Vývoj technológie fotoniky na urýchlenie aplikácie umelého diamantu

Pokroky vo výrobe syntetických diamantov umožnili nové fotonické technológie, ale pre tieto nové technológie zostáva veľa výziev pri poskytovaní kvantových aplikácií.
Za posledné desaťročie, poháňané množstvom kľúčových technologických trendov a dopytom na trhu, mnohé komerčné, vznikajúce fotonické technológie, ktoré využívajú špeciálne fyzikálne vlastnosti diamantu, zaznamenali významný pokrok. Inovácie v syntéze diamantu optickej kvality chemickým naparovaním (CVD), inžinierstvo diamantových farebných centier a technológie na výrobu diamantových optických komponentov a fotonických štruktúr umožnili tieto pokroky.
Aplikácie fotoniky založené na vynikajúcich vnútorných vlastnostiach diamantu
High purity diamond exhibits transparency in the frequency range from ultraviolet to terahertz and beyond. It has the highest room temperature thermal conductivity of any bulk material (>5-násobok medi), pričom má nízky termooptický koeficient. Vďaka týmto vlastnostiam je diamantová optika ideálna pre vysokovýkonné priemyselné laserové aplikácie, vrátane obrábania, zvárania a aditívnej výroby, kde je použiteľná v mnohých rôznych častiach elektromagnetického spektra.
Okrem toho je diamant najtvrdšou známou látkou na Zemi a je extrémne tvrdý a odolný, vďaka čomu je ideálny aj pre obranné a bezpečnostné aplikácie, ktoré vyžadujú odolné optické a infračervené komponenty a schopnosť fungovať vo veľmi náročných prostrediach.
CVD diamant optickej kvality je dostupný v monokryštálových a polykryštalických formách. Výhodou polykryštalického diamantu je, že ho možno použiť pre veľké veľkoplošné zariadenia až do priemeru 135 mm. Napríklad môže byť použitý ako okno pre vysokovýkonné 10,6 μm CO2 lasery pre extrémne ultrafialové (EUV) litografické systémy pre najpokročilejšie uzly výroby polovodičových zariadení.
Táto technológia, ktorá je poháňaná udržiavaním kroku s Moorovým zákonom, sa vo veľkej miere spolieha na syntézu a spracovanie diamantových okien podľa prísnych noriem optickej kvality, pretože žiadny iný optický materiál nemôže fungovať za extrémnych požadovaných laserových podmienok.
Straty rozptylom v polykryštalickom CVD diamante pri vlnových dĺžkach kratších ako približne 1,5 μm znamenajú, že väčšina aplikácií v tomto rozsahu je riešená pomocou monokryštálového diamantu. Vzhľadom na obmedzenia veľkosti v súčasnosti dostupných diamantových substrátov sú monokryštálové diamantové prvky zvyčajne dlhé okolo 5-10 mm, a hoci niektorí výrobcovia vyvíjajú veľkoplošné monokryštálové diamanty na nediamantových substrátoch, tento materiál nemôže možno použiť pre všetky optické aplikácie kvôli relatívne vysokému vnútornému namáhaniu.
Napriek obmedzeniam veľkosti boli vyvinuté niektoré jednokryštálové CVD diamantové fotonické techniky, ako napríklad diamantové Ramanove lasery založené na jedinečných kryštáloch Element Six s nízkou absorpciou svetla a nízkym dvojlomom.
Tieto nelineárne lasery využívajú fenomén excitovaného Ramanovho rozptylu na premenu lúča pumpy na Stokesov posunutý výstupný lúč, čím sa rozširuje rozsah dostupných laserových zdrojov pre nové aplikácie pokrývajúce UV až IR, vrátane: zvárania materiálov, 3D tlače, smerovanej energie. , LIDAR, diaľkový prieskum Zeme a laserom navádzané hviezdy (LGS).
Diamant má jeden z najvyšších Ramanových koeficientov zosilnenia, čo z neho v kombinácii s jeho vynikajúcou tepelnou vodivosťou robí ideálne médium zosilnenia na demonštráciu škálovania výkonu a vylepšenia jasu, a to aj v spektrálnej oblasti „bezpečné pre ľudské oko“ 1.{1} },8 μm. V tomto rozsahu bol výber dostupných laserových zdrojov predtým obmedzený.
Rozšírenie aplikácií Diamond prostredníctvom technológie Color Core Engineering
Zatiaľ čo diamant má vynikajúcu sadu vnútorných optických vlastností, má tiež stovky rôznych opticky aktívnych defektov (farebné centrá). Niektoré z nich sú dôležité pre technické aplikácie, ktoré využívajú kvantový stav svetla a vlastnosti elektrónového spinu farebných centier, vrátane kvantovej komunikácie, kvantových výpočtov a radu aplikácií na snímanie.
Za zmienku stojí najmä farebné centrum dusíkovej vakancie (NV) - luminiscenčný bodový defekt v diamante, ktorý bol predmetom intenzívneho výskumu kvôli schopnosti ľahko manipulovať s jeho kvantovým stavom aplikáciou svetla a RF polí pri izbovej teplote.
V závislosti od konečného procesu aplikácie je možné vytvoriť farebné centrá NV dvoma spôsobmi. Jedným z nich je riadenie dopovania dusíka počas procesu rastu CVD tak, aby sa atómy dusíka distribuovali v materiáli v požadovanej koncentrácii. Na druhej strane je potrebná precízna priestorová kontrola jednotlivých farebných stredov pomocou vstrekovania dusíka. Vakancie mriežky sa potom vytvoria vysokoenergetickým elektrónovým ožiarením a kryštál sa žíha pri vysokých teplotách, aby sa zmobilizovali voľné miesta na spojenie s atómami dusíka v kryštáli, čo vedie k farebným centrám NV. Podobný prístup možno použiť na vytvorenie ďalších prispôsobených centier farieb, ako sú centrá kremíkových voľných miest (SiV) alebo germánových voľných miest (GeV).
Pre kvantové spracovanie informácií sú potrebné polia farebných centier – ako na riadenie ich kvantových vlastností, tak aj na efektívne spojenie jednotlivých centier prostredníctvom fotonických dutín. Vzhľadom na chemickú inertnosť diamantu a nedostatočnú dostupnosť na trhu je stále potrebné značné úsilie a finančné prostriedky na vývoj techník nanovýroby potrebných pre takéto štruktúry; v posledných rokoch však výskumníci urobili v tejto oblasti veľký pokrok, vrátane výroby zložitých nanoštruktúr vo forme vlnovodov, stĺpcov, dutín a diskov pomocou rôznych fotolitografických techník a využívaním plazmových a reaktívnych iónových lúčov na leptanie. .
Budúce výzvy na dosiahnutie diamantovej kvantovej fotoniky
V posledných rokoch výskumníci urobili významný pokrok vo výrobe diamantov s vysokou vnútornou optickou kvalitou a vysoko kvalitnými farebnými centrami a umožnili mnoho nových a existujúcich pokročilých fotonických techník.
Pred úspešnou implementáciou diamantových aplikácií v kvantovej fotonike ako škálovateľných čipov pre aplikácie, ako je kvantové spracovanie informácií, však zostáva niekoľko výziev. Tieto zahŕňajú: zlepšenie inžinierstva zameraného na farbu a robustnosť kvantových bitov; výroba oblátok; a hybridná integrácia s inými fotonickými materiálmi a komponentmi. Napriek týmto výzvam je súčasný výskum zameraný na tieto oblasti veľmi aktívny a v nasledujúcich rokoch sa očakáva výrazný pokrok.