Kaip paskirstyti Bragg reflektoriai revoliucionuoja šviesos valdymą: Mokslo, technologijos ir ateities poveikis suprojektuotoms atspindinčioms struktūroms (2025)

• Įvadas į paskirstytus Bragg reflektorius (DBR)
• Pagrindinė fizika: Kaip DBR manipuliuoja šviesa
• Medžiagos ir gamybos technikos DBR
• Pagrindinės taikymo sritys fotonikoje ir optoelektronikoje
• DBR puslaidininkiniuose lazeriuose ir LED
• Veiklos metrikos: Atspindėjimas, pralaidumas ir stabilumas
• Besiformuojantys tendencijos: DBR kvantinėje ir integruotoje fotonikoje
• Rinkos augimas ir visuomenės susidomėjimas: 2024–2030 prognozė
• Pirmaujantys pramoniniai dalyviai ir tyrimų institucijos
• Ateities perspektyvos: Inovacijos ir plečiančios taikymo sferos
• Šaltiniai ir nuorodos

Įvadas į paskirstytus Bragg reflektorius (DBR)

Paskirstytas Bragg reflektorius (DBR) yra itin sukonstruota optinė struktūra, sudaryta iš pakaitinių sluoksnių, turinčių skirtingus lūžio rodiklius. Šie sluoksniai paprastai išdėstyti periodiškai, kiekvieno sluoksnio storis tiksliai kontroliuojamas, kad būtų ketvirtis tikslinės šviesos bangos ilgio. Ši konfigūracija leidžia konstruktyviai interferuoti atspindėtai šviesai tam tikrais bangos ilgiais, rezultatuodama dideliu atspindėjimu siaurame spektro diapazone. DBR yra pagrindiniai komponentai įvairiose fotonikos ir optoelektronikos prietaisuose, įskaitant vertikalių ertmių šviesą skleidžiančius lazerius (VCSEL), rezonantines ertmes šviesą skleidžiančius diodus (RCLED) ir optinius filtrus.

DBR principas grindžiamas Bragg‘o dėsniu, kuris aprašo sąlygas konstruktyviai interferuoti šviesai, atspindėtai iš periodinių struktūrų. Kai šviesa susiduria su dviejų medžiagų sąsaja, turinčių skirtingus lūžio rodiklius, dalis šviesos yra atspindima. Sukraunant dvi ar daugiau tokių sąsajų, atspindėtos bangos iš kiekvienos sąsajos gali konstruktyviai susijungti tam tikrais bangos ilgiais, žymiai padidindamos bendrą atspindėjimą. Sluoksnių porų skaičius ir lūžio rodiklių kontrastas tarp medžiagų lemia DBR atspindėjimą ir pralaidumą.

DBR gaminami naudojant pažangias plonasluoksnių depozicijos technikas, tokias kaip molekulinė pluošto epitaksija (MBE) ir metalorganiška chemine garų depozicija (MOCVD), leidžiančias atominiu mastu kontroliuoti sluoksnio storį ir sudėtį. Šios metodikos plačiai naudojamos puslaidininkių pramonėje, kad būtų pagaminti aukštos kokybės DBR, skirti integruoti į prietaisus, veikiančius matomoje, infraraudonojoje ir net ultravioletinėje spektro srityse. Medžiagų pasirinkimas DBR priklauso nuo taikymo ir pageidaujamo veikimo bangos ilgio; įprastos medžiagų sistemos apima GaAs/AlAs artimojo infraraudonojoje taikymo srityje ir SiO₂/TiO₂ matomai šviesai.

DBR atlieka svarbų vaidmenį modernioje fotonikoje, leidžiant efektyvų šviesos šalinimą, bangos ilgio atranką ir mažai nuostolingo atspindėjimo. Jų tikslūs optiniai atributai daro juos neatsiejama telekomunikacijų, lazerių technologijų ir jutiklių taikymo srityse. Tokios organizacijos kaip Optica (anksčiau OSA) ir Elektros ir elektronikos inžinierių institutas (IEEE) reguliariai skelbia tyrimų ir standartus, susijusius su DBR projektavimu, gamyba ir taikymu, atspindinčiomis jų nuolatinę svarbą tobulinant optinę mokslą ir technologijas.

