Hvordan distribuerede Bragg-reflektorer revolutionerer lyskontrol: Videnskaben, teknologien og fremtidens indvirkning af konstruerede reflektive strukturer (2025)

• Introduktion til distribuerede Bragg-reflektorer (DBR’er)
• Fundamental fysik: Hvordan DBR’er manipulerer lys
• Materialer og fremstillingsteknikker for DBR’er
• Nøgleanvendelser inden for fotonik og optoelektronik
• DBR’er i halvlederlasere og LED’er
• Præstationsmålinger: Reflektivitet, båndbredde og stabilitet
• Fremvoksende tendenser: DBR’er i kvante- og integreret fotonik
• Markedsvækst og offentlig interesse: 2024–2030 prognose
• Førende aktører i industrien og forskningsinstitutioner
• Fremtidige udsigter: Innovationer og udvidende anvendelser
• Kilder & Referencer

Introduktion til distribuerede Bragg-reflektorer (DBR’er)

En distribueret Bragg-reflektor (DBR) er en højt designet optisk struktur bestående af skiftende lag af materialer med forskellige brydningsindekser. Disse lag er typisk arrangeret i en periodisk struktur, hvor hvert lag har en tykkelse, der præcist er kontrolleret til en fjerdedel af bølgelængden af det målte lys. Denne konfiguration muliggør konstruktiv interferens af det reflekterede lys ved specifikke bølgelængder, hvilket resulterer i høj reflektivitet over et smalt spektralområde. DBR’er er grundlæggende komponenter i en række fotoniske og optoelektroniske enheder, herunder vertikale hulrumsoverflade-emitterende lasere (VCSEL’er), resonans-hulrum lysdioder (RCLED’er) og optiske filtre.

Princippet bag DBR’er er baseret på Bragg’s lov, som beskriver betingelserne for konstruktiv interferens af lys, der reflekteres fra periodiske strukturer. Når lys møder grænsen mellem to materialer med forskellige brydningsindeks, bliver en del af lyset reflekteret. Ved at stable flere sådanne grænseflader kan de reflekterede bølger fra hver grænse så tilføjes konstruktivt ved bestemte bølgelængder, hvilket væsentligt øger den samlede reflektivitet. Antallet af lagpar og forskellen i brydningsindeks mellem materialerne bestemmer reflektiviteten og båndbredden af DBR’en.

DBR’er fremstilles ved hjælp af avancerede tyndfilm-depositionsteknikker som molekylær stråleepitaksi (MBE) og metal-organisk kemisk dampaflejring (MOCVD), som tillader atomart kontrol over lagtykkelse og sammensætning. Disse metoder bruges bredt i halvlederindustrien til at producere højkvalitets DBR’er til integration i enheder, der opererer i de synlige, infrarøde og endda ultraviolet spektre. Valget af materialer til DBR’er afhænger af applikationen og den ønskede driftsbølgelængde; almindelige materialsystemer inkluderer GaAs/AlAs til nær-infrarøde applikationer og SiO₂/TiO₂ til synligt lys.

DBR’er spiller en kritisk rolle i moderne fotonik ved at muliggøre effektiv lysindeslutning, bølgelængde-selektive funktioner og lavt tab ved refleksion. Deres præcise optiske egenskaber gør dem uundgåelige inden for telekommunikation, laserteknologi og sensorapplikationer. Organisationer som Optica (tidligere OSA) og Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) publicerer regelmæssigt forskning og standarder relateret til design, fremstilling og anvendelse af DBR’er, hvilket afspejler deres vedvarende betydning for fremskridt inden for optisk videnskab og teknologi.

