Hur distribuerade Bragg-reflektorer revolutionerar ljusstyrning: Vetenskap, teknik och framtida påverkan av ingenjörda reflektiva strukturer (2025)

Introduktion till distribuerade Bragg-reflektorer (DBRs)
Grundläggande fysik: Hur DBRs manipulerar ljus
Material och tillverkningstekniker för DBRs
Nyckelapplikationer inom fotonik och optoelektronik
DBRs i halvledarlaser och LED-lampor
Prestandamått: Reflektans, bandbredd och stabilitet
Framväxande trender: DBRs inom kvant- och integrerad fotonik
Marknadstillväxt och allmänt intresse: Prognos 2024–2030
Ledande aktörer och forskningsinstitutioner
Framtidsutsikter: Innovationer och växande applikationer
Källor och referenser

Introduktion till distribuerade Bragg-reflektorer (DBRs)

En distribuerad Bragg-reflektor (DBR) är en högt ingenjörd optisk struktur som består av växelvis lager av material med olika brytningsindex. Dessa lager är vanligtvis ordnade i en periodisk form, där varje lagertjocklek noggrant kontrolleras för att vara en fjärdedel av våglängden för det målade ljuset. Denna konfiguration möjliggör konstruktiv interferens av reflekterat ljus vid specifika våglängder, vilket resulterar i hög reflektivitet över ett smalt spektrum. DBRs är grundläggande komponenter i en mängd fotoniska och optoelektroniska enheter, inklusive vertikala kavitetsoverförande lasrar (VCSEL), resonant-kavitet ljusutsändande dioder (RCLED) och optiska filter.

Principen bakom DBRs baseras på Braggs lag, som beskriver villkoren för konstruktiv interferens av ljus som reflekteras från periodiska strukturer. När ljus möter gränssnittet mellan två material med olika brytningsindex reflekteras en del av ljuset. Genom att stapla flera sådana gränssnitt kan de reflekterade vågorna från varje gränssnitt addera konstruktivt vid vissa våglängder, vilket avsevärt ökar den totala reflektiviteten. Antalet lagerpar och kontrasten i brytningsindex mellan materialen avgör reflektiviteten och bandbredden hos DBR.

DBRs tillverkas med hjälp av avancerade depositionstekniker för tunna filmer såsom molekylär stråle epitaxi (MBE) och metallorganisk kemisk ångdeposition (MOCVD), vilket möjliggör atomskale-kontroll över lagertjocklek och sammansättning. Dessa metoder används ofta inom halvledarindustrin för att producera högkvalitativa DBRs för integrering i enheter som arbetar i det synliga, infraröda och till och med ultravioletta spektrala områden. Valet av material för DBRs beror på applikationen och den önskade operativa våglängden; vanliga materialystem inkluderar GaAs/AlAs för nära infraröda applikationer och SiO₂/TiO₂ för synligt ljus.

DBRs spelar en kritisk roll inom modern fotonik genom att möjliggöra effektiv ljuskonfinement, våglängdsselektivitet och lågförlustreflektion. Deras precisa optiska egenskaper gör dem oumbärliga inom telekommunikation, laserteknik och mätapplikationer. Organisationer som Optica (tidigare OSA) och Institutet för elektrisk och elektronisk teknik (IEEE) publicerar regelbundet forskning och standarder relaterade till design, tillverkning och tillämpning av DBRs, vilket återspeglar deras fortsatta betydelse för att främja optisk vetenskap och teknik.

Grundläggande fysik: Hur DBRs manipulerar ljus

En distribuerad Bragg-reflektor (DBR) är en periodisk struktur som består av växelvis lager av material med olika brytningsindex. Den grundläggande fysiken bakom DBRs baseras på principen om konstruktiv och destruktiv interferens av ljusvågor vid gränssnitten mellan dessa lager. När ljus möter en DBR reflekterar och transmitterar varje gränssnitt delvis den inkommande vågen. Om den optiska tjockleken av varje lager är exakt en fjärdedel av den målade våglängden (λ/4), kombinerar de reflekterade vågorna från efterföljande gränssnitt konstruktivt för den våglängden, vilket resulterar i hög reflektivitet inom ett specifikt spektralt intervall som kallas stoppband eller fotoniskt bandgap.