Pagrindinė fizika: Kaip DBR manipuliuoja šviesa

Paskirstytas Bragg reflektorius (DBR) yra periodinė struktūra, sudaryta iš pakaitinių sluoksnių, turinčių skirtingus lūžio rodiklius. Pagrindinė fizika, kurią grindžia DBR, remiasi konstruktyvios ir destruktyvios šviesos bangų interferencijos principu šių sluoksnių sąsajose. Kai šviesa susiduria su DBR, kiekviena sąsaja dalinai atspindi ir perduoda incidentinę bangą. Jei kiekvieno sluoksnio optinis tinginys tiksliai lygus ketvirtadiam bangos ilgiui (λ/4), tai atspindėtos bangos iš nuoseklių sąsajų susijungia konstruktyviai tam tikram bangos ilgiui, rezultatuodama dideliu atspindėjimu tam tikrame spektro diapazone, vadinamame sustabdymo juosta arba fotonine bangos juosta.

Didelis DBR atspindėjimas kyla iš koherentinio atspindėtų bangų supratimo. DBR, suprojektuota centrinio bangos ilgio λ₀, kiekvieno sluoksnio optinis storis (n·d) nustatomas λ₀/4, kur n yra lūžio rodiklis, o d – fizinis storis. Ši konfigūracija užtikrina, kad fazės skirtumas tarp atspindžių iš gretimų sąsajų būtų 180 laipsnių, dėl ko atspindėtos bangos sustiprina viena kitą. Priešingai, bangos ilgiai už sustabdymo juostos patiria destruktyvią interferenciją, leidžiančią jiems pereiti per struktūrą su minimaliais atspindėjimais.

Sustabdymo juostos plotis ir pozicija priklauso nuo lūžio rodiklių kontrasto tarp pakaitinių sluoksnių ir sluoksnių porų skaičiaus. Didesnis lūžio rodiklių kontrastas ir didesnis periodų skaičius abu didina atspindėjimą ir plečia sustabdymo juostą. Tai daro DBR itin reguliuojamus specifinėms optinėms taikymo sritims, pavyzdžiui, veidrodžiams vertikaliuose ertmėse šviesą skleidžiančiuose lazeriuose (VCSEL), bangos ilgio filtrams ir optinėms ertmėms.

DBR yra pagrindinė sudedamoji dalis modernioje fotonikoje ir optoelektronikoje. Jų gebėjimas manipuliuoti šviesa dideliu tikslumu yra išnaudojamas įvairiuose prietaisuose, pradedant puslaidininkinių lazerių, baigiant saulės elementais ir kvantiniais šulinių struktūromis. Pagrindinė fizika glaudžiai siejama su fotoninių kristalų koncepcija, kur periodinė lūžio rodiklio moduliacija sukuria leistinas ir draudžiamas energijos juostas fotonams, analogiškai elektronų juostos struktūroms puslaidininkiuose. Šis fotoninis bangos juostos poveikis yra centrinis DBR veikimui, leidžiantis jiems valdyti šviesos propagavimo procesą nanoskalėje.

DBR tyrimai ir plėtra vykdomi pirmaujančių mokslinių organizacijų ir pramonės dalyvių, įskaitant Optica (anksčiau OSA) ir Amerikos fizikos draugiją, kurios teikia pagrindinius tyrimus ir standartus optikoje ir fotonikoje. Šios organizacijos prisideda prie DBR technologijos tobulinimo per konferencijas, publikacijas ir bendradarbiavimo tyrimų iniciatyvas.

Medžiagos ir gamybos technikos DBR

Paskirstyti Bragg reflektoriai (DBR) yra periodinės daugiamečių struktūros, sudarytos iš pakaitinių medžiagų su kontrastingais lūžio rodikliais. DBR našumas – jų atspindėjimas, pralaidumas ir veikimo bangos ilgio diapazonas – kritikškai priklauso nuo medžiagų pasirinkimo ir gamybos technikų tikslumo. Įprastos medžiagos DBR yra dielektriniai arba puslaidininkiai junginiai, pasirinkti dėl savo optinio skaidrumo, lūžio rodiklio kontrasto ir suderinamumo su prietaiso integracija.

Matomojoje ir artimojo infraraudonojoje spektro srityse dielektriniai DBR dažnai naudoja poras, tokias kaip silicio dioksidas (SiO₂, žemas rodiklis) ir titano dioksidas (TiO₂, didelis rodiklis) arba silicio nitridas (Si₃N₄) kaip didelio lūžio rodiklio sluoksnį. Šios medžiagos yra mėgstamos dėl savo mažo optinio sugerties ir didelių pažeidžiamumo slenksčių. Puslaidininkinių DBR, ypač optoelektroninėse prietaisuose, pavyzdžiui, vertikaliuose šviesą skleidžiančiuose lazeriuose (VCSEL), įprastinės medžiagų sistemos apima pakaitinius sluoksnius iš galio arsenido (GaAs) ir aliuminio arsenido (AlAs) arba indžio fosfido (InP) ir indžio galio arsenido fosfido (InGaAsP). Šie deriniai yra latakos suderinti, kad sumažintų defektus ir būtų suderinami su epitaksiniu augimu standartiniuose substratuose, kas yra būtina aukšto našumo fotoniniams prietaisams (Optica).