Fundamental fysik: Hvordan DBR’er manipulerer lys

En distribueret Bragg-reflektor (DBR) er en periodisk struktur bestående af skiftende lag af materialer med forskellige brydningsindekser. Den grundlæggende fysik, der ligger bag DBR’er, er baseret på princippet om konstruktiv og destruktiv interferens af lysbølger ved grænsefladerne mellem disse lag. Når lys møder en DBR, reflekterer og transmitterer hver grænseflade delvist den indkommende bølge. Hvis den optiske tykkelse af hvert lag præcist er en fjerdedel af den målte bølgelængde (λ/4), så danner de reflekterede bølger fra successive grænser konstruktivt ved den bølgelængde, hvilket resulterer i høj reflektivitet inden for et specifikt spektralområde kendt som stopbåndet eller fotonisk båndgab.

Den høje reflektivitet af DBR’er opstår fra den koherente superposition af de reflekterede bølger. For en DBR designet til en central bølgelængde λ₀, er den optiske tykkelse (n·d) af hvert lag indstillet til λ₀/4, hvor n er brydningsindekset og d er den fysiske tykkelse. Denne konfiguration sikrer, at faseforskellen mellem refleksionerne fra tilstødende grænser er 180 grader, hvilket får de reflekterede bølger til at forstærke hinanden. Omvendt oplever bølgelængder uden for stopbåndet destruktiv interferens, hvilket gør det muligt for dem at transmittere gennem strukturen med minimal refleksion.

Bredden og placeringen af stopbåndet afhænger af forskellen i brydningsindeks mellem de skiftende lag og antallet af lagpar. Et højere brydningsindeksforskydning og flere perioder øger både reflektiviteten og bredden af stopbåndet. Dette gør DBR’er meget tilpasselige til specifikke optiske applikationer, såsom spejle i vertikale hulrumsoverflade-emitterende lasere (VCSEL’er), bølgelængdefiltre og optiske hulrum.

DBR’er er en nøglekomponent i moderne fotonik og optoelektronik. Deres evne til at manipulere lys med høj præcision udnyttes i enheder fra halvlederlasere til solceller og kvantebrøndstrukturer. Den underliggende fysik er nært relateret til konceptet om fotoniske krystaller, hvor periodisk modulation af brydningsindekset skaber tilladelige og forbudte energibånd for fotoner, analogt med elektroniske båndstrukturer i halvledere. Denne fotoniske båndgabseffekt er central for driften af DBR’er, hvilket gør dem i stand til at kontrollere lysens udbredelse på nanoskal.

Forskning og udvikling af DBR’er udføres af førende videnskabelige organisationer og industrispillere, herunder Optica (tidligere OSA) og American Physical Society, som bidrager til grundlæggende forskning og standarder inden for optik og fotonik. Disse organisationer bidrager til fremme af DBR-teknologi gennem konferencer, publikationer og samarbejdende forskningsinitiativer.

Materialer og fremstillingsteknikker for DBR’er

Distribuerede Bragg-reflektorer (DBR’er) er periodiske multilagsstrukturer bestående af skiftende materialer med kontrasterende brydningsindekser. DBR’ens ydeevne—dens reflektivitet, båndbredde og driftsbølgelængdeområde—afhænger kritisk af valget af materialer og præcisionen af fremstillingsteknikkerne. De mest almindelige materialer til DBR’er er dielektriske eller halvlederforbindelser, valgt for deres optiske gennemsigtighed, brydningsindeksforskydning og kompatibilitet med enhedsintegration.

I de synlige og nær-infrarøde spektre anvender dielektriske DBR’er ofte par som siliciumdioxid (SiO₂, lavt indeks) og titandioxid (TiO₂, højt indeks), eller siliciumnitrit (Si₃N₄) som det højindekslag. Disse materialer er foretrukket for deres lave optiske absorption og høje skadestærskler. For halvlederbaserede DBR’er, især i optoelektroniske enheder som vertikale hulrumsoverflade-emitterende lasere (VCSEL’er), omfatter almindelige materialsystemer skiftende lag af galliumarsenid (GaAs) og aluminiumsarsenid (AlAs), eller Indiumphosphid (InP) og Indiumgalliumarsenidphosphid (InGaAsP). Disse kombinationer er gitter-matchede for at minimere defekter og er kompatible med epitaxial vækst på standard substrater, hvilket er afgørende for højt ydende fotoniske enheder (Optica).