Den höga reflektiviteten hos DBRs uppstår från den koherenta superpositionen av reflekterade vågor. För en DBR som är utformad för en central våglängd λ₀, ställs den optiska tjockleken (n·d) av varje lager in på λ₀/4, där n är brytningsindex och d är den fysiska tjockleken. Denna konfiguration säkerställer att fasskillnaden mellan reflektionerna från angränsande gränssnitt är 180 grader, vilket får de reflekterade vågorna att förstärka varandra. Omvänt upplever våglängder utanför stoppbandet destruktiv interferens, vilket gör att de kan transmittas genom strukturen med minimal reflektion.

Bredden och positionen för stoppbandet beror på kontrasten i brytningsindex mellan de växelvis lagren och antalet lagerpar. En högre kontrast i brytningsindex och ett större antal perioder ökar både reflektiviteten och breddar stoppbandet. Detta gör DBRs mycket ställbara för specifika optiska applikationer, såsom speglar i vertikala kavitetsoverförande lasrar (VCSEL), våglängdsfilter och optiska kabinett.

DBRs är en nyckelkomponent inom modern fotonik och optoelektronik. Deras förmåga att manipulera ljus med hög precision utnyttjas i enheter som sträcker sig från halvledarlasrar till solceller och kvantbrunnar. Den underliggande fysiken är nära relaterad till begreppet fotoniska kristaller, där periodisk modulering av brytningsindex skapar tillåtna och förbjudna energiband för fotoner, analogt med elektroniska bandstrukturer i halvledare. Denna fotoniska bandgap-effekt är central för funktionen hos DBRs, vilket gör det möjligt för dem att kontrollera ljusets propagering på nanoskal.

Forskning och utveckling av DBRs genomförs av ledande vetenskapliga organisationer och branschspelare, inklusive Optica (tidigare OSA) och American Physical Society, som tillhandahåller grundläggande forskning och standarder inom optik och fotonik. Dessa organisationer bidrar till utvecklingen av DBR-teknologi genom konferenser, publikationer och samarbetsforskning.

Material och tillverkningstekniker för DBRs

Distribuerade Bragg-reflektorer (DBRs) är periodiska flerlagersstrukturer som består av växelvis material med kontrasterande brytningsindex. DBR:ns prestanda—dess reflektivitet, bandbredd och operativa våglängdsområde—beror kritiskt på valet av material och precisionen i tillverkningsteknikerna. De vanligaste materialen för DBRs är dielektriska eller halvledarföreningar, valda för deras optiska transparens, brytningsindexkontrast och kompatibilitet med enhetsintegration.

I det synliga och nära infraröda spektralområdet använder dielektriska DBRs ofta par som kiseloxid (SiO₂, lågt index) och titandioxid (TiO₂, högt index), eller kiselnitrid (Si₃N₄) som högt indexlager. Dessa material föredras för deras låga optiska absorption och höga skadetålighet. För halvledarbaserade DBRs, särskilt i optoelektroniska enheter som vertikala kavitetsoverförande lasrar (VCSEL), inkluderar vanliga materialsystem växelvis lager av galliumarsenid (GaAs) och aluminiumarsenid (AlAs), eller indiumfosfid (InP) och indiumgalliumarsenidfosfid (InGaAsP). Dessa kombinationer är gittermatchade för att minimera defekter och är kompatibla med epitaxiell tillväxt på standardsubstrat, vilket är avgörande för högpresterande fotoniska enheter (Optica).

Tillverkningen av DBRs kräver noggrann kontroll över lagertjocklek och gränssnittskvalitet, eftersom avvikelser kan försämra reflektiviteten avsevärt. Flera depositionstekniker används, var och en med distinkta fördelar. Fysiska ångdeponeringstekniker (PVD), såsom elektronbundets avdunstning och sputtring, används ofta för dielektriska DBRs tack vare deras förmåga att deponera enhetliga, högrenhetsfilmer. Kemisk ångdeponering (CVD) och plasmaförstärkt CVD (PECVD) är också vanliga, särskilt för kiselbaserade material, och erbjuder utmärkt stegöverföring och konformitet.

För halvledar-DBRs är molekylär stråleepitaxi (MBE) och metallorganisk kemisk ångdeponering (MOCVD) de dominerande teknikerna. MBE ger atomlagerprecision och är ideal för forskning och högpresterande enheter, medan MOCVD föredras för storskalig produktion på grund av sitt högre genomströmning. Båda metoderna möjliggör tillväxt av abrupta, defektfria gränssnitt, vilka är avgörande för att uppnå den höga reflektivitet och låga optiska förluster som krävs i avancerade fotoniska applikationer (American Physical Society).

