Развитие фотонных технологий для ускорения применения искусственного алмаза

Достижения в производстве синтетических алмазов сделали возможными новые технологии фотоники, но перед этими новыми технологиями остается много проблем при обслуживании квантовых приложений.
За последнее десятилетие или около того, благодаря ряду ключевых технологических тенденций и рыночному спросу, многие новые коммерческие технологии фотоники, в которых используются преимущества особых физических свойств алмаза, достигли значительных успехов. Инновации в области синтеза алмаза оптического качества методом химического осаждения из паровой фазы (CVD), проектирования центров окраски алмазов и технологий изготовления алмазных оптических компонентов и фотонных структур сделали эти достижения возможными.
Приложения фотоники, основанные на превосходных внутренних свойствах алмаза
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 (>в 5 раз больше, чем у меди), имея при этом низкий термооптический коэффициент. Эти свойства делают алмазную оптику идеальной для мощных промышленных лазеров, включая механическую обработку, сварку и аддитивное производство, где она применима ко многим различным частям электромагнитного спектра.
Кроме того, алмаз является самым твердым известным веществом на земле, он чрезвычайно твердый и прочный, что делает его также идеальным для применения в сфере обороны и безопасности, где требуются прочные оптические и инфракрасные компоненты и способность работать в очень сложных условиях.
CVD-алмаз оптического качества доступен в монокристаллической и поликристаллической формах. Преимущество поликристаллического алмаза в том, что его можно использовать для крупногабаритных устройств большой площади диаметром до 135 мм. Например, его можно использовать в качестве окна для мощных CO2-лазеров с длиной волны 10,6 мкм для систем литографии в крайнем ультрафиолете (EUV) для самых передовых узлов производства полупроводниковых устройств.
Эта технология, основанная на соблюдении закона Мура, в значительной степени зависит от синтеза и обработки алмазных окон в соответствии со строгими стандартами оптического качества, поскольку ни один другой оптический материал не может работать в экстремальных условиях, требуемых лазером.
Потери на рассеяние в поликристаллическом CVD-алмазе на длинах волн короче примерно 1,5 мкм означают, что для большинства применений в этом диапазоне используется монокристаллический алмаз. Из-за ограничений размера доступных в настоящее время алмазных подложек монокристаллические алмазные элементы обычно имеют длину около 5-10 мм, и хотя некоторые производители разрабатывают монокристаллические алмазы большой площади на неалмазных подложках, этот материал не может использоваться во всех оптических приложениях из-за его относительно высокой внутренней деформации.
Несмотря на ограничения по размеру, были разработаны некоторые методы алмазной фотоники CVD на монокристаллах, такие как алмазные рамановские лазеры на основе уникальных кристаллов Element Six с низким поглощением света и низким двойным лучепреломлением.
Эти нелинейные лазеры используют явление возбужденного рамановского рассеяния для преобразования луча накачки в выходной пучок со стоксовым сдвигом, тем самым расширяя диапазон доступных лазерных источников для новых приложений, охватывающих УФ-ИК, в том числе: сварку материалов, 3D-печать, направленную энергию. , LIDAR, дистанционное зондирование и звезды с лазерным наведением (LGS).
Алмаз имеет один из самых высоких коэффициентов усиления комбинационного рассеяния света, что в сочетании с его превосходной теплопроводностью делает его идеальной усиливающей средой для демонстрации масштабирования мощности и повышения яркости, в том числе в «безопасной для человеческого глаза» спектральной области 1.{{1} },8 мкм. В этом диапазоне выбор доступных лазерных источников ранее был ограничен.
Расширение сферы применения Diamond с помощью Color Core Engineering
Хотя алмаз обладает превосходным набором внутренних оптических свойств, он также имеет сотни различных оптически активных дефектов (центров окраски). Некоторые из них важны для технических приложений, использующих квантовое состояние света и свойства электронных спинов центров окраски, включая квантовую связь, квантовые вычисления и ряд сенсорных приложений.
Особо следует отметить центр окраски вакансий азота (NV) — люминесцентный точечный дефект в алмазе, который был предметом интенсивных исследований из-за способности легко манипулировать его квантовым состоянием с помощью применения света и радиочастотных полей при комнатной температуре.
В зависимости от окончательного процесса нанесения можно создать центры цвета NV двумя способами. Один из них заключается в контроле легирования азота в процессе роста CVD, чтобы атомы азота распределялись по всему материалу в желаемой концентрации. С другой стороны, требуется точный пространственный контроль отдельных центров окраски с помощью впрыска азота. Затем с помощью облучения высокоэнергетическими электронами создаются вакансии в решетке, и кристалл отжигается при высоких температурах, чтобы мобилизовать вакансии для связи с атомами азота в кристалле, в результате чего образуются центры окраски NV. Аналогичный подход можно использовать для формирования других специализированных центров окраски, таких как центры вакансий кремния (SiV) или вакансий германия (GeV).
Для обработки квантовой информации необходимы массивы центров окраски — как для управления их квантовыми свойствами, так и для эффективного соединения отдельных центров через фотонные резонаторы. Из-за химической инертности алмаза и отсутствия широкой доступности на рынке по-прежнему требуются значительные усилия и финансирование для разработки методов нанопроизводства, необходимых для таких структур; однако в последние годы исследователи добились больших успехов в этой области, включая изготовление сложных наноструктур в виде волноводов, колонн, полостей и дисков с использованием различных методов фотолитографии, а также применение плазменных и реактивных ионных пучков для травления. .
Будущие проблемы для достижения алмазной квантовой фотоники
В последние годы исследователи добились значительного прогресса в производстве алмазов с высоким собственным оптическим качеством и высококачественными центрами окраски, а также сделали возможным использование многих новых и существующих передовых методов фотоники.
Тем не менее, остается ряд проблем, прежде чем алмазные приложения в квантовой фотонике смогут быть успешно реализованы в виде масштабируемых чипов для таких приложений, как квантовая обработка информации. К ним относятся: улучшение проектирования, ориентированного на цвет, и надежности квантовых битов; изготовление пластин; гибридная интеграция с другими фотонными материалами и компонентами. Несмотря на эти проблемы, текущие исследования, направленные на эти области, очень активны, и в ближайшие годы ожидается значительный прогресс.