Fremstillingen af DBR’er kræver præcis kontrol over lagtykkelse og grænsefladekvalitet, da afvigelser kan betydeligt forringe reflektiviteten. Flere aflejringsteknikker anvendes, hver med sine særlige fordele. Fysiske dampaflejring (PVD) metoder, såsom elektronstrålefordampning og sputtering, er bredt anvendt til dielektriske DBR’er på grund af deres evne til at aflejre ensartede, højpure film. Kemisk dampaflejring (CVD) og plasma-forstærket CVD (PECVD) er også almindelige, især for siliciumbaserede materialer, idet de tilbyder fremragende trinfordækning og konformitet.

For halvleder DBR’er er molekylær stråleepitaksi (MBE) og metal-organisk kemisk dampaflejring (MOCVD) de dominerende teknikker. MBE giver atomart præcision og er ideel til forskning og højt ydende enheder, mens MOCVD foretrækkes til storskala produktion på grund af sin højere throughput. Begge metoder muliggør væksten af abrupte, defektfrie grænseflader, som er afgørende for at opnå den høje reflektivitet og lave optiske tab, der kræves i avancerede fotoniske applikationer (American Physical Society).

Nye fremskridt inden for materialeforskning har introduceret nye materialer som bredbåndsgapsoxider og to-dimensionale materialer til specialiserede DBR-applikationer, herunder ultraviolet og mid-infrarøde reflektorer. Derudover driver integrationen med silikonefotonikplattformer udviklingen af CMOS-kompatible DBR-fremstillingsprocesser, hvilket udvider anvendelsesområdet i telekommunikation og kvante teknologier (IEEE).

Nøgleanvendelser inden for fotonik og optoelektronik

Distribuerede Bragg-reflektorer (DBR’er) er grundlæggende komponenter i moderne fotonik og optoelektronik, takket være deres evne til at give højt selektiv refleksion af specifikke bølgelængder gennem periodiske dielektriske eller halvlederlagstrukturer. Deres unikke optiske egenskaber har muliggørede en bred vifte af anvendelser på tværs af forskellige domæner.

En af de mest fremtrædende anvendelser af DBR’er er i vertikale hulrumsoverflade-emitterende lasere (VCSEL’er). I disse enheder fungerer DBR’er som højt reflekterende spejle, der danner laserkaviteten, hvilket muliggør effektiv lysudsendelse vinkelret på waferoverfladen. Den præcise kontrol over reflektivitet og stopbåndsbredde, som DBR’er giver, er afgørende for at opnå lave tærskelstrømme og høj udgangseffekt i VCSEL’er, der er vidt brugt i datakommunikation, sensorer og 3D-billedbehandling. Organisationer som III-Vs Review og Optica (tidligere OSA) har dokumenteret den centrale rolle, som DBR’er spiller i fremskridt inden for VCSEL-teknologi.

DBR’er er også integrale for designet af højtydende fotodetektorer og lysdioder (LED’er). I fotodetektorer kan DBR’er bruges til at forbedre kvanteeffektiviteten ved at reflektere uabsorberede fotoner tilbage til det aktive område og dermed øge sandsynligheden for fotonabsorption. I LED’er anvendes DBR’er til at forbedre lysudtrækningsydelsen ved at reflektere internt genererede fotoner mod enhedens overflade. Denne tilgang er særlig vigtig i micro-LED’er og andre avancerede displayteknologier, som fremhævet af forskning fra IEEE og SPIE, to førende faglige samfund inden for elektronik og fotonik.

