Fotonik teknologiudvikling for at fremskynde anvendelsen af ​​kunstig diamant

Fremskridt i produktionen af ​​syntetiske diamanter har gjort nye fotonikteknologier mulige, men der er stadig mange udfordringer for disse nye teknologier til at tjene kvanteapplikationer.
I løbet af det seneste årti eller deromkring, drevet af en række vigtige teknologitrends og markedsefterspørgsel, har mange kommercielle, nye fotonikteknologier, der udnytter diamantens særlige fysiske egenskaber, set betydelige fremskridt. Innovationer i syntesen af ​​diamanter af optisk kvalitet ved kemisk dampaflejring (CVD), diamantfarvecenterteknik og teknologier til fremstilling af optiske diamantkomponenter og fotoniske strukturer har gjort disse fremskridt mulige.
Fotonikapplikationer baseret på diamants fremragende iboende egenskaber
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 gange kobbers), mens de har en lav termo-optisk koefficient. Disse egenskaber gør diamantoptik ideel til industrielle laserapplikationer med høj effekt, herunder bearbejdning, svejsning og additiv fremstilling, hvor den er anvendelig til mange forskellige dele af det elektromagnetiske spektrum.
Derudover er diamant det hårdest kendte stof på jorden, og det er ekstremt hårdt og robust, hvilket gør det også ideelt til forsvars- og sikkerhedsapplikationer, der kræver robuste optiske og infrarøde komponenter og evnen til at fungere i meget udfordrende miljøer.
Optisk kvalitet CVD diamant er tilgængelig i enkeltkrystal og polykrystallinske former. Fordelen ved polykrystallinsk diamant er, at den kan bruges til store enheder med stort område op til 135 mm i diameter. For eksempel kan det bruges som et vindue til højeffekt 10,6 μm CO2-lasere til ekstrem ultraviolet (EUV) litografisystemer til de mest avancerede halvlederenhedsfabrikationsknuder.
Denne teknologi, som er drevet af at holde trit med Moores lov, er stærkt afhængig af syntetisering og behandling af diamantvinduer til strenge optiske kvalitetsstandarder, da intet andet optisk materiale kan fungere under de ekstreme laserforhold, der kræves.
Spredningstab i polykrystallinsk CVD-diamant ved bølgelængder kortere end omkring 1,5 μm betyder, at de fleste applikationer i dette område behandles ved hjælp af enkeltkrystal-diamant. På grund af størrelsesbegrænsningerne for aktuelt tilgængelige diamantsubstrater er enkeltkrystal-diamantelementer typisk omkring 5-10 mm lange, og selvom nogle producenter udvikler enkeltkrystal-diamanter med stort område på ikke-diamant-substrater, kan dette materiale ikke bruges til alle optiske applikationer på grund af dens relativt høje indre belastning.
På trods af størrelsesbegrænsningerne er der udviklet nogle enkelt-krystal CVD diamant fotonik teknikker, såsom diamant Raman lasere baseret på Element Six's unikke lav-lys-absorberende, lav-dobbeltbrydende krystaller.
Disse ikke-lineære lasere udnytter fænomenet exciteret Raman-spredning til at konvertere pumpestrålen til en Stokes-forskudt udgangsstråle, og dermed udvide rækken af ​​tilgængelige laserkilder til nye applikationer, der dækker UV til IR, herunder: materialesvejsning, 3D-print, rettet energi , LIDAR, fjernmåling og laserstyrede stjerner (LGS).
Diamond har en af ​​de højeste Raman-forstærkningskoefficienter, hvilket kombineret med dens fremragende termiske ledningsevne gør den til et ideelt forstærkningsmedium til at demonstrere effektskalering og lysstyrkeforbedring, herunder i det "human eye safe" spektralområde på 1.{{1} },8 μm. I dette område har valget af tilgængelige laserkilder tidligere været begrænset.
Udvidelse af Diamonds applikationer gennem Color Core Engineering
Mens diamant har et fremragende sæt af iboende optiske egenskaber, har den også hundredvis af forskellige optisk aktive defekter (farvecentre). Nogle af disse er vigtige for tekniske applikationer, der udnytter lysets kvantetilstand og elektronspinegenskaberne i farvecentre, herunder kvantekommunikation, kvanteberegning og en række sanseapplikationer.
Særligt bemærkelsesværdigt er nitrogen vacancy (NV) farvecenteret - en selvlysende punktdefekt i diamant, der har været genstand for intensiv forskning på grund af evnen til nemt at manipulere dens kvantetilstand ved anvendelse af lys- og RF-felter ved stuetemperatur.
Afhængigt af den endelige ansøgningsproces kan man skabe NV farvecentre på to måder. Den ene er ved at kontrollere dopingen af ​​nitrogen under CVD-vækstprocessen, så nitrogenatomerne fordeles i hele materialet i den ønskede koncentration. På den anden side kræves præcis rumlig styring af de enkelte farvecentre ved hjælp af nitrogeninjektion. Gittertomrummene skabes derefter ved højenergi-elektronbestråling, og krystallen udglødes ved høje temperaturer for at mobilisere de ledige pladser til at binde med nitrogenatomerne i krystallen, hvilket resulterer i NV-farvecentre. En lignende tilgang kan bruges til at danne andre tilpassede farvecentre, såsom ledige stillinger for silicium (SiV) eller centre for germanium ledige stillinger (GeV).
Til kvanteinformationsbehandling er der brug for rækker af farvecentre - både for at kontrollere deres kvanteegenskaber og for effektivt at koble individuelle centre sammen gennem fotoniske hulrum. På grund af diamantens kemiske inertitet og manglen på udbredt markedstilgængelighed er der stadig behov for en betydelig indsats og finansiering for at udvikle de nanofabrikationsteknikker, der kræves til sådanne strukturer; I de senere år har forskere imidlertid gjort store fremskridt på dette område, herunder fremstillingen af ​​komplekse nanostrukturer i form af bølgeledere, søjler, hulrum og skiver, ved brug af en række fotolitografiske teknikker og anvendelse af plasma og reaktive ionstråler til ætsning .
Fremtidige udfordringer for at opnå diamant kvantefotonik
I de senere år har forskere gjort betydelige fremskridt med at producere diamanter med høj iboende optisk kvalitet og farvecentre af høj kvalitet og har muliggjort mange nye og eksisterende avancerede fotonikteknikker.
Der er dog en række udfordringer tilbage, før diamantapplikationer i kvantefotonik med succes kan implementeres som skalerbare chips til applikationer såsom kvanteinformationsbehandling. Disse omfatter: forbedring af farvecentreret konstruktion og robusthed af kvantebits; fremstilling af wafers; og hybrid integration med andre fotoniske materialer og komponenter. På trods af disse udfordringer er den nuværende forskning rettet mod disse områder meget aktiv, og der forventes betydelige fremskridt i de kommende år.