DBR gamyba reikalauja tiksliai kontroliuoti sluoksnių storį ir sąsajos kokybę, nes nukrypimai gali reikšmingai pabloginti atspindėjimą. Kelios deponeavimo technikos yra taikomos, kiekviena su savomis privalumais. Fizinis garų deponeavimas (PVD) metodai, tokie kaip elektronų spindulių garinimas ir sputtering, plačiai naudojami dielektriniams DBR dėl jų sugebėjimo deposituoti vienodus, aukšto grynumo plėvele. Cheminis garų deponeavimas (CVD) ir plazmos sustiprintas CVD (PECVD) taip pat įprasti, ypač silicio pagrindu pagamintoms medžiagoms, suteikiantys puikų žingsnių padengimą ir atitiktį.

Puslaidininkiniuose DBR molekulinė pluošto epitaksija (MBE) ir metalorganiška chemine garų depozicija (MOCVD) yra dominuojančios technikos. MBE suteikia atomų sluoksnio tikslumą ir yra ideali tyrimams bei aukštos kokybės prietaisams, o MOCVD yra pageidautinas dideliam gamybos mastui dėl didesnio pralaidumo. Abu metodai leidžia auginti stačius, defektų neturinčius sąsajas, kurios yra būtinos siekiant pasiekti aukštą atspindėjimą ir mažus optinius nuostolius, reikalingus pažangioms fotoninėms taikymo sritims (Amerikos fizikos draugija).

Naujausi pažangų medžiagų moksle pristatė naujas medžiagas, tokias kaip plataus juostos oksidai ir dvisluoksnės medžiagos specializuotoms DBR taikymo sritims, įskaitant ultravioletinius ir vidurio infraraudonųjų atspindžių. Be to, integracija su silicio fotonikos platformomis skatina CMOS suderinamų DBR gamybos procesų plėtrą, plečiant taikymo sritis telekomunikacijose ir kvantinėse technologijose (IEEE).

Pagrindinės taikymo sritys fotonikoje ir optoelektronikoje

Paskirstyti Bragg reflektoriai (DBR) yra pagrindiniai komponentai modernioje fotonikoje ir optoelektronikoje, dėl jų galimybės teikti itin selektyvų atspindėjimą tam tikroms bangoms per periodines dielektrines arba puslaidininkines sluoksnių struktūras. Jų unikalūs optiniai atributai leido platų taikomųjų programų spektrą įvairiose srityse.

Viena iš ryškiausių DBR naudojimo sričių yra vertikalių ertmių šviesą skleidžiantys lazeriai (VCSEL). Šiuose prietaisuose DBR tarnauja kaip itin atspindintys veidrodžiai, formuojantys lazerio ertmę, leidžiančią efektyviai išleisti šviesą statmenai prie plokštelės paviršiaus. Tikslus atspindėjimo ir sustabdymo juostos ploto valdymas, kurį teikia DBR, yra būtinas siekiant pasiekti mažai slenkamą srovę ir didelį išėjimo galingumą VCSEL, kurie plačiai naudojami duomenų komunikacijose, jutikliuose ir 3D vaizdavime. Tokios organizacijos kaip III-Vs Review ir Optica (anksčiau OSA) dokumentuoja DBR centrą vaidmenį plėtojant VCSEL technologiją.

DBR taip pat yra būtini projektuojant aukštos kokybės fotodetektorius ir šviesos diodus (LED). Fotodetektoriuose DBR gali būti naudojami didinti kvantinę efektyvumą, atspindint nesugertus fotonus atgal į aktyvųjį regioną, taip didinant fotonų absorbcijos tikimybę. LED atveju DBR naudojami šviesos ištraukimo efektyvumui didinti, atspindint viduje generuojamus fotonus į prietaiso paviršių. Šis metodas ypač svarbus mikro-LED ir kitose pažangiose vaizdavimo technologijose, kaip nurodo tyrimai iš IEEE ir SPIE, dviejų pirmaujančių profesionalių asociacijų elektronikos ir fotonikos srityse.