Et andet vigtigt anvendelsesområde er i optiske filtre og bølgelængde-selektive enheder. DBR’er bruges til at konstruere snævbånds- og bredbåndsfiltre, som er essentielle i bølgelængdedivisionsmultiplexingssystemer (WDM) til fiberoptisk kommunikation. Deres evne til at give skarp spektral selektivitet og lav indsætnings tab gør dem ideelle til multiplexing og demultiplexing af optiske signaler. Derudover anvendes DBR’er i fremstillingen af resonanshulrumsforstærkede fotoniske enheder, såsom modulatorer og sensorer, hvor præcis kontrol over resonansbetingelserne er nødvendig.

Udover telekommunikation og belysning anvendes DBR’er i stigende grad i nye felter som kvantefotonik og integrerede fotoniske kredsløb. Deres kompatibilitet med halvlederfremstillingsprocesser muliggør monolitisk integration med andre optoelektroniske komponenter, hvilket baner vejen for kompakte, højt ydende fotoniske systemer. Som forskning og udvikling fortsætter, sikrer alsidigheden og effektiviteten af DBR’er, at de fortsat vil spille en vigtig rolle i udviklingen af fotonik og optoelektronik.

DBR’er i halvlederlasere og LED’er

Distribuerede Bragg-reflektorer (DBR’er) er kritiske komponenter i design og drift af halvlederlasere og lysdioder (LED’er). En DBR består af flere skiftende lag af materialer med forskellige brydningsindekser, der typisk fremstilles ved hjælp af epitaxiale væksteteknikker som molekylær stråleepitaksi (MBE) eller metal-organisk kemisk dampaflejring (MOCVD). Tykkelsen af hvert lag er præcist kontrolleret, normalt til en fjerdedel af den målte bølgelængde, hvilket resulterer i konstruktiv interferens for specifikke bølgelængder og dermed høj reflektivitet ved disse bølgelængder.

I halvlederlasere, såsom vertikale hulrumsoverflade-emitterende lasere (VCSEL’er) og kant-emitterende lasere, fungerer DBR’er som meget effektive spejle, der definerer det optiske hulrum. Den høje reflektivitet, som DBR’er giver (ofte over 99%), er essentiel for at opnå den nødvendige optiske feedback for lasereffektionen, især i VCSEL’er, hvor både top- og bundspejle typisk er DBR’er. Brug af DBR’er muliggør lave tærskelstrømme, høj udgangseffekt og bølgelængde-selektivitet, hvilket er afgørende for applikationer inden for optisk kommunikation, sensorer og datacentre. For eksempel i GaAs-baserede VCSEL’er anvendes skiftende lag af AlAs og GaAs ofte til at danne DBR-strukturen, hvilket udnytter den betydelige forskel i brydningsindeks mellem disse materialer for at maksimere reflektiviteten med et håndterbart antal lagpar.

I LED’er anvendes DBR’er til at forbedre lysudtrækningsydelsen. Ved at reflektere fotoner, der ellers ville gå tabt til substratabsorption eller undslippe ved ikke-optimale vinkler, øger DBR’er den andel af det genererede lys, der forlader enheden i den ønskede retning. Dette er særlig vigtigt i højlys-LED’er og i enheder, hvor rettet udsendelse er nødvendig, såsom i displaybelysning eller bilbelysning. Integration af DBR’er i LED’er kan også muliggøre realiseringen af resonanshulrums-LED’er (RCLED’er), som udviser forbedret spektral renhed og retningsbestemthed sammenlignet med konventionelle LED’er.

Designet og fremstillingen af DBR’er kræver omhyggelig overvejelse af materialekompatibilitet, termiske ekspansionskoefficienter og grænsefladekvalitet for at sikre enhedens pålidelighed og ydeevne. Førende forskningsinstitutioner og halvlederproducenter, såsom imec og OSRAM, har bidraget betydeligt til udviklingen og optimeringen af DBR-strukturer til både lasere og LED’er. Disse organisationer fokuserer på at fremme epitaxial vækstteknikker, udforske nye materialsystemer og forbedre integrationen af DBR’er med andre fotoniske komponenter for at imødekomme de udviklende krav i optoelektroniske applikationer.

