什麼是奈米光子學？

奈米光子學（也稱為奈米光學）是研究在奈米尺度（十億分之一米）下光與物質相互作用的學科，涵蓋了光學、光學工程、電機工程和奈米技術等領域。

關鍵是，這些相互作用發生在比光波長更小的尺寸上，通常範圍為1至100奈米（nm），在此尺度下會出現較大尺度無法展現的獨特光學特性。

因此，奈米光子學包含了多種超越光繞射極限的輻射-物質相互作用，應用於近紅外線（IR）、可見光和紫外線（UV）等電磁波譜區域（300至1,200奈米），應用包含太陽能電池、顯示器、光學感測、非線性光學、數據傳輸等領域。

致力於在奈米光子學的領域中提升知識的物理學家、工程師和材料科學家，著重於與奈米結構與光的互動，例如金屬奈米粒子、奈米碳管、半導體量子點、光子晶體和有機組織 (例如 DNA)。他們的主要目標是開發奈米光子裝置，有效控管光線。

操控光的特性並非單純是一種現代現象，相反的是，人類過去幾世紀以來都在嘗試。例如，在中世紀教堂裡彩繪玻璃中的可調式色彩，實際上是由於我們現在所知的金屬奈米粒子被添加到玻璃中所產生的。

在現代，人類已經發現了巧妙的方法來控制光的特性，包括其振幅、相位、偏振和定位。這為光電子學、光學通訊、太陽能，及其他研究領域開闢了令人振奮的發展途徑

然而，奈米光子學作為一個獨立的學科，僅在過去二十年間才逐漸興起，這得益於新型金屬、介電質和半導體奈米材料發展的迅速突破。

這些材料特別有吸引力，因為當它們與現代機器學習、模擬和運算工具相結合時，可以以接近原子級的精度在各個維度上進行組裝。此外，工程師也可以利用製造半導體裝置所使用的相同方法，使其應用具有成本效益。

因此，奈米光子學帶動了創新，例如：

• 太陽能電池技術能夠製造出具有強吸收特性的金屬奈米粒子，這些粒子可在太陽光譜的廣泛範圍內提升光捕獲效率，同時縮小設備尺寸。
• 超透鏡技術能夠達到前所未有的光聚焦與偏光，同時也實現裝置小型化，在光譜學和感測方面展現了應用前景。
• 醫療光子學使得超快速光調變成為可能，用於疾病的檢測、預防和治療，從而實現遠端、非侵入式的診斷和治療。
• 光學運算提供極快的資訊處理速度，而且耗能極少

在高速資料傳輸中，隨著電路長度增加，現有銅線的展示訊號表現會下降。

光子型電路的光子高速操作與電子相當，但能量消耗大幅降低，提供了一個有前景的替代方案。舉例來說，在關鍵任務資料中心，光子電路有望能將傳輸線路由數百公尺縮短為僅僅數公尺。

超越繞射極限，可以使用在金屬表面和結構周圍形成之表面電漿子極化子 (即受限制的電磁輻射) 等新穎方法，來將光線限制在奈米尺度。

奈米光子學特別專注在單一光子與奈米結構進行相互作用，其中在電磁輻射受限在奈米尺度時，就會發生域場增強效應。這些相互作用產生了新的光學現象，可用於製造以奈米級尺度轉換、儲存和傳輸光線的現代光子裝置，展現超越古典力學限制的優異特性。

然而，在奈米尺度下操縱光與物質的相互作用卻帶來了重大的挑戰，因此需要開發新的材料、結構和製程。

能源定位與非線性相互作用是影響奈米尺度範圍內產生光的重要原理，例如自發放射程序，如光致發光、電致發光、螢光與拉曼散射。

光學共振器透過增強電磁場來增強這些相互作用。尤其是，電漿奈米共振腔能提供有效率的共振器，來開發以發射為基礎的感測技術。在非線性光學應用中，弱非線性反應的塊體金屬需要透過泵或雷射的應用來進行高強度激發，以增加非線性特性。

為了控制輻射強度，可能會採用整合式光子腔來增加泵的利用，或者可能會配置電漿奈米結構以達到高度集中的能量密度。準 2D 表面電漿子提供大幅增加的場域強度增強功能和定位 (在 20 nm 限制中超過 10 ⁷)，實現倍頻效應 (SHG)，適合應用在高解析度感測和造影。

