Eine Methode zur genauen Zentrierung von Quantenpunkten in photonischen Chips

Geräte, die das brillante Licht von Millionen von Quantenpunkten einfangen, darunter Chip-Laser und optische Verstärker, haben den Übergang von Laborexperimenten zu kommerziellen Produkten geschafft. Neuere Arten von Quantenpunktgeräten kamen jedoch langsamer auf den Markt, da sie eine außerordentlich genaue Ausrichtung zwischen 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 nun Standards und Kalibrierungen für optische Mikroskope entwickelt, die es ermöglichen, Quantenpunkte mit einem Fehler von 10 bis 20 Nanometern (ungefähr ein Nanometer) auf die Mitte einer photonischen Komponente auszurichten -Tausendstel der Dicke eines Blattes Papier).

Eine solche Ausrichtung ist entscheidend für Geräte im Chipmaßstab, die die von Quantenpunkten emittierte Strahlung zum Speichern und Übertragen von Quanteninformationen nutzen. Die Studie ist veröffentlicht in Optica Quantum.

Zum ersten Mal erreichten die NIST-Forscher diese Genauigkeit über das gesamte Bild eines optischen Mikroskops 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 erstellten Craig Copeland, Samuel Stavis und ihre Mitarbeiter, darunter Kollegen vom Joint Quantum Institute (JQI), einer Forschungspartnerschaft zwischen NIST und der University of Maryland, Standards und Kalibrierungen, die auf das Internationale Einheitensystem rückführbar waren (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.

Bei einer typischen Messung häufen sich Fehler, wenn Forscher mit einem optischen Mikroskop 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 größer.

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

Die NIST-Methode, die die Forscher in einem am 18. März online in Optica Quantum veröffentlichten Artikel beschrieben haben, identifiziert und korrigiert solche Fehler, die zuvor übersehen wurden.

Das NIST-Team hat zwei Arten rückverfolgbarer Standards zur Kalibrierung optischer Mikroskope entwickelt – zunächst bei Raumtemperatur, um den Herstellungsprozess zu analysieren, und dann bei kryogenen Temperaturen, um die Position von Quantenpunkten zu messen. Aufbauend auf ihrer früheren Arbeit bestand der Raumtemperaturstandard 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 aus der Sicht des optischen Mikroskops mit den tatsächlichen Positionen beurteilten die Forscher Fehler aus der Vergrößerungskalibrierung und Bildverzerrungen des optischen Mikroskops. Das kalibrierte optische Mikroskop könnte dann verwendet werden, um andere von den Forschern hergestellte Standards schnell zu messen und so eine statistische Analyse der Genauigkeit und Variabilität des Prozesses zu ermöglichen.

„Gute Statistiken sind für jedes Glied in einer Rückverfolgbarkeitskette unerlässlich“, sagte NIST-Forscher Adam Pintar, einer der Mitautoren des Artikels.

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.

Die Forscher entdeckten mehrere Fallstricke bei der Kalibrierung der Vergrößerung kryogener optischer Mikroskope, die tendenziell eine stärkere Bildverzerrung aufweisen als Mikroskope, die bei Raumtemperatur betrieben werden. Diese optischen Mängel verbiegen die Bilder von geraden Linien in knorrige Kurven, die durch die Kalibrierung effektiv begradigt werden. Wenn sie nicht korrigiert wird, führt die Bildverzerrung zu großen Fehlern bei der Bestimmung der Position von Quantenpunkten und bei der Ausrichtung der Punkte innerhalb von Zielen, Wellenleitern oder anderen lichtsteuernden Geräten.

„Diese Fehler haben Forscher wahrscheinlich daran gehindert, Geräte herzustellen, die wie vorhergesagt funktionieren“, sagte NIST-Forscher Marcelo Davanco, Mitautor des Artikels.

Die Forscher entwickelten ein detailliertes Modell der Mess- und Herstellungsfehler bei der Integration von Quantenpunkten mit photonischen Komponenten im Chip-Maßstab. Sie untersuchten, wie diese Fehler die Fähigkeit von Quantenpunktgeräten einschränken, wie geplant zu funktionieren, und fanden das Potenzial für eine hundertfache Verbesserung.

„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 ist ein Fortschritt bei diesem Übergang vom Labor zur Fabrik.“

Über Quantenpunktgeräte hinaus können rückverfolgbare Standards und Kalibrierungen, die am NIST entwickelt werden, die Genauigkeit und Zuverlässigkeit in anderen anspruchsvollen Anwendungen der optischen Mikroskopie verbessern, beispielsweise bei der Abbildung von Gehirnzellen und der Kartierung neuronaler Verbindungen.

Bei diesen Unternehmungen versuchen Forscher auch, die genaue Position der untersuchten Objekte über ein gesamtes Mikroskopbild hinweg zu bestimmen. Darüber hinaus müssen Wissenschaftler möglicherweise Positionsdaten verschiedener Instrumente bei unterschiedlichen Temperaturen koordinieren, wie dies bei Quantenpunktgeräten der Fall ist.

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