Præstationsmålinger: Reflektivitet, båndbredde og stabilitet

Distribuerede Bragg-reflektorer (DBR’er) er kritiske optiske komponenter, der anvendes bredt i lasere, fotoniske enheder og telekommunikation på grund af deres evne til at reflektere specifikke bølgelængder med høj effektivitet. Ydeevnen af en DBR karakteriseres primært ved tre nøglemålinger: reflektivitet, båndbredde og stabilitet.

Reflektivitet er den mest grundlæggende ydeevneparameter for en DBR. Den kvantificerer den andel af det indkommende lys, der reflekteres af strukturen ved en målbølgelængde. Høj reflektivitet, ofte over 99%, opnås ved at stable skiftende lag af materialer med kontrasterende brydningsindekser, hver med en optisk tykkelse på en fjerdedel af designbølgelængden. Antallet af lagpar og forskellen i brydningsindeks påvirker direkte den maksimalt opnåelige reflektivitet. For eksempel er DBR’er integrale for driften af vertikale hulrumsoverflade-emitterende lasere (VCSEL’er), hvor højt reflektive spejle er essentielle for effektiv lasereffekt. Organisationer som OSRAM og Coherent er fremtrædende i udviklingen og fremstillingen af DBR-baserede enheder, der udnytter avancerede materialedeponeringsmetoder til at optimere reflektiviteten.

Båndbredde refererer til det spektrale område, hvor DBR’en opretholder høj reflektivitet. Båndbredden bestemmes af forskellen i brydningsindeks mellem de skiftende lag og antallet af lagpar. En højere indeksforskydning og flere par resulterer i et bredere stopbånd, hvilket gør det muligt for DBR’en at reflektere et bredere spektrum af bølgelængder. Denne egenskab er afgørende i applikationer som bølgelængde-selektive filtre og tunbare lasere, hvor præcis kontrol over det reflekterede spektrum er nødvendig. Forskning institutioner og brancheledere, herunder National Institute of Standards and Technology (NIST), har bidraget til forståelsen og målingen af DBR-båndbredde, for at sikre pålidelig ydeevne i krævende fotoniske systemer.

Stabilitet omfatter både den fysiske og optiske robusthed af DBR’en over tid og under varierende miljøforhold. Stabiliteten påvirkes af faktorer som termisk ekspansion, materialet diffusion og mekanisk stress. Høj-kvalitets fremstillingsprocesser, såsom molekylær stråleepitaksi (MBE) og metal-organisk kemisk dampaflejring (MOCVD), anvendes for at sikre langtidsholdbar stabilitet af DBR’er, især i høj-effekt eller temperaturfølsomme applikationer. Optica (tidligere Optical Society of America) giver standarder og retningslinjer for karakterisering og testning af DBR-stabilitet, hvilket understøtter udviklingen af pålidelige fotoniske enheder.

Afslutningsvis defineres ydeevnen af distribuerede Bragg-reflektorer af deres reflektivitet, båndbredde og stabilitet, som hver især er kritiske for deres integration i avancerede optiske og fotoniske systemer. Løbende fremskridt inden for materialeforskning og fremstillingsteknikker fortsætter med at forbedre disse mål, hvilket muliggør nye applikationer og forbedret enhedsydelse.

Fremvoksende tendenser: DBR’er i kvante- og integreret fotonik

Distribuerede Bragg-reflektorer (DBR’er) er multilagsstrukturer bestående af skiftende materialer med forskellige brydningsindekser, der er konstrueret til at reflektere specifikke lysbølgelængder gennem konstruktiv interferens. I de seneste år er DBR’er blevet centrale i udviklingen af kvante- og integreret fotonik, områder der hurtigt udvikler sig som fundamentale teknologier for kvantecomputing, sikre kommunikation og næste generations optiske kredsløb.