Kita svarbi taikymo sritis yra optiniai filtrai ir bangos ilgio selektyvūs prietaisai. DBR naudojami gaminant siaurai ir plačiai pralaidžius filtrus, kurie yra būtini bangos ilgių dalijimosi (WDM) sistemoms skaiduliniuose optiniuose ryšiuose. Jų gebėjimas teikti aštrų spektro selektyvumą ir mažus įdėjimo nuostolius daro jas itin tinkančiomis optinių signalų multiplexavimui ir demultiplexavimui. Be to, DBR naudojami gaminant rezonansines ertmes, patobulintas fotonines prietaisus, tokius kaip moduliatoriai ir jutikliai, kur yra būtinas tikslus rezonanso sąlygų valdymas.

Be telekomunikacijų ir apšvietimo, DBR vis dažniau naudojami naujose srityse, tokiuose kaip kvantinė fotonika ir integruotos fotonikos grandinės. Jų suderinamumas su puslaidininkinių gamybos procesais leidžia monolitinę integraciją su kitais optoelektroniniais komponentais, atveriant kelią kompaktiškoms, aukštos kokybės fotoninėms sistemoms. Kadangi tyrimai ir plėtra tęsiasi, DBR universalumas ir efektyvumas užtikrina jų nuolatinį svarbumą fotonikos ir optoelektronikos evoliucijoje.

DBR puslaidininkiniuose lazeriuose ir LED

Paskirstyti Bragg reflektoriai (DBR) yra kritiniai komponentai puslaidininkinių lazerių ir šviesą skleidžiančių diodų (LED) dizainui ir veikimui. DBR susideda iš daugybės pakaitinių sluoksnių, pagamintų iš skirtingus lūžio rodiklius turinčių medžiagų, dažniausiai pagamintų naudojant epitaksines augimo technikas, tokias kaip molekulinė pluošto epitaksija (MBE) arba metalorganiška chemine garų depozicija (MOCVD). Kiekvieno sluoksnio storis tiksliai kontroliuojamas, paprastai iki ketvirtadalio tikslinės bangos ilgio, rezultatuodamas konstruktyvioje interferencijoje tam tikrų bangos ilgių ir taip dideliu atspindėjimu tais bangos ilgiais.

Puslaidininkiniuose lazeriuose, tokiuose kaip vertikalūs šviesą skleidžiantys lazeriai (VCSEL) ir kraštiniai lazeriai, DBR tarnauja kaip itin efektyvūs veidrodžiai, apibrėžiantys optinę ertmę. Didelis atspindėjimas, kurį suteikia DBR (dažnai viršijantis 99%), yra būtinas siekiant pasiekti reikiamą optinį grįžtamąjį ryšį lazerinei veiklai, ypač VCSEL, kur abu viršutiniai ir apatiniai veidrodžiai paprastai yra DBR. DBR naudojimas leidžia pasiekti mažai slenkamą srovę, didelį išėjimo galingumą ir bangos ilgio selectivity, kurie yra esminiai optinių komunikacijų, jutiklių ir duomenų centrų taikymo srityse. Pavyzdžiui, GaAs pagrindu veikiančiuose VCSEL, pakaitiniai AlAs ir GaAs sluoksniai paprastai naudojami formuojant DBR struktūrą, išnaudojant reikšmingą lūžio rodiklio kontrasto tarp šių medžiagų, kad būtų maksimaliai didinamas atspindėjimas su valdomu sluoksnių porų skaičiumi.

LED atveju DBR naudojami šviesos ištraukimo efektyvumui didinti. Atspindint fotonus, kurie kitaip būtų prarasti dėl substrato absorbcijos arba pabėgimo į nenormalius kampus, DBR padidina generuojamos šviesos dalį, kuri išeina iš prietaiso norimu kampu. Šis aspektas ypač svarbus didelio ryškumo LED ir prietaisuose, kuriuose reikalaujama kryptingo spinduliavimo, pavyzdžiui, apšvietimui ar automobilių apšvietimui. DBR integracija LED taip pat gali leisti įgyvendinant rezonansines ertmes LED (RCLED), kurios pasižymi geresne spektrine grynumu ir krypti, lyginant su tradiciniais LED.

DBR dizainas ir gamyba reikalauja kruopštaus medžiagų suderinamumo, šiluminio išsiplėtimo koeficientų ir sąsajos kokybės svarstymo, siekiant užtikrinti prietaiso patikimumą ir veikimą. Pirmaujančios mokslinių tyrimų institucijos ir puslaidininkių gamintojai, tokie kaip imec ir OSRAM, ženkliai prisidėjo prie DBR struktūrų plėtros ir optimizavimo tiek lazeriuose, tiek LED. Šios organizacijos orientuojasi į epitaksinės augimo technologijų tobulinimą, naujų medžiagų sistemų tyrimą ir DBR integracijos su kitais fotoniniais komponentais gerinimą, siekdamos patenkinti besikeičiančius optoelektronikos taikymo reikalavimus.