Nya framsteg inom materialvetenskap har introducerat nya material såsom bredbandiga oxider och tvådimensionella material för specialiserade DBR-applikationer, inklusive ultravioletta och mid-infraröda reflektorer. Dessutom driver integration med kisel-fotonikplattformar utvecklingen av CMOS-kompatibla DBR-tillverkningsprocesser, vilket breddar tillämpningsområdet inom telekommunikation och kvantteknologier (IEEE).

Nyckelapplikationer inom fotonik och optoelektronik

Distribuerade Bragg-reflektorer (DBRs) är grundläggande komponenter i modern fotonik och optoelektronik, tack vare deras förmåga att ge högst selektiv reflektion av specifika våglängder genom periodiska dielektriska eller halvledarstrukturer. Deras unika optiska egenskaper har möjliggjort en bred mängd applikationer inom olika områden.

En av de mest framträdande användningarna av DBRs är i vertikala kavitetsoverförande lasrar (VCSELs). I dessa enheter fungerar DBRs som högreflekterande speglar som formar laserhålan, vilket möjliggör effektiv ljusutsändning vinkelrätt mot waferytan. Den tydliga kontrollen över reflektivitet och stoppbandsbredd som DBRs erbjuder är avgörande för att uppnå låga tröskelströmmar och hög utgångseffekt i VCSELs, vilka är allmänt använda inom datakommunikation, mätning och 3D-avbildning. Organisationer som III-Vs Review och Optica (tidigare OSA) har dokumenterat den centrala rollen som DBRs har i att främja VCSEL-teknologi.

DBRs är också integrerade i designen av högpresterande fotodetektorer och ljusutsändande dioder (LEDs). I fotodetektorer kan DBRs användas för att förbättra kvanteffektiviteten genom att reflektera oabsorberade fotoner tillbaka in i aktivområdet, vilket ökar sannolikheten för fotonabsorption. I LEDs används DBRs för att förbättra ljusutvinningseffektiviteten genom att reflektera internt genererade fotoner mot enhetens yta. Detta tillvägagångssätt är särskilt viktigt i mikro-LEDs och andra avancerade visningsteknologier, som framhävs av forskning från IEEE och SPIE, två ledande yrkesföreningar inom elektronik och fotonik.

Ett annat viktigt tillämpningsområde är inom optiska filter och våglängdsselektiva enheter. DBRs används för att konstruera smalbandiga och bredbandiga filter, vilket är avgörande i våglängdsdivision multiplexing (WDM) system för fiberoptisk kommunikation. Deras förmåga att ge skarp spektral selektivitet och låg insättningsförlust gör dem idealiska för multiplexering och demultiplexering av optiska signaler. Dessutom används DBRs i tillverkningen av resonantkavitet-förbättrade fotoniska enheter, såsom modulatorer och sensorer, där noggrann kontroll över resonansvillkoren krävs.

Bortom telekommunikation och belysning används DBRs alltmer inom framväxande områden som kvantfotonik och integrerade fotoniska kretsar. Deras kompatibilitet med halvledartillverkningsprocesser möjliggör monolitisk integration med andra optoelektroniska komponenter, vilket banar väg för kompakta, högpresterande fotoniska system. När forskning och utveckling fortsätter säkerställer DBRs mångsidighet och effektivitet deras fortsatta betydelse i utvecklingen av fotonik och optoelektronik.

DBRs i halvledarlaser och LED-lampor

Distribuerade Bragg-reflektorer (DBRs) är kritiska komponenter i design och drift av halvledarlaser och ljusutsändande dioder (LEDs). En DBR består av flera växelvis lager av material med olika brytningsindex, som vanligtvis framställs med hjälp av epitaxiella tillväxttekniker som molekylär stråleepitaxi (MBE) eller metallorganisk kemisk ångdeponering (MOCVD). Tjockleken på varje lager kontrolleras noggrant, vanligtvis till en fjärdedel av den målade våglängden, vilket resulterar i konstruktiv interferens för specifika våglängder och därmed hög reflektivitet vid dessa våglängder.

