Развитие на технологията Photonics за ускоряване на приложението на изкуствен диамант

Напредъкът в производството на синтетични диаманти направи възможни нови фотонни технологии, но остават много предизвикателства пред тези нови технологии при обслужването на квантови приложения.
През последното десетилетие, водени от редица ключови технологични тенденции и търсене на пазара, много комерсиални нововъзникващи фотонни технологии, които се възползват от специалните физически свойства на диаманта, отбелязаха значителен напредък. Иновациите в синтеза на диамант с оптично качество чрез химическо отлагане на пари (CVD), инженерството на диамантените цветни центрове и технологиите за производство на диамантени оптични компоненти и фотонни структури направиха възможни тези постижения.
Фотонни приложения, базирани на отличните присъщи свойства на диаманта
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 пъти по-голям от този на медта), като същевременно има нисък термооптичен коефициент. Тези свойства правят диамантената оптика идеална за промишлени лазерни приложения с висока мощност, включително машинна обработка, заваряване и производство на добавки, където е приложима за много различни части от електромагнитния спектър.
В допълнение, диамантът е най-твърдото познато вещество на земята и е изключително твърд и здрав, което го прави идеален и за приложения в отбраната и сигурността, които изискват здрави оптични и инфрачервени компоненти и способността да функционират в много предизвикателни среди.
CVD диамант с оптично качество се предлага в монокристални и поликристални форми. Предимството на поликристалния диамант е, че може да се използва за големи устройства с голяма площ до 135 mm в диаметър. Например, той може да се използва като прозорец за високомощни 10,6 μm CO2 лазери за екстремни ултравиолетови (EUV) литографски системи за най-модерните възли за производство на полупроводникови устройства.
Тази технология, която се задвижва от поддържане на темпото със закона на Мур, разчита в голяма степен на синтезиране и обработка на диамантени прозорци по строги оптични стандарти за качество, тъй като никой друг оптичен материал не може да работи при изискваните екстремни лазерни условия.
Загубите от разсейване в поликристален CVD диамант при дължини на вълните, по-къси от около 1,5 μm, означават, че повечето приложения в този диапазон се адресират с помощта на монокристален диамант. Поради ограниченията на размера на наличните в момента диамантени субстрати, монокристалните диамантени елементи обикновено са с дължина около 5-10 mm и въпреки че някои производители разработват монокристални диаманти с голяма площ върху недиамантени субстрати, този материал не може да се използва за всички оптични приложения поради относително високото си вътрешно напрежение.
Въпреки ограниченията на размера са разработени някои монокристални CVD диамантени фотоникни техники, като диамантени Раманови лазери, базирани на уникалните кристали с ниско поглъщане на светлина и ниско двойно пречупване на Element Six.
Тези нелинейни лазери използват феномена на възбудено раманово разсейване, за да преобразуват лъча на помпата в изходен лъч, изместен по Стоукс, като по този начин разширяват обхвата от налични лазерни източници за нови приложения, покриващи UV към IR, включително: заваряване на материали, 3D печат, насочена енергия , LIDAR, дистанционно наблюдение и лазерно насочвани звезди (LGS).
Диамантът има един от най-високите коефициенти на усилване на Raman, което, съчетано с отличната му топлопроводимост, го прави идеална среда за усилване за демонстриране на мащабиране на мощността и подобряване на яркостта, включително в „безопасния за човешкото око“ спектрален регион от 1.{{1} }.8 μm. В този диапазон изборът от налични лазерни източници преди това беше ограничен.
Разширяване на приложенията на Diamond чрез Color Core Engineering
Докато диамантът има отличен набор от присъщи оптични свойства, той също има стотици различни оптически активни дефекти (цветни центрове). Някои от тях са важни за технически приложения, които използват квантовото състояние на светлината и свойствата на въртене на електрони на цветните центрове, включително квантови комуникации, квантови изчисления и набор от сензорни приложения.
Особено внимание трябва да се отбележи цветният център на азотната ваканция (NV) - луминесцентен точков дефект в диаманта, който е бил обект на интензивни изследвания поради способността лесно да се манипулира квантовото му състояние чрез прилагане на светлина и RF полета при стайна температура.
В зависимост от крайния процес на нанасяне, можете да създадете NV цветни центрове по два начина. Единият е чрез контролиране на допирането на азот по време на процеса на растеж на CVD, така че азотните атоми да се разпределят в материала в желаната концентрация. От друга страна е необходим прецизен пространствен контрол на отделните цветни центрове, като се използва инжектиране на азот. След това свободните места в решетката се създават чрез високоенергийно електронно облъчване и кристалът се отгрява при високи температури, за да се мобилизират свободните места за свързване с азотните атоми в кристала, което води до NV цветни центрове. Подобен подход може да се използва за формиране на други персонализирани цветни центрове, като центрове за свободни места на силиций (SiV) или центрове за свободни места на германий (GeV).
За обработка на квантовата информация са необходими масиви от цветни центрове - както за контролиране на техните квантови свойства, така и за ефективно свързване на отделни центрове чрез фотонни кухини. Поради химическата инертност на диаманта и липсата на широко разпространена наличност на пазара, все още са необходими значителни усилия и финансиране за разработване на техники за нанопроизводство, необходими за такива структури; но през последните години изследователите постигнаха голям напредък в тази област, включително производството на сложни наноструктури под формата на вълноводи, колони, кухини и дискове, използвайки различни фотолитографски техники и използвайки плазмени и реактивни йонни лъчи за ецване .
Бъдещи предизвикателства за постигане на диамантена квантова фотоника
През последните години изследователите постигнаха значителен напредък в производството на диаманти с високо присъщо оптично качество и висококачествени цветни центрове и позволиха много нови и съществуващи усъвършенствани фотонни техники.
Въпреки това остават редица предизвикателства, преди диамантените приложения в квантовата фотоника да могат да бъдат успешно внедрени като мащабируеми чипове за приложения като квантова обработка на информация. Те включват: подобряване на цветно-центрираното инженерство и устойчивостта на квантовите битове; производство на вафли; и хибридна интеграция с други фотонни материали и компоненти. Въпреки тези предизвикателства, текущите изследвания, насочени към тези области, са много активни и се очаква значителен напредък през следващите години.