Eine Methode zur präzisen Zentrierung von Quantenpunkten in photonischen Chips

Geräte, die helles Licht von Millionen von Quantenpunkten einfangen, darunter Chip-Laser und optische Verstärker, haben sich von Laborexperimenten zu kommerziellen Produkten entwickelt. Neue Arten von Quantenpunktgeräten kommen jedoch langsamer auf den Markt, da sie eine außerordentlich präzise Ausrichtung zwischen den einzelnen Punkten und der Miniaturoptik erfordern, die die emittierte Strahlung extrahiert und leitet.

Forscher am National Institute of Standards and Technology (NIST) und ihre Kollegen haben Standards und Kalibrierungen für optische Mikroskope entwickelt, die es ermöglichen, Quantenpunkte mit einem Fehler von 10 bis 20 Nanometern (etwa ein Tausendstel) auf die Mitte einer photonischen Komponente auszurichten der Dicke eines Blattes Papier).

Eine solche Ausrichtung ist für Geräte im Chip-Maßstab von entscheidender Bedeutung, die die von Quantenpunkten emittierte Strahlung zum Speichern und Übertragen von Quanteninformationen nutzen. Die Studie ist veröffentlicht in Quantenoptik.

Zum ersten Mal haben NIST-Forscher dieses Maß an Präzision über das gesamte Bild eines optischen Mikroskops erreicht und konnten so die Positionen vieler einzelner Quantenpunkte korrigieren. Ein von den Forschern entwickeltes Modell prognostiziert, dass sich die Zahl der Hochleistungsgeräte verhundertfachen könnte, wenn Mikroskope nach den neuen Standards kalibriert würden.

Diese neue Fähigkeit könnte es ermöglichen, Quanteninformationstechnologien, die langsam aus Forschungslabors hervorgehen, zuverlässiger zu untersuchen und effizienter zu kommerziellen Produkten zu entwickeln.

Bei der Entwicklung ihrer Methode haben Craig Copeland, Samuel Stavis und ihre Mitarbeiter, darunter Kollegen am Joint Quantum Institute (JQI), einer Forschungspartnerschaft zwischen NIST und der University of Maryland, Standards und Kalibrierungen erstellt, die auf das Internationale Einheitensystem rückführbar sind. (SI) für optische Mikroskope, die zur Steuerung der Ausrichtung von Quantenpunkten verwendet werden.

„Die scheinbar einfache Idee, einen Quantenpunkt zu finden und eine photonische Komponente darauf zu platzieren, erweist sich als kniffliges Messproblem“, sagte Copeland.

Typischerweise häufen sich Fehler, wenn Forscher mithilfe eines optischen Mikroskops die Position einzelner Quantenpunkte ermitteln, die sich an zufälligen Stellen auf der Oberfläche eines Halbleitermaterials befinden. Wenn Forscher die Schrumpfung von Halbleitermaterialien bei den ultrakalten Temperaturen, bei denen Quantenpunkte arbeiten, ignorieren, werden die Fehler noch ausgeprägter.

Erschwerend kommt hinzu, dass diese Messfehler durch Ungenauigkeiten im Herstellungsprozess, den Forscher zur Herstellung ihrer Kalibrierungsstandards verwenden, noch verstärkt werden, was sich auch auf die Platzierung photonischer Komponenten auswirkt.

Die von den Forschern in einem am 18. März online in Optica Quantum veröffentlichten Artikel beschriebene NIST-Methode identifiziert und korrigiert solche Fehler, die zuvor übersehen wurden.

Das NIST-Team hat zwei Arten rückverfolgbarer Standards zur Kalibrierung optischer Mikroskope entwickelt: zuerst bei Raumtemperatur, um den Herstellungsprozess zu analysieren, dann bei kryogenen Temperaturen, um die Position der Quantenpunkte zu messen. Aufbauend auf ihrer früheren Arbeit bestand der Umgebungstemperaturstandard aus einer Reihe nanoskaliger Löcher, die in einem bestimmten Abstand voneinander in einem Metallfilm angeordnet waren.

