激光网3月26日消息，从量子点捕获光的设备，如芯片级激光器和光学放大器，已经从实验室走向商业市场。由于单个点的对齐以及提取和引导发射辐射的光学器件需要极高的精度，因此基于量子点的较新的器件的过渡速度较慢。
当使用量子发射体的定位显微镜来指导光子结构的光刻放置时，很容易发生显微镜和光刻测量误差。这些错误会降低配准精度，从而限制器件性能和工艺良率。
为了解决这一瓶颈，美国国家标准与技术研究院和马里兰大学的研究人员为光学显微镜制定了标准和校准，用于指导光子芯片内量子点的居中。
该方法可通过光学显微镜对整个图像进行低至 10-20 nm 的精度，从而可以校正许多单个量子点。该模型预测，如果显微镜按照新标准进行校准，高性能设备的数量可能会增加一百倍。合作者制定的标准和校准可追溯到国际单位制。
“找到一个量子点并在其上放置一个光子组件的看似简单的想法被证明是一个棘手的测量问题，”NIST研究员Craig Copeland说。
在典型的测量中，当研究人员使用光学显微镜定位量子点时，误差开始累积，量子点位于半导体材料表面的随机点。如果研究人员忽略半导体材料在量子点工作的超低温下的收缩，误差就会变得更大。更复杂的是，这些测量误差因研究人员用于制定校准标准的制造过程中的不准确性而变得更加复杂，这也影响了光子元件的放置。
为了解决这些错误，NIST团队创建了两种类型的可追溯标准来校准光学显微镜 - 首先在室温下分析制造过程，然后在低温下测量量子点的位置。
在先前工作的基础上，室温标准由一系列纳米级孔组成，这些孔在金属薄膜中间隔一定距离。研究人员用原子力显微镜测量了孔的精确位置，并确保这些位置可追溯到SI。他们将使用光学显微镜观察时孔的表观位置与孔的实际位置进行了比较，以评估光学显微镜的放大校准和图像失真引起的误差。
一旦研究人员完成了这一过程，他们就使用校准的光学显微镜快速测量他们开发的其他标准品，这使他们能够对过程的准确性和可变性进行统计分析。
“良好的统计数据对于可追溯性链中的每个环节都至关重要，”NIST研究员Adam Pintar说。
在低温下工作，研究人员随后校准了用于对量子点成像的超冷光学显微镜。为了创建这个标准，他们在硅晶圆上构建了一系列支柱。研究人员之所以选择使用硅，是因为硅在低温下的收缩已经被精确测量。
研究人员发现，低温光学显微镜的图像失真往往比在室温下工作的显微镜更严重。低温显微镜中的光学缺陷将直线图像弯曲成曲线，校准将其拉直。如果不加以校正，这种图像失真会在确定量子点的位置以及在目标、波导和其他光控制设备内对齐量子点时造成很大的误差。
“这些错误可能阻止了研究人员制造出性能符合预期的设备，”研究员Marcelo Davanco说。
该团队认为，其方法可能是量子信息技术从实验室到晶圆厂过渡的关键推动因素。纳米颗粒表征、微系统跟踪和半导体计量应用也可以从中受益。可溯源标准品还可用于光子结构，例如宽带波导，这些结构需要小于 10 nm 的配准误差才能实现高耦合效率。
“如果一百个设备中的一个可以用于他们的第一次实验，研究人员可能会很高兴，但制造商可能需要一百个设备中的九十九个才能工作，”研究员塞缪尔·斯塔维斯说。“我们的工作是这种从实验室到晶圆厂的过渡的飞跃。”
除了量子点设备之外，NIST正在开发的可追溯标准和校准可能会提高光学显微镜其他苛刻应用的准确性和可靠性，例如对脑细胞进行成像和绘制神经连接图。此外，科学家可能需要协调不同仪器在不同温度下的位置数据，就像量子点设备一样。
该研究发表在Optica Quantum上。
