Razvoj tehnologije Photonics za pospešitev uporabe umetnega diamanta

Napredek v proizvodnji sintetičnih diamantov je omogočil nove fotonske tehnologije, vendar ostajajo številni izzivi za te nove tehnologije pri služenju kvantnim aplikacijam.
V zadnjem desetletju so številne komercialne nastajajoče fotonske tehnologije, ki izkoriščajo posebne fizikalne lastnosti diamanta, zaradi številnih ključnih tehnoloških trendov in tržnega povpraševanja doživele pomemben napredek. Inovacije v sintezi diamanta optične kakovosti s kemičnim naparjevanjem (CVD), inženiring diamantnih barvnih centrov in tehnologije za izdelavo diamantnih optičnih komponent in fotonskih struktur so omogočile ta napredek.
Aplikacije v fotoniki, ki temeljijo na odličnih intrinzičnih lastnostih diamanta
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-krat večja od bakra), medtem ko ima nizek termooptični koeficient. Zaradi teh lastnosti je diamantna optika idealna za visokozmogljive industrijske laserske aplikacije, vključno s strojno obdelavo, varjenjem in aditivno proizvodnjo, kjer je uporabna za številne različne dele elektromagnetnega spektra.
Poleg tega je diamant najtrša znana snov na zemlji in je izjemno trd in robusten, zaradi česar je idealen tudi za obrambne in varnostne aplikacije, ki zahtevajo robustne optične in infrardeče komponente ter sposobnost delovanja v zelo zahtevnih okoljih.
CVD diamant optične kakovosti je na voljo v monokristalnih in polikristalnih oblikah. Prednost polikristalnega diamanta je, da ga je mogoče uporabiti za naprave velikih velikosti s premerom do 135 mm. Na primer, lahko se uporablja kot okno za visoko zmogljive 10,6 μm CO2 laserje za sisteme ekstremne ultravijolične (EUV) litografije za najnaprednejša vozlišča za izdelavo polprevodniških naprav.
Ta tehnologija, ki temelji na sledenju Moorovemu zakonu, se močno opira na sintezo in obdelavo diamantnih oken v skladu s strogimi optičnimi standardi kakovosti, saj noben drug optični material ne more delovati v zahtevanih ekstremnih laserskih pogojih.
Izgube zaradi sipanja v polikristalnem diamantu CVD pri valovnih dolžinah, krajših od približno 1,5 μm, pomenijo, da se večina aplikacij v tem območju obravnava z uporabo monokristalnega diamanta. Zaradi omejitev velikosti trenutno razpoložljivih diamantnih substratov so enokristalni diamantni elementi običajno dolgi približno 5-10 mm, in čeprav nekateri proizvajalci razvijajo enokristalne diamante z velikimi površinami na nediamantnih substratih, ta material ne more se uporablja za vse optične aplikacije zaradi relativno visoke notranje obremenitve.
Kljub omejitvam glede velikosti so bile razvite nekatere enokristalne diamantne fotonske tehnike CVD, kot so diamantni ramanski laserji, ki temeljijo na edinstvenih kristalih Element Six z nizko absorpcijo svetlobe in nizko dvolomnostjo.
Ti nelinearni laserji izkoriščajo pojav vzbujenega Ramanovega sipanja za pretvorbo žarka črpalke v izhodni žarek s Stokesovim zamikom, s čimer razširijo obseg razpoložljivih laserskih virov za nove aplikacije, ki pokrivajo UV do IR, vključno z: varjenjem materiala, 3D-tiskanjem, usmerjeno energijo , LIDAR, daljinsko zaznavanje in lasersko vodene zvezde (LGS).
Diamond ima enega najvišjih ramanskih koeficientov ojačenja, zaradi česar je v kombinaciji z odlično toplotno prevodnostjo idealen ojačevalni medij za prikaz skaliranja moči in izboljšave svetlosti, tudi v spektralnem območju 1, »varnem za človeško oko«.{{1} },8 μm. V tem območju je bila izbira razpoložljivih laserskih virov prej omejena.
Razširitev Diamondovih aplikacij s pomočjo Color Core Engineering
Medtem ko ima diamant odličen nabor intrinzičnih optičnih lastnosti, ima tudi na stotine različnih optično aktivnih napak (barvnih centrov). Nekatere od teh so pomembne za tehnične aplikacije, ki izkoriščajo kvantno stanje svetlobe in lastnosti vrtenja elektronov barvnih središč, vključno s kvantnimi komunikacijami, kvantnim računalništvom in vrsto aplikacij za zaznavanje.
Posebej velja opozoriti na barvno središče prostih prostorov dušika (NV) – luminescentna točkasta napaka v diamantu, ki je bila predmet intenzivnih raziskav zaradi zmožnosti enostavne manipulacije njegovega kvantnega stanja z uporabo svetlobnih in RF polj pri sobni temperaturi.
Odvisno od končnega postopka nanosa lahko NV barvne centre ustvarite na dva načina. Ena je z nadzorovanjem dopinga dušika med postopkom rasti CVD, tako da so atomi dušika porazdeljeni po materialu v želeni koncentraciji. Po drugi strani pa je potreben natančen prostorski nadzor posameznih barvnih središč z vbrizgavanjem dušika. Prosta mesta v mreži se nato ustvarijo z obsevanjem visokoenergijskih elektronov, kristal pa se žari pri visokih temperaturah, da se prosta mesta mobilizirajo, da se vežejo z dušikovimi atomi v kristalu, kar povzroči NV barvne centre. Podoben pristop je mogoče uporabiti za oblikovanje drugih prilagojenih barvnih centrov, kot so centri prostih delov silicija (SiV) ali prostih mest germanija (GeV).
Za kvantno obdelavo informacij so potrebni nizi barvnih centrov - tako za nadzor njihovih kvantnih lastnosti kot za učinkovito povezovanje posameznih centrov skozi fotonske votline. Zaradi kemične inertnosti diamanta in pomanjkanja široke dostopnosti na trgu je še vedno potrebno veliko truda in financiranja za razvoj tehnik nanoizdelave, potrebnih za takšne strukture; vendar so v zadnjih letih raziskovalci dosegli velik napredek na tem področju, vključno z izdelavo kompleksnih nanostruktur v obliki valovodov, stebrov, votlin in diskov z uporabo različnih tehnik fotolitografije ter uporabo plazme in reaktivnih ionskih žarkov za jedkanje .
Prihodnji izzivi za doseganje diamantne kvantne fotonike
V zadnjih letih so raziskovalci znatno napredovali pri izdelavi diamantov z visoko intrinzično optično kakovostjo in visokokakovostnimi barvnimi središči ter omogočili številne nove in obstoječe napredne fotonske tehnike.
Vendar ostajajo številni izzivi, preden je mogoče diamantne aplikacije v kvantni fotoniki uspešno implementirati kot razširljive čipe za aplikacije, kot je kvantna obdelava informacij. Ti vključujejo: izboljšanje barvno osredotočenega inženirstva in robustnost kvantnih bitov; izdelava rezin; in hibridno integracijo z drugimi fotonskimi materiali in komponentami. Kljub tem izzivom so trenutne raziskave, usmerjene v ta področja, zelo aktivne in v prihodnjih letih se pričakuje znaten napredek.