Anschließend maßen die Forscher die tatsächlichen Positionen der Löcher mit einem Rasterkraftmikroskop und stellten so sicher, dass die Positionen auf das SI zurückführbar waren. Durch den Vergleich der scheinbaren Positionen der Löcher, die das optische Mikroskop sah, mit den tatsächlichen Positionen bewerteten die Forscher Fehler im Zusammenhang mit der Vergrößerungskalibrierung und Verzerrung des optischen Mikroskopbilds. Das kalibrierte optische Mikroskop könnte dann verwendet werden, um schnell andere von den Forschern hergestellte Standards zu messen und so eine statistische Analyse der Präzision und Variabilität des Prozesses zu ermöglichen.

„Gute Statistiken sind an jedem Glied einer Überwachungskette unerlässlich“, sagte Adam Pintar, Forscher am NIST und Mitautor des Papiers.

Das Forscherteam erweiterte seine Methode auf niedrige Temperaturen und kalibrierte ein ultrakaltes optisches Mikroskop zur Abbildung von Quantenpunkten. Um diese Kalibrierung durchzuführen, entwickelte das Team einen neuen Mikroskopiestandard: eine Reihe von Säulen, die auf einem Siliziumwafer hergestellt wurden. Die Wissenschaftler arbeiteten mit Silizium, weil die Schrumpfung des Materials bei niedrigen Temperaturen genau gemessen werden konnte.

Forscher haben mehrere Fallstricke bei der Kalibrierung der Vergrößerung kryogener optischer Mikroskope entdeckt, die tendenziell stärkere Bildverzerrungen aufweisen als Mikroskope, die bei Raumtemperatur betrieben werden. Diese optischen Unvollkommenheiten verbiegen Bilder von geraden Linien in knorrige Kurven, die durch die Kalibrierung effektiv begradigt werden. Wenn sie nicht korrigiert wird, führt die Bildverzerrung zu erheblichen Fehlern bei der Bestimmung der Position von Quantenpunkten und bei der Ausrichtung der Punkte in Zielen, Wellenleitern oder anderen Bildgebungsgeräten. Lichtsteuerung.

„Diese Fehler hinderten Forscher wahrscheinlich daran, Geräte herzustellen, die wie vorgesehen funktionierten“, sagte Marcelo Davanco, ein NIST-Forscher und Mitautor des Artikels.

Forscher entwickelten ein detailliertes Modell der Mess- und Herstellungsfehler bei der Integration von Quantenpunkten mit photonischen Komponenten im Chipmaßstab. Sie untersuchten, wie diese Fehler die Leistungsfähigkeit von Quantenpunktgeräten einschränken, und stellten dabei das Potenzial für eine hundertfache Verbesserung fest.

„Ein Forscher könnte zufrieden sein, wenn eines von hundert Geräten für sein erstes Experiment funktioniert, aber ein Hersteller benötigt möglicherweise neunundneunzig von hundert Geräten, um zu funktionieren“, bemerkte Stavis. „Unsere Arbeit stellt einen Schritt vorwärts bei diesem Übergang vom Labor zur Fabrik dar.“

Über Quantenpunktgeräte hinaus könnten die am NIST entwickelten rückverfolgbaren Standards und Kalibrierungen die Genauigkeit und Zuverlässigkeit in anderen anspruchsvollen Anwendungen der optischen Mikroskopie verbessern, wie etwa der Bildgebung von Gehirnzellen und der Zellkartierung. neuronale Verbindungen.

Bei diesen Projekten geht es den Forschern auch darum, die genaue Position der untersuchten Objekte über ein gesamtes mikroskopisches Bild zu bestimmen. Darüber hinaus müssen Wissenschaftler möglicherweise Positionsdaten von verschiedenen Instrumenten bei unterschiedlichen Temperaturen koordinieren, wie dies bei Quantenpunktgeräten der Fall ist.

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von NIST erneut veröffentlicht. Lesen Sie hier die Originalgeschichte.