En nøglefremvoksende tendens er integrationen af DBR’er i kvantefotoniske enheder, hvor de fungerer som højt reflektive spejle i mikrokaviteter og resonatorer. Disse strukturer er essentielle for at forbedre lys-materie interaktioner, et kritisk krav for effektive enkelt-foton kilder og kvante-emittere. For eksempel anvendes DBR’er i vertikale hulrumsoverflade-emitterende lasere (VCSEL’er) og kvanteprikmikrokaviteter, hvilket muliggør præcis kontrol over fotonudsendelse og -indsamling. Denne evne er vigtig for skalerbar kvanteinformationsbehandling og kvante-nøgle distributionssystemer, som demonstreret i forskningssamarbejder, der involverer førende institutioner som National Institute of Standards and Technology og Massachusetts Institute of Technology.

I integreret fotonik fremstilles DBR’er i stigende grad ved hjælp af avancerede materialer som silicium, III-V halvledere og endda to-dimensionale materialer. Deres kompatibilitet med etablerede halvlederfremstillingsprocesser muliggør monolitisk integration med andre fotoniske komponenter som bølgeleder, modulatorer og detektorer. Denne integration er afgørende for udviklingen af kompakte, lavt tabs og energieffektive fotoniske kredsløb, som er centrale i køreplanen for organisationer som EUROPRACTICE og imec, som begge støtter forskning og prototyping inden for fotoniske integrerede kredsløb.

En anden bemærkelsesværdig tendens er brugen af DBR’er i hybride kvantesystemer, hvor de letter stærk kobling mellem fotoner og faststof qubits, såsom farvesteder i diamanter eller defekter i siliciumkarbid. Denne stærke kobling er væsentlig for realiseringen af kvantenetværk og distribuerede kvantecomputing-arkitekturer. Desuden muliggør udviklingen af tunable og omkonfigurerbare DBR’er—ved hjælp af materialer med elektro-optiske eller termo-optiske egenskaber—dynamisk kontrol over fotoniske enheder, en funktion, der i stigende grad søges i programmerbare kvantefotoniske processorer.

Efterhånden som kvante- og integreret fotonik fortsætter med at konvergere, forventes rollen for DBR’er at udvide sig, drevet af løbende forskning på store laboratorier og det voksende økosystem af fotoniske foundries. Den fortsatte forfining af DBR-fremstillings- og integrationsmetoder vil være afgørende for at møde de strenge præstationskrav i fremtidige kvante teknologier.

Markedsvækst og offentlig interesse: 2024–2030 prognose

Markedet for distribuerede Bragg-reflektorer (DBR’er) er klar til betydelig vækst mellem 2024 og 2030, drevet af udvidede anvendelser inden for optoelektronik, telekommunikation og fotonik. DBR’er, som er periodiske strukturer bestående af skiftende lag af materialer med forskellige brydningsindekser, er essentielle komponenter i enheder som vertikale hulrumsoverflade-emitterende lasere (VCSEL’er), lysdioder (LED’er) og optiske filtre. Deres evne til at reflektere specifikke bølgelængder med høj effektivitet gør dem uundgåelige i både kommercielle og forskningsindstillinger.

I 2025 forventes efterspørgslen efter DBR’er at accelerere, især på grund af udbredelsen af højhastighed optiske kommunikationsnetværk og den igangværende overgang til 5G og derudover. Telekommunikationssektoren er stærkt afhængig af DBR’er til bølgelængde-selektive spejle og filtre, som er kritiske for tætte bølgelængdedivisionsmultiplexing (DWDM) systemer. Organisationer som International Telecommunication Union (ITU), der sætter globale standarder for information og kommunikationsteknologier, har fremhævet vigtigheden af avancerede fotoniske komponenter i at støtte næste generations netværksinfrastruktur.