I halvledarlasrar, såsom vertikala kavitetsoverförande lasrar (VCSELs) och kantutsändande lasrar, fungerar DBRs som mycket effektiva speglar som definierar den optiska kaviteten. Den höga reflektiviteten som tillhandahålls av DBRs (ofta över 99%) är avgörande för att uppnå den nödvändiga optiska återkopplingen för laserverkan, särskilt i VCSELs där både över- och undersidan vanligtvis är DBRs. Användningen av DBRs möjliggör låga tröskelströmmar, hög utgångseffekt och våglängdsselektivitet, vilket är avgörande för tillämpningar inom optisk kommunikation, mätning och datacenter. Till exempel, i GaAs-baserade VCSELs används växelvis lager av AlAs och GaAs vanligtvis för att bilda DBR-strukturen, vilket utnyttjar den betydande kontrasten i brytningsindex mellan dessa material för att maximera reflektiviteten med ett hanterbart antal lagerpar.

I LEDs används DBRs för att förbättra ljusutvinningseffektiviteten. Genom att reflektera fotoner som annars skulle gå förlorade på grund av substratabsorption eller avlägsenhet vid icke-optimala vinklar, ökar DBRs andelen genererat ljus som lämnar enheten i den önskade riktningen. Detta är särskilt viktigt i högljusstyrkande LEDs och i enheter där riktad utsändning krävs, såsom i skärmbackbelysning eller belysning för fordon. Integrationen av DBRs i LEDs kan också möjliggöra realisering av resonantkavitet-LEDs (RCLEDs), som visar förbättrad spektral renhet och riktning jämfört med konventionella LEDs.

Designen och tillverkningen av DBRs kräver noggrant övervägande av materialkompatibilitet, termiska expansionskoefficienter och gränssnittskvalitet för att säkerställa enheternas tillförlitlighet och prestanda. Ledande forskningsinstitutioner och halvledartillverkare, som imec och OSRAM, har bidragit avsevärt till utvecklingen och optimeringen av DBR-strukturer för både lasrar och LEDs. Dessa organisationer fokuserar på att främja epitaxiell tillväxtteknik, utforska nya materialystem och förbättra integrationen av DBRs med andra fotoniska komponenter för att möta de växande kraven inom optoelektroniska applikationer.

Prestandamått: Reflektans, bandbredd och stabilitet

Distribuerade Bragg-reflektorer (DBRs) är kritiska optiska komponenter som används brett i lasrar, fotoniska enheter och telekommunikation på grund av deras förmåga att reflektera specifika våglängder med hög effektivitet. Prestandan hos en DBR kännetecknas främst av tre nyckelmått: reflektivitet, bandbredd och stabilitet.

Reflektivitet är den mest grundläggande prestationsparametern för en DBR. Det kvantifierar andelen inkommande ljus som reflekteras av strukturen vid en målvåglängd. Hög reflektivitet, ofta över 99%, uppnås genom att stapla växelvis lager av material med kontrasterande brytningsindex, var och en med en optisk tjocklek av en fjärdedel av designvåglängden. Antalet lagerpar och kontrasten i brytningsindex påverkar direkt den maximala uppnåeliga reflektiviteten. Till exempel, DBRs är integrerade i driften av vertikala kavitetsoverförande lasrar (VCSELs), där högreflekterande speglar är avgörande för effektiv laserverkan. Organisationer som OSRAM och Coherent är framträdande inom utvecklingen och tillverkningen av DBR-baserade enheter, vilket utnyttjar avancerade materialdepositionstekniker för att optimera reflektiviteten.

Bandbredd avser det spektrala intervallet inom vilket DBR:n upprätthåller hög reflektivitet. Bandbredden bestäms av kontrasten i brytningsindex mellan de växelvis lagren och antalet lagerpar. En högre indexkontrast och fler par resulterar i ett bredare stoppband, vilket gör att DBR:n kan reflektera ett bredare spektrum av våglängder. Denna egenskap är avgörande i applikationer som våglängdsselektiva filter och ställbara lasrar, där noggrann kontroll över det reflekterade spektrumet krävs. Forskning och institutioner inom industrin, inklusive National Institute of Standards and Technology (NIST), har bidragit till förståelsen och mätningen av DBR-bandbredd, vilket säkerställer tillförlitlig prestanda i krävande fotoniska system.

Stabilitet omfattar både den fysiska och optiska robustheten hos DBR:n över tid och under varierande miljöförhållanden. Stabiliteten påverkas av faktorer som termisk expansion, materialinterdiffusion och mekanisk stress. Högkvalitativa tillverkningsprocesser, såsom molekylär stråleepitaxