摘要：论述了纳米光子学的最新进展，介绍了国际上的一些研究小组所做的关于纳米光子学的实验，包括纳 米开关、近场光学探针技术、近场光化学气相沉积制备、基于等离子体激元波导实现的远近场能量的转换装置等内 容，着重阐明实验原理和纳米制备技术中的一些关键问题。
关键词：纳米光子学；近场；量子点；纳米开关
引言
随着人类社会进入21世纪，人类对信息的需求越来越多，对信息的传输、处理和存储提出了越来越高的要求。随着光通信、光计算等大容量高速信息处理的发展，信息传输中需求的通道数也越来越多（通道数从目前的8x8到未来的103x103），存储密度越来越大（从Gbit/in2到Tbit/in2，是目前DVD存储密度的100倍），处理速度越来越快（Gbit/s到Tbit/s）。因此，要求单元器件的尺寸越来越小，最终突破衍射极限的尺寸，器件的空间距离也越来越小（小于100nm）。图1给出了纳米光子学和传统光学的比较以及在未来应用中纳米光子学的优势。为了实现上述目标，Ohtsu提出了一种全新的技术———纳米光子学。纳米光子学（nanophotonics）指的是利用光学近场作为信号载体，纳米粒子作为器件材料的基本单元进行制造和运作系统的技术，是对近场光学（near-field-optics）应用方面的一种发展。理论分析显示，现在的微机电光学系统的开关时间为μs量级，所需的驱动能量为10-17~10-18，而同样的开关系统如果用纳米光子技术实现，其开关时间可以短至100ps，所需的能量可以小到一个光子的能量。纳米光子学的主要优点是它能在局域电磁相互作用的基础上实现许多全新的功能。在纳米光子学中，传统的干涉、衍射的概念不再适用，取而代之的是一些全新的概念。量子理论证明，通过一定的布局，纳米开关的实现是完全可行的。在近场条件下，单元器件的大小为几十纳米量级，相应能量传输所需的时间是几十皮秒，这些参数指标对比于目前的电子集成技术来说无疑是个飞跃。自1999年以来，基于表面等离子体激元，近场光学的纳米光子器件集成技术得到了飞速的发展。日、美、法、德等发达国家先后投入了巨大人力、财力来研究该前沿课题，以实现 21世纪信息时代的“3T目标”（传输速度达到1Tbit/s；计算速度达到1Tbit/s；存储密度达到1Tbit/in2)。
典型的近场光学系统是一个由宏观系统（包括衬底、入射光等）联结的微观系统（量子点和光学近场），如图2 所示。利用量子理论能够证明：近场中 能量只在两相邻的且具有共振能级的量子点之间才可以传播。考虑在近场情况下两个量子点之间的能量传输过程，简化模型如图3所示。
图5.改进型探针（金属- 非金属夹层结构金字塔状探针结构，基底为硅）
6.小结与展望
本文介绍了Ohtsu M等小组的研究成果，对纳米光子学的概念、原理以及器件的制造技术进行了研究，提出了近场光化学气相沉积制备、基于等离子体激元波导实现的远近场能量的转换装置等一些新的技术，综合介绍了纳米光子学的最新进展情况。根据我国纳米光子学的发展现状和实验条件，预计未来的工作可以从以下几个方面着手。
从理论上研究纳米结构之间在近场光学相互作用下的能量传输性质以及对传输特性的量子调控；利用麦克斯韦方程和薛定谔方程研究各种噪声对传输特性的影响，揭示纳米结构与局域电磁场之间相互作用的微观机理。设计纳米光子器件（包括光子开关、逻辑门、纳米存储单元、量子态控制器件和量子高Q腔等）。
开展纳米器件和制备技术的研究，为进一步光集成和光运算作准备，主要工作为：（1）纳米器件的制备，包括开关器件、逻辑门、延迟器件、超辐射脉冲发生器和光学输入, 输出终端；（2）纳米制备技术的开发，包括可以精确控制位置和尺寸的气相光化学沉积和非绝热处理技术等；（3）在未来实现纳米光子集成系统，用于光通信、光存储、光学数据处理等。