Veiklos metrikos: Atspindėjimas, pralaidumas ir stabilumas

Paskirstyti Bragg reflektoriai (DBR) yra kritiniai optiniai komponentai, plačiai naudojami lazeriuose, fotoniniuose prietaisuose ir telekomunikacijose dėl jų gebėjimo atspindėti tam tikrus bangos ilgius su didele efektyvumo. DBR našumas pirmiausia apibūdinamas trimis pagrindiniais metrikais: atspindėjimu, pralaidumu ir stabilumu.

Atspindėjimas yra pats svarbiausias DBR našumo parametras. Jis kiekybiškai įvertina, kokia dalis incidentinės šviesos atspindima struktūros prie tikslinės bangos ilgio. Didelis atspindėjimas, dažnai viršijantis 99%, pasiekiamas kraunant pakaitinius medžiagų sluoksnius su kontrastingais lūžio rodikliais, kurių optinis storis lygus ketvirtadaliui projektuojamo bangos ilgio. Sluoksnių porų skaičius ir lūžio rodiklio kontrastas tiesiogiai veikia maksimaliai pasiekiamą atspindėjimą. Pavyzdžiui, DBR yra esminiai vertikalių ertmių šviesą skleidžiančių lazerių (VCSEL) veikime, kur didelio atspindėjimo veidrodžiai yra būtini efektyviai lazerinei veiklai. Tokios organizacijos kaip OSRAM ir Coherent yra žinomos dėl DBR pagrindu pagamintų prietaisų vystymo ir gamybos, išnaudojančių pažangias medžiagų depozicijos technikas atspindėjimui optimizuoti.

Pralaidumas nurodo spektro diapazoną, kuriame DBR išlaiko aukštą atspindėjimą. Pralaidumas priklauso nuo lūžio rodiklio kontrasto tarp pakaitinių sluoksnių ir sluoksnių porų skaičiaus. Aukštesnis rodiklio kontrastas ir daugiau porų padidina sustabdymo juostą, leidžiančią DBR atspindėti platesnį bangų ilgių spektrą. Ši savybė yra labai svarbi taikymo srityse, pvz., bangos ilgio selektyvūs filtrai ir reguliuojami lazeriai, kur tiksliai reikia valdyti atspindimą spektrą. Tyrimų institucijos ir pramonės lyderiai, įskaitant Nacionalinį standartų ir technologijų institutą (NIST), prisidėjo prie DBR pralaidumo supratimo ir matavimo, užtikrindami patikimą veikimą reikalaujančiuose fotoniniuose sistemose.

Stabilumas apima tiek fizinį, tiek optinį DBR patvarumą laiko atžvilgiu ir skirtingomis aplinkos sąlygomis. Stabilumą veikia tokie veiksniai kaip šiluminis išsiplėtimas, medžiagų sąveika ir mechaninis stresas. Aukštos kokybės gamybos procesai, tokie kaip molekulinė pluošto epitaksija (MBE) ir metalorganiška chemine garų depozicija (MOCVD), naudojami užtikrinant ilgalaikį DBR stabilumą, ypač aukšto galingumo arba šilumos jautriomis taikymo srityse. Optica (anksčiau Amerikos optikos draugija) teikia standartus ir gaires DBR stabilumo charakterizavimui ir testavimui, palaikydama patikimų fotoninių prietaisų plėtrą.

Apibendrinant, Paskirstytų Bragg reflektorių našumą apibrėžia jų atspindėjimas, pralaidumas ir stabilumas, kiekviena iš jų yra kritinė jų integravimui į pažangius optinius ir fotoninius sistemas. Nuolatinės pažangos medžiagų mokslus ir gamybos technikas užtikrina, kad šios metrikos būtų tobulinamos, leidžiančios naujas programų sritis ir geresnį prietaisų veikimą.

Besiformuojantys tendencijos: DBR kvantinėje ir integruotoje fotonikoje

Paskirstyti Bragg reflektoriai (DBR) yra daugiasluoksnės struktūros, sudarytos iš pakaitinių medžiagų, turinčių skirtingus lūžio rodiklius, suprojektuotos atspindėti konkrečius šviesos bangos ilgius per konstruktyvią interferenciją. Pastaraisiais metais DBR tapo itin svarbūs kvantinio ir integruoto fotonikos pažangai, sritims, kurios sparčiai vystosi kaip pagrindinės technologijos kvantiniuose kompiuteriuose, saugiuose ryšiuose ir ateities optiniuose grandinėse.

Vienas iš pagrindinių besiformuojančių tendencijų yra DBR integracija į kvantinės fotonikos prietaisus, kur jie tarnauja kaip didelio atspindėjimo veidrodžiai mikro-ertmėse ir rezonatoriuose. Šios struktūros yra būtinos šviesos-molekulių sąveikoms didinti, kas yra esminis reikalavimas efektyviems vieno fotono šaltiniams ir kvantiniams emisijos prietaisams. Pavyzdžiui, DBR naudojami vertikaliose ertmėse šviesą skleidžiančiuose lazeriuose (VCSEL) ir kvantinės taško mikro-ertmėse, leidžiančios tiksliai kontroliuoti fotonų emisiją ir surinkimą. Ši galimybė yra būtina, siekiant skalės kvantinės informacijos apdorojimo ir kvantinio rakto pasiskirstymo sistemas, kaip parodyta tyrimų bendradarbiavimuose su pirmaujančiomis institucijomis, tokiomis kaip Nacionalinis standartų ir technologijų institutas ir Majamio technologijų institutas.

Integruotoje fotonikoje vis dažniau DBR gaminami naudojant pažangias medžiagas, tokias kaip silicio, III-V puslaidininkiai ir net dvisluoksnės medžiagos. Jų suderinamumas su įprastinėmis puslaidininkinių gamybos procesais leidžia monolitinę integraciją su kitais fotoniniais komponentais, tokiais kaip bangolaidžiai, moduliatoriai ir detektoriai. Ši integracija yra esminė kuriant kompaktiškas, mažai nuostolinėmis ir energiją taupančias fotonines grandines, kurios yra centriniame organizacijų, tokių kaip EUROPRACTICE ir imec, pažangos kelyje, remiančiam fotoninių integruotų grandinių tyrimus ir prototipavimą.

Kita svarbi tendencija yra DBR naudojimas hibridiniuose kvantiniuose sistemuose, kur jie palengvina stiprų ryšį tarp fotonų ir kietosios būsenos kvantų, tokių kaip spalvoti centrai deimante arba defektai silic
ium karbide. Šis stiprus ryšys yra būtinas, siekiant įgyvendinti kvantinius tinklus ir paskirstytas kvantinių kompiuterių architektūras. Be to, tunable ir konfigūruojamų DBR, naudojant medžiagas su elektro-optinėmis arba termo-optinėmis savybėmis, leidžia dinamiškai valdyti fotoninius prietaisus, kas vis dažniau ieškoma programinėse kvantinėje fotoninėje procesoriuose.

Kadangi kvantinė ir integruota fotonika ir toliau susilieja, DBR vaidmuo, tikėtina, plėsis, remiamas nuolat vyksiančių tyrimų didelėse laboratorijose ir augančios fotoninių fabrikų ekosistemos. Tęsiamas DBR gamybos ir integracijos technikų tobulinimas bus esminis, siekiant patenkinti griežtus našumo reikalavimus ateities kvantinėms technologijoms.

Rinkos augimas ir visuomenės susidomėjimas: 2024–2030 prognozė

Paskirstytų Bragg reflektorių (DBR) rinka yra pasirengusi reikšmingam augimui 2024–2030 metais, skatinama plečiamų taikymų optoelektronikoje, telekomunikacijose ir fotonikoje. DBR, kurie yra periodinės struktūros, susidedančios iš pakaitinių sluoksnių su skirtingais lūžio rodikliais, yra būtini prietaisams, tokiems kaip vertikalūs šviesą skleidžiantys lazeriai (VCSEL), šviesą skleidžiančių diodai (LED) ir optiniai filtrai. Jų gebėjimas atspindėti tam tikrus bangos ilgius su dideliu efektyvumu daro juos neatsiejamus tiek komercinėje, tiek tyrimų srityje.

2025 metais DBR paklausos tikimasi didėti, ypač dėl didelio greičio optinių ryšių tinklų plitimo ir nuolatinio perėjimo prie 5G ir vėliau. Telekomunikacijų sektorius itin remiasi DBR bangos ilgio selektyviems veidrodžiams ir filtrams, kurie yra kritiški didelio tankio bangos ilgio dalijimosi (DWDM) sistemoms. Tokios organizacijos kaip Tarptautinė telekomunikacijų sąjunga (ITU), kuri nustato pasaulinius standartus informacijos ir komunikacijos technologijoms, pabrėžė pažangių fotoninių komponentų svarbą, palaikant ateities tinklo infrastruktūrą.

Optoelektronikos pramonė taip pat yra kitas pagrindinis veiksnys, DBR vaidina centralią rolę eksploatuojant VCSEL, naudojamus duomenų centruose, veido atpažinime ir automobilių LiDAR sistemose. Optica (anksčiau OSA), pirmaujanti mokslinė visuomenė optikoje ir fotonikoje, reguliariai skelbia tyrimus, pabrėžiančius pažangą ir vis didesnį DBR pagrindu pagamintų prietaisų priėmimą šiose srityse. Be to, siekis gaminti daugiau energiją taupančių ir miniatiūrizuotų fotoninių prietaisų vartotojų elektronikoje skatina inovacijas DBR projektavime ir gamyboje.

Visuomenės susidomėjimas DBR taip pat kyla, nes šios struktūros vis dažniau yra naujausiose technologijose, tokiose kaip kvantinis kompiuteris, biosensory ir pažangi medicinos vaizdavimas. Tyrimų institucijos ir pramonės lyderiai investuoja į novatoriškų DBR medžiagų, įskaitant puslaidininkines ir dielektines kombinacijas, kūrimą, siekdami padidinti atspindėjimą, pralaidumą ir šilumos stabilumą. Elektros ir elektronikos inžinierių institutas (IEEE), pasaulinis autoritetas elektronikos ir inžinerijos srityje, dokumentavo plečiantį DBR vaidmenį, užtikrinant proveržius keliuose mokslo srityse.

Apskritai, laikotarpis nuo 2024 iki 2030 metų tikimasi, kad pasitiks tvirtą rinkos augimą paskirstytiems Bragg reflektoriams, pagrįstą technologinių pažangų, investicijų didėjimo ir plečiančių taikymo sričių. Kai sektoriai tęs prioritetą aukšto našumo optiniams komponentams, DBR tikrai liks inovacijų priekyje fotonikoje ir optoelektronikoje.

Pirmaujantys pramoniniai dalyviai ir tyrimų institucijos

Paskirstyti Bragg reflektoriai (DBR) yra esminiai komponentai šiuolaikinėje fotonikoje, optoelektronikoje ir puslaidininkiniuose prietaisuose, kurie tarnauja kaip labai efektyvūs veidrodžiai tam tikroms bangų ilgių sritims. DBR plėtra ir komercializacija apima pažangų medžiagų mokslą, tikslumą užtikrinančią gamybą ir novatorišką dizainą, kuriuose dalyvauja tiek pramonė, tiek mokslinių tyrimų institucijos visame pasaulyje.

Tarp pirmaujančių pramonės atstovų OSRAM išsiskiria kaip pasaulinis lyderis optoelektroninėse komponentuose, įskaitant DBR, skirtus aukštos kokybės LED ir lazerinių diodų. OSRAM ekspertizė epitaksinio augimo ir plonasluoksnių depozicijoje leidžia gaminti DBR užtikrinančius tikslią atspindėjimo ir spektro charakteristikas, būtinas apšvietimo, automobilių ir jutiklių technologijoms. Kitas didelis žaidėjas, Coherent, garsėja pažangiomis fotonikos sprendimais, įskaitant DBR pagrindu veikiančias lazerių sistemas, naudojamas telekomunikacijose, medicinos prietaisuose ir pramonėje. Coherent vertikaliai integruota gamyba leidžia tvirtai kontroliuoti DBR sluoksnio storį ir vientisumą, užtikrinant didelį įrenginių patikimumą.

Puslaidininkiuose sektoriuose Infineon Technologies naudoja DBR struktūras savo optoelektroninėse ir energijos prietaisuose, ypač didelio efektyvumo vertikaliuose šviesą skleidžiančiuose lazeriuose (VCSEL). Infineon tyrimų ir plėtros pastangos orientuojasi į DBR integraciją su kitomis puslaidininkinėmis technologijomis, siekiant padidinti prietaisų veikimą ir energijos efektyvumą. Taip pat Nichia Corporation, LED technologijų pionierius, naudoja DBR, siekdama optimizuoti šviesos ištraukimo ir spalvų grynumo savo pažangiuose LED produktuose.

Tyrimų fronte kelios institucijos yra inovacijų DBR priešakyje. Majamio technologijų institutas (MIT) vykdo pažangius tyrimus apie naujas DBR medžiagas, tokias kaip fotoniniai kristalai ir hibridiniai organiniai-inorganiniai struktūros, siekdama išplėsti operatyvinį pralaidumą ir tunabilumą DBR. Europoje, Prancūzijos nacionalinis mokslinių tyrimų centras (CNRS) bendradarbiauja su universitetais ir pramone, kad sukurtų DBR kitai kartai lazeriuose ir kvantinėje fotonikoje. RIKEN institutas Japonijoje taip pat yra vertas dėmesio savo darbais su nanostruktūriniais DBR, orientuodamasis į kvantinės informacijos ir integruotų fotonikos sistemų taikymus.

Šios organizacijos, per nuolatinę investiciją į tyrimus, plėtrą ir gamybą, ir toliau skatina pažangas DBR technologijoje, leisdami kurti naujus taikymus komunikacijos, jutiklių ir kvantinėse technologijose. Jų bendradarbiavimo pastangos su akademiniais ir pramonės partneriais užtikrina, kad DBR liktų fotonikos inovacijų šerdyje 2025 metais ir vėliau.

Ateities perspektyvos: Inovacijos ir plečiančios taikymo sferos

Žvelgiant į 2025 metus, Paskirstytų Bragg reflektorių (DBR) ateitis yra pažymėta spartaus inovacijų ir plečiančių taikymo sričių fotonikoje, optoelektronikoje ir kvantinėse technologijose. DBR, kurie yra periodinės struktūros, sudarytos iš pakaitinių sluoksnių su skirtingais lūžio rodikliais, jau seniai yra būtini dėl savo didelio atspindėjimo ir bangos ilgio selektyvumo. Tobulėjant gamybos technologijoms, DBR gamybos tikslumas ir didinimo galimybės gerėja, leidžianti kurti naujas prietaisų architektūras ir veikimo pagerinimus.

Vienas iš pažangiausių inovacijų sričių yra DBR integracija su naujomis puslaidininkinėmis medžiagomis, tokiomis kaip galio nitridas (GaN) ir silicio karbidas (SiC). Šios medžiagos yra pagrindinės aukšto galingumo ir aukšto dažnio optoelektroniniuose prietaisuose, įskaitant naujos kartos vertikalius šviesą skleidžiančius lazerius (VCSEL) ir mikro-LED. Pagerinti DBR dizainai leidžia efektyvesnį šviesos ištraukimo ir šilumos valdymą, kas yra būtina, siekiant miniatiūrizuoti ir užtikrinti šių prietaisų patikimumą. Tokios organizacijos kaip OSRAM ir Cree, Inc. aktyviai vysto DBR pagrindu veikiančius sprendimus pažangioms apšvietimo ir ekranavimo technologijoms.

Kvantinėje fotonikoje DBR inžinerija yra vykdoma nanoskalėje, siekiant sukurti aukštos kokybės optines ertmes ir veidrodžius vieno fotono šaltiniams ir kvantinių taškų lazeriams. Šie komponentai yra pagrindiniai kvantinėje komunikacijoje ir kompiuterijos sistemose, kur tikslus šviesos emisijos ir propagavimo valdymas yra būtinas. Mokslinių tyrimų institucijos ir pramonės lyderiai, įskaitant IBM ir Nacionalinį standartų ir technologijų institutą (NIST), tiria naujus DBR konfigūracijų, kad pagerintų kvantinių prietaisų našumą.

Dar viena plečiasi taikymo sritis yra biosensing ir medicininių diagnostikos srityse. DBR integruojami į „lab-on-chip“ platformas ir optinius jutiklius, siekiant pasiekti didelį jautrumą ir specifiką biomolekulių aptikimui. Jų gebėjimas teikti siaurai juostos atspindėjimą ir reguliuojamas optines savybes daro juos idealiais multiassay ir realaus laiko stebėjimui. Nacionaliniai sveikatos institutai (NIH) ir pirmaujančios universitetai remia DBR pagrindu veikiančių biosensorių tyrimus ankstyvam ligų nustatymui ir individualizuotai medicinai.

Ateityje pažangių medžiagų, nanogamybos ir integruotos fotonikos konvergencija turėtų paskatinti tolesnius proveržius DBR technologijoje. Kai didėja poreikis aukštos našumo optiniams komponentams telekomunikacijose, kvantinėje informacijoje ir sveikatos priežiūroje, DBR ir toliau vaidins svarbų vaidmenį, leisdami kurti ateities prietaisus ir sistemas.

Šaltiniai ir nuorodos

• Elektros ir elektronikos inžinierių institutas (IEEE)
• SPIE
• imec
• OSRAM
• Coherent
• Nacionalinis standartų ir technologijų institutas (NIST)
• Majamio technologijų institutas
• EUROPRACTICE
• Tarptautinė telekomunikacijų sąjunga
• Infineon Technologies
• Nichia Corporation
• Prancūzijos nacionalinis mokslinių tyrimų centras (CNRS)
• RIKEN
• Cree, Inc.
• IBM
• Nacionaliniai sveikatos institutai (NIH)