Optoelektronikindustrien er en anden vigtig drivkraft, hvor DBR’er spiller en central rolle i ydeevnen af VCSEL’er, der bruges i datacentre, ansigtsgenkendelse og bilens LiDAR-systemer. Optica (tidligere OSA), et førende videnskabeligt selskab inden for optik og fotonik, publicerer regelmæssigt forskning, der understreger fremskridtene og den stigende adoption af DBR-baserede enheder inden for disse felter. Desuden fremmer presset for mere energieffektive og miniaturiserede fotoniske enheder i forbrugerelektronik innovation inden for DBR-design og -fremstilling.

Den offentlige interesse i DBR’er stiger også, da disse strukturer i stigende grad fremhæves i nye teknologier som kvantecomputing, biosensing og avanceret medicinsk billeddannelse. Forskning institutioner og industriførende investerer i udviklingen af nye DBR-materialer, herunder halvleder- og dielektriske kombinationer, for at forbedre reflektivitet, båndbredde og termisk stabilitet. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), en global autoritet inden for elektronik og ingeniørarbejde, har dokumenteret den udvidende rolle for DBR’er i at muliggøre gennembrud på tværs af flere videnskabelige domæner.

Samlet set forventes perioden fra 2024 til 2030 at vidne om kraftig markedsvækst for distribuerede Bragg-reflektorer, understøttet af teknologiske fremskridt, øget investering og udvidede anvendelsesområder. Efterhånden som industrier fortsætter med at prioritere højtydende optiske komponenter, er DBR’er sat til at forblive i fremfronten af innovation inden for fotonik og optoelektronik.

Førende aktører i industrien og forskningsinstitutioner

Distribuerede Bragg-reflektorer (DBR’er) er kritiske komponenter i moderne fotonik, optoelektronik og halvleder-enheder, der fungerer som højt effektive spejle for specifikke bølgelængdeområder. Udviklingen og kommercialiseringen af DBR’er involverer en kombination af avanceret materialeforskning, præcisionsfremstilling og innovativt design, med lederskab fra både industri og forskningsinstitutioner verden over.

Blandt de førende aktører i industrien skiller OSRAM sig ud som en global leder inden for optoelektroniske komponenter, herunder DBR’er til højtydende LED’er og laserdiodes. OSRAM’s ekspertise inden for epitaksial vækst og tyndfilm-aflejring muliggør produktionen af DBR’er med præcis reflektivitet og spektrale egenskaber, der er essentielle for anvendelser inden for belysning, bilteknologi og sensor teknologier. En anden stor aktør, Coherent, er anerkendt for sine avancerede fotoniske løsninger, herunder DBR-baserede lasersystemer, der anvendes i telekommunikation, medicinske enheder og industrielle anvendelser. Coherents vertikalt integrerede fremstilling tillader tæt kontrol over DBR-lagtykkelse og ensartethed, hvilket sikrer høj pålidelighed af enheder.

I halvledersektoren udnytter Infineon Technologies DBR-strukturer i sine optoelektroniske og strøm-enheder, især til høj-effekt vertikale hulrumsoverflade-emitterende lasere (VCSEL’er). Infineons forskning og udvikling fokuserer på at integrere DBR’er med andre halvlederteknologier for at forbedre enhedsydelse og energieffektivitet. Tilsvarende udnytter Nichia Corporation, en pioner inden for LED-teknologi, DBR’er for at optimere lysudtrækning og farvereneshed i sine avancerede LED-produkter.

På forskningsområdet er flere institutioner i spidsen for innovationen inden for DBR’er. Massachusetts Institute of Technology (MIT) udfører banebrydende forskning i nye DBR-materialer, såsom fotoniske krystaller og hybride organiske-inorganiske strukturer, der sigter mod at udvide den operationelle båndbredde og tunbarhed af DBR’er. I Europa samarbejder French National Centre for Scientific Research (CNRS) med universiteter og industri for at udvikle DBR’er til næste generations lasere og kvantefotonik. RIKEN instituttet i Japan er også bemærkelsesværdigt for sit arbejde med nanostrukturerede DBR’er, der fokuserer på anvendelser inden for kvanteinformation og integrerede fotoniske kredsløb.