光子奈米結構的研究構成了奈米光子學的發展驅動力，推動奈米醫學、光學診斷、遠端感測、生物技術、生物材料以及太陽能電池方面的應用。

奈米光子學的限制方法

研究人員使用下列三種方式之一，將光與物質相互作用侷限在奈米尺度：

1. 光的限制，遠低於光的繞射極限
2. 物質的限制
3. 透過光化學或光誘發相位轉變 (PIPT) 進行限制

就物質而言，採用不同的方法，會產生奇異結構，例如奈米分子(具有取決尺寸之光學特性的奈米級寡聚物)，以及具有獨特電子和光子性質的奈米粒子。

例如在電漿中，金屬奈米粒子具有增強的電磁場，顯示獨特性質，例如吸收兩個紅外線光子並將其轉換為可見的紫外線光子。

在其他地方，光子晶體是介電質結構，會依照光線波長的順序定期重複。此外，奈米複合材料是由不同材料隔相的領域所形成，並用於光學通訊。

奈米光子學的限制效果

研究人員使用各種限制幾何，包括：

• 依賴衰減波形成的軸向定位，以及其與表面電漿的相互作用
• 在側向定位中，即是將樣本放置在光源發出入射光波長的分段內

奈米光子學的衰減波

衰減波是震盪的電場或磁場，不會如傳統電磁波般傳導。相反地，它們會將能量集中在其來源附近，而不會造成任何方向的能量傳播。

當光線在具有不同折射率的兩種介質之間介面 (如在稜鏡樣品介面中) 經過全內反射時，就會形成衰減波。

稜鏡通常用於產生與樣品相互作用的衰減波，以進行測量。有趣的是，在某些情況下，電磁場也可能分化成衰減及傳播元件。

衰減波的一大優點是可促進奈米級的光學相互作用，特別是在感測方面，可實現例如強近場螢光源偵測。

亦有人提議將消逝波耦合波導用於與波導通道間能量傳送有關的感測應用。這些波導也可作為光通訊網路中的方向波耦合器使用。

奈米光子學的表面電漿共振 (SPR)

表面電漿 (SP) 是金屬表面上自由電子的集體振盪。當入射光的動量與表面電漿的動量相符時，就會產生共振。在 SPR 中，衰減波在金屬介電介面上形成並與表面電漿耦合，大幅增強與光與物質之間的相互作用。

使用波導 (通常是介電基板上的金屬薄膜) 而非稜鏡，可實現光全內反射。衰減絕對反射 (ATR) 是產生 SP 波的偏好方法。

一旦光強烈耦合至 SP，則會形成表面電漿子極化 (SPPS)，並沿著金屬介電表面傳播。他們因能將電磁場限制在大幅小於自由空間的光線波長尺度，而受到青睞。

奈米光子學的金屬光學

金屬碰巧可有效地將光線限制在繞射限制範圍以下。這是因為金屬在光學頻率下 (在光譜的可見和近紅外線區域中) 會顯示大幅負電容率。

電容率 (亦稱為介電質常數) 取決於頻率。當頻率接近並超過電漿頻率 (即紫外線範圍內) 時，其會變得較小且呈負值，因此無法有效支撐表面電漿。

金屬經常用於無線電與微波工程領域，例如次波長的金屬天線和波導 (比光的自由空間波長小數百倍) 成功捕集電磁輻射。遵照類似的原理，光線也可以透過奈米級的金屬結構 (例如奈米天線、奈米線及奈米柱) 而侷限在奈米的長度內。

事實上，許多奈米光學設計採用類似的設計技術，與微波或無線電波電路相似，例如集總常數電路元件 (例如電感和電容)、金屬平行板波導 (微帶線)，以及雙極天線對傳輸線的阻抗匹配。

然而，奈米光學與微波電路之間仍存在重要差異：在奈米尺度 (及光學頻率) 下，金屬的表現遠遠不及理想導體，也展現了許多有趣的特性，包括表面電漿共振和動態電感。此外，在奈米尺度下，電磁場會以截然不同的方式與半導體相互作用。

奈米光子學的非線性光學

當光線透過非線性介質傳播，在此情況下，介電極化對電場會進行非線性回應，引發異常的光學效應，導致通常無法觀察到現象。引進金屬超材料可誘發非線性光學效應，目的是減少元件大小並加速訊號處理。

特別是在高場強度 (例如由雷射所產生) 下，非線性光學效應會變得顯著。這在奈米光子學中重要應用下帶來了新功能，包括：

• 頻率轉換：當非線性光學程序如二次諧波產生、光學參量振盪、光學相位共軛和四波混頻等可產生新頻率的光時，就會發生這種情況，在高解析度感測和造影中非常有用。
• 多光子程序：非線性多光子程序可能產生新的方式來控制光與物質相互作用。
• 超快處理：非線性光學效應會發生在超快的時序表上，從而實現光的高速調節與切換。
• 裝置小型化：非線性光子學可推動裝置小型化，這是晶片上功能進步的關鍵。
• 新材料：為了追求非線性的強化，新材料被不斷發掘，包括玻璃、水晶、半導體和近期的奈米結構材料。全介電超材料亦有利益產生，相較於同類金屬類材料，其損失較低。
• 量子發射器：量子發射器 (例如量子點) 與奈米光子波導之間發生非線性相互作用，在新興量子技術的應用中產生新穎的量子奈米光子效應。

當研究人員以次波長尺度學習控制光的流動、相位、振幅與極化時，他們能夠以有趣的新方式散射、折射、侷限和過濾光線。這為積體電路、光學運算、生物化學、醫學、燃料電池技術、太陽能電池技術等多方面開啟了新的途徑。

以下是奈米光子學重要應用的摘要。

奈米雷射

在金屬與介電介面上，可使用表面電漿極化來限制雷射至次波長尺度。奈米雷射是透過像量子點及螢光團等發射器的群數反轉，與電漿共振結構產生的回饋相結合來達成。

奈米雷射顯示多種對光學通訊吸引人的有用屬性，包括快速調變 (改善資料傳輸) 和低閾值電流 (改善電源效率)。

Spasers (受激輻射引致表面電漿子放大) 是表面電漿版的雷射 (受激輻射引致光線放大)，在金屬奈米粒子內會放大震盪的局域化表面電漿 (LSP)。

研究人員對奈米雷射和表面電漿放大器充滿興趣，因為它們能使同調受激發射達到和超過繞射限制，並可應用於高解析度感測和造影，以及光學和電子資料處理。

光偵測器

光偵測器在光電和微電子電路中都扮演著重要角色，因為它們能夠偵測並將光線轉換為電子訊號，因此可在各種裝置中啟動多種應用，包括：

• 單光子崩潰偵測器 (SPADs) 能夠偵測到低至個別光子 (具有高時空解析度) 的低強度訊號，例如在光學雷達、3D 造影和 PET 掃描中的訊號
• 光纖通訊裝置如砷化銦鎵 (InGaAs) 二極體，可偵測透過光纖傳送的高速紅外線訊號，使資料通訊速率達到每秒 2.5 GB
• 光學網路裝置如波導整合式近紅外線偵測器
• 用於天文學的遠端感測儀器，偵測從遠紅外線到伽馬射線的一系列波長
• 用於偵測化學和生物製劑痕跡的環境監控裝置
• 將陽光轉換為電能的太陽能電池
• CCD (充電耦合裝置) 和 CMOS (互補性金氧半導體) 感應器，適用於數位相機和其他造影裝置
• 建築物的存取控制系統

全光學切換

在電漿子超穎材料方面，調整積體電路中個別元件的電漿共振，以及兩者之間的電磁耦合，可以實現全光學切換。透過改變嵌入電介質或基底的折射率，可調整電漿共振和耦合，產生改善的非線性反應。透過控制分子激子的結合力，電漿激發可達成有效的全光學調節。

資料儲存

在光學資料儲存中，次波長近場光學結構無論是否嵌入或與紀錄媒體分開，均可用於達到遠低於繞射限制的光學紀錄密度。

在熱輔助磁性紀錄中，雷射會先加熱磁性材料的次波長區域，然後再編碼資料，藉此增加每單位區域儲存的資料量。磁性寫頭也包含金屬光學元件，可集中光線。

矽光子

矽光子涉及嵌入在矽基板上的奈米級光電裝置，能夠同時控制光與電子，讓單一晶片裝置耦合電子與光學功能。矽光子為光學波導與聯絡線路、光學放大器、光調變器、光偵測器、記憶體元件、光子晶體等更多領域的創新提供動力。

積體電路

製造商使用微影製程製造如微處理器和記憶體晶片等的積體電路。在微影製程中，各種類型的光 (包括紫外線、極紫外線和 X 光) 用於將奈米大小的幾何圖案從光罩轉移到稱為光阻劑的光敏材料 (應用在基底上的光敏材料，通常是矽晶圓)。

此外，積體電路內的電子元件 (例如電晶體) 縮小化，對於提升速度和成本效益來說極為重要。然而，在光電電路中，晶片上的通訊涉及透過波導，將晶片一部分的光學訊號傳輸至另一部分，只有在光學元件也能微型化的情況下才能做到。

生物感測器

奈米光子學生物感測器提供一些最可靠，最準確的感測系統。這些生物感測器整合了光學傳感器和接收器。接收器會對傳感器的物理和化學變化有反應，從而導致光訊號的吸收、反射、折射、螢光，相位和頻率變化。

透過 DNA、抗體或酵素等生物辨識元件的協助，這些獨立裝置能偵測分子 (或分析物) 的微小數量。這些交互作用會導致傳感器光學性質的變化，這些特性可能與分析物濃度相關。

光學生物感測器仰賴消逝場，用於整合矽光子與奈米電漿。在以 SPR 和電介質波導為基礎的生物感測器中，相較於大多數的生物分子分析物 (依據 200-400 nm 的順序)，消逝場的衰減期明顯較長。

光學生物感測器提供非侵入式且可靠的方法來偵測生化劑，利用感應器表面的即時交互作用，而不需要使用標籤或染劑。

超穎介面

為了追求非線性的場域強化，超穎介面是一種人工設計的奈米表面，由次波長奈米結構形成，例如奈米柱或散射光的奈米孔洞。因此，他們可在奈米尺度上精準控制光的相位、振幅與極化，例如能夠形成：

• 由超穎介面所形成的超透鏡，顯示負電容率和導磁率 (負折射率)，其可將光線聚焦於繞射限制之外，在顯微鏡下特別有用
• 相位補償介質，可將雙負介質與正折射率材料結合
• 由近零折射率所形成的隱形表面，其相對電容率或導磁率接近於零

奈米光子學在追求小巧節能技術的目標上前景光明，能持續降低規模，提供多模態功能。

光纖電纜等光子裝置能傳輸大量資料，但相較於電子裝置，它們受到尺寸較大的限制。下一個前沿領域是以電子裝置的快速訊號處理能力來彌合光子的龐大資料傳輸能力。

Ansys Lumerical FDTD ^TM 軟體是建立奈米光子裝置、製程與材料模型的黃金標準軟體。FDTD 軟體允許各種裝置採用先進的光子設計，包括光柵、多層堆疊、微 LED、影像感應器以及超穎透鏡，並透過數千次的迭代技術、整合及其他功能，來快速製作原型：

• 單一設計環境中的 FDTD、嚴密的耦合波分析 (RCWA)，以及堆疊求解器
• 使用 RCWA 求解器快速分析週期性結構
• 快速分析多層薄膜
• 自動 S 參數擷取
• 自動化 API (Lumerical 指令碼、Python 與 MATLAB)
• 晶圓廠相容性

此外，FDTD 軟體與 Ansys Lumerical CML Compiler^TM 軟體、Ansys Multiphysics Solvers、Ansys Speros® 軟體、Ansys Zemx OpticStudio ^TM 軟體，以及第三方電子與光子設計自動化 (EPDA) 軟體無縫整合，確保快速、準確且可調整的光子設計。

在高效能運算 (CPU 和 GPU) 解決方案和雲端上，利用 FDTD 最佳求解器，迅速且有效解決最棘手的奈米光子學挑戰。

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