Kwantowe urządzenia optyczne
Pułapkowanie fotonów znajduje ważne zastosowania w technologiach laserowych i LED, ponieważ spontaniczna emisja w mikrodefektach może być znacznie większa niż w wolnej przestrzeni. To zjawisko można również wykorzystać w telekomunikacji i urządzeniach pamięci, a nawet w czujnikach biomedycznych. Kontrolowane umieszczanie nanoemiterów, takich jak kropki kwantowe, w defektach kryształów fotonicznych umożliwia dostęp do ultraszybkiej kontroli w czasie rzeczywistym procesów radiacyjnych, w tym emisji spontanicznej. Według oczekiwań ma to pobudzić rozwój nanofotoniki, torując drogę do tworzenia złożonych układów fotonicznych, takich jak routery, przełączniki i linie opóźniające z kryształów fotonicznych. Finansowani przez UE naukowcy zastosowali nowe metody wytwarzania kontrolowanych miejscowo nanoemiterów oraz defektów w kryształach fotonicznych w ramach prac związanych z projektem SITELITE. Celem projektu jest zintegrowanie struktur kryształów fotonicznych z emiterami światła. Pierwszy krok polegał na zoptymalizowaniu procesów wytwarzania kontrolowanych miejscowo nanoemiterów poprzez przestrzennie selektywne uwodornienie materiałów półprzewodnikowych z rozcieńczonych azotków. Rozcieńczone azotki wykazują wyjątkowe właściwości, odróżniające je od konwencjonalnych półprzewodników. Jedną z tych właściwości jest silna zależność szerokości pasma wzbronionego od zawartości azotu, co sprawia, że materiał ten jest istotny w zastosowaniach rozciągających się od optoelektroniki fal długich po fotonikę. Naukowcy poprawili właściwości kropek kwantowych wytwarzanych w ramach opracowanego procesu, zwanego również inżynierią płaszczyznową pasma wzbronionego, co umożliwiło emisję pojedynczego fotonu. Uproszczony proces jednoetapowy pozwala obecnie uzyskać gotową maskę bezpośrednio po elektronolitografii i powoduje znaczący wzrost liczby pomyślnie przetworzonych próbek. Dalsze badania nad właściwościami naprężeń modulowanymi poprzez przestrzennie selektywne uwodornienie rozcieńczonych azotków wskazują sposoby kontrolowania stopnia i kierunku polaryzacji struktur przypominających przewody. Udało się to osiągnąć dzięki wytworzeniu w płaszczyźnie próbki silnego pola naprężeń wzbudzanego prążkiem anizotropowym H. Trwają prace nad wykorzystaniem tego samego podejścia przy tworzeniu odpowiednio dostosowanych struktur fotonicznych z zastosowaniem promieniowania rentgenowskiego. Następnie naukowcy opracowali prostą, opartą na istniejącej wiedzy metodę projektowania defektów w kryształach fotonicznych, eliminując potrzebę stosowania metody prób i błędów, która dotychczas utrudniała optymalizację i dalszy rozwój. Produkcja pierwszego zestawu pasywnych urządzeń z kryształów fotonicznych jest niemal na ukończeniu, a seria uporządkowanych matryc kropek kwantowych gotowych do zintegrowania jest obecnie poddawana szczegółowym pomiarom spektroskopowym. Wyniki projektu SITELITE zostały opublikowane w najważniejszych czasopismach naukowych. Możliwość umieszczania pojedynczych obiektów kwantowych w dowolnie wybranych miejscach struktur kryształów fotonicznych otwiera drogę do nowej ery urządzeń fotonicznych. Nie brakuje potencjalnych zastosowań tej technologii w różnych branżach, od optoelektroniki po biomedycynę i energetykę.
Słowa kluczowe
Kryształy fotoniczne, kropki kwantowe, nanoemitery, defekty, rozcieńczone azotki