Disse organisationer, gennem vedholdende investering i forskning, udvikling og fremstilling, fortsætter med at drive fremskridt inden for DBR-teknologi, hvilket muliggør nye anvendelser i kommunikation, sensing og kvante teknologier. Deres samarbejdende bestræbelser med akademiske og industrielle partnere sikrer, at DBR’er forbliver i centrum af fotonisk innovation i 2025 og videre.

Fremtidige udsigter: Innovationer og udvidende anvendelser

Ser vi frem mod 2025, er fremtiden for distribuerede Bragg-reflektorer (DBR’er) præget af hurtig innovation og udvidende anvendelser inden for fotonik, optoelektronik og kvante teknologier. DBR’er, som er periodiske strukturer bestående af skiftende lag med forskellige brydningsindekser, har længe været essentielle for deres høje reflektivitet og bølgelængde-selektive egenskaber. Efterhånden som fremstillingsteknikkerne forbedres, bliver præcisionen og skalerbarheden af DBR-produktion bedre, hvilket muliggør nye enhedsarkitekturer og ydeevneforbedringer.

Et af de mest lovende innovationsområder er integrationen af DBR’er med nye halvledermaterialer såsom gallium-nitrit (GaN) og siliciumkarbid (SiC). Disse materialer er afgørende for høj-effekt og højfrekvente optoelektroniske enheder, herunder næste generations vertikale hulrumsoverflade-emitterende lasere (VCSEL’er) og micro-LED’er. Forbedrede DBR-designs muliggør mere effektiv lysudtrækning og termisk styring, hvilket er afgørende for miniaturisering og pålidelighed af disse enheder. Organisationer som OSRAM og Cree, Inc. udvikler aktivt DBR-baserede løsninger til avancerede belysnings- og displayteknologier.

I kvantefotonik bliver DBR’er konstrueret på nanoskal for at skabe høj kvalitet optiske hulrum og spejle til enkelt-foton kilder og kvantepriklasere. Disse komponenter er fundamentale for kvantekommunikation og computing systemer, hvor præcis kontrol over fotonudsendelse og -propagation er nødvendig. Forskning institutioner og industri ledere, herunder IBM og National Institute of Standards and Technology (NIST), udforsker nye DBR-konfigurationer for at forbedre ydeevnen af kvanteenheder.

Et andet udvidende anvendelsesområde er inden for biosensing og medicinsk diagnostik. DBR’er bliver inkorporeret i laboratorium-på-chip platforme og optiske sensorer for at opnå høj følsomhed og specificitet i at detektere biomolekyler. Deres evne til at give snævbåndsrefleksion og tunbare optiske egenskaber gør dem ideelle til multiplexede assays og realtidsovervågning. National Institutes of Health (NIH) og førende universiteter støtter forskning i DBR-baserede biosensorer til tidlig sygdomsdetektion og personlig medicin.

Ser vi fremad, forventes konvergensen af avancerede materialer, nanofremstilling og integreret fotonik at drive yderligere gennembrud i DBR-teknologi. Efterhånden som efterspørgslen efter højtydende optiske komponenter vokser inden for telekommunikation, kvanteinformation og sundhedspleje, vil DBR’er fortsat spille en afgørende rolle i at muliggøre næste generations enheder og systemer.

Kilder & Referencer

• Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)
• SPIE
• imec
• OSRAM
• Coherent
• National Institute of Standards and Technology (NIST)
• Massachusetts Institute of Technology
• EUROPRACTICE
• International Telecommunication Union
• Infineon Technologies
• Nichia Corporation
• French National Centre for Scientific Research (CNRS)
• RIKEN
• Cree, Inc.
• IBM
• National Institutes of Health (NIH)