensorer. Och det är kanske inom det senare området som de mest intressanta framstegen kan göras. Och i båda fallen är integrerade fotoniska kretsar (F&F), fotonikens  motsvarighet till elektronikens integrerade kretsar (dock med skilda funktionaliteter) väsentliga.

Foto: Schematisk bild och svepelektronmikroskopbild av fabricerade plasmoniska ringresonatorsensorer, som med stor noggrannhet mäter brytningsindexvariationer i ”nanogapen” mellan guldstrukturerna och kiselringen och på detta sätt kan ikarakterisera biovätskor som flyter i ”gapen”.

Ett exempel på  en ny typ av nanofotonik-baserad biosensor är nyligen publicerat i den vetenskapliga tidskriften ”Photonics”,  en s k  plasmonisk ringresonator [3], se figur, vilken med  mycket stor känslighet , åstadkommen genom ljuskoncentration i  ”nanogapen” mellan guldstrukturerna  och kiselringen, detekterar och identifierar t ex molekyler in vitro i olika vätskor som flyter i ”gapen”. 

En annan tillämpning av nanofotonik avser de datacenter vi dagligen utnyttjar: I dessa förbrukas allt större, exponentiellt ökande elektrisk effekt (t ex i Facebooks anläggning i Luleå), varav en stor del blir värme i elektriska transmissionledningar. Optisk förbindningsteknik, ”Optical Interconnect, OI” i form av optiska vågledare kan lösa såväl kapacitets- (bandbredds-) som effektproblemen och användas mellan kretskort, på kretskort och så småningom på dessa kretskorts chip.

Här krävs mindre (nanofotonik), effektsnålare och billigare fotoniska komponenter för sändare, mottagare och mellanliggande nät. OI är en förutsättning för en fortsatt utveckling av datacenter, innebärande större volymer och press på kostnader för dessa fotoniska komponenter och system.

Materialteknologins betydelse

Men en vidare utveckling av nanofotonik kommer att kräva framsteg inom materialteknologi: Metaller och andra använda material uppvisar alltför stora energiförluster för många tillämpningar: Ju mera ”nano” desto snabbare dämpas ljuset ut, och detta försvårar många tillämpningar, speciellt inom ICT. Med bättre (lägre förluster) material kan man tillverka väsentligt mindre strukturer, som en nyligen publicered studie av en ringresonator med radier ner till  50 nm, således mycket mindre än våglängden, visar [4].

Och fortfarande väntar vi på, och försöker åstadkomma, det stora genombrottet, en fotonisk integrerad krets jämförbar med CMOS teknologin i ”footprint” och effektförbrukning (dock inte i funktionalitet).

En möjlighet som nu forskas på inom KTH (Inst för Teoretisk Kemi och Avd för Fotonik och Mikrovågsteknik) är kopplade artificiella atomer, s k kvantpunkter. Här kommer man nära att nå detta ”CMOS mål”.

Warning: Unknown: open(/storage/content/65/195165/klienten.se/public_html/files/tmp/sess_v64pjhes9sfrs18i1kiv3gcto6, O_RDWR) failed: File too large (27) in Unknown on line 0 Warning: Unknown: Failed to write session data (files). Please verify that the current setting of session.save_path is correct (/storage/content/65/195165/klienten.se/public_html/files/tmp) in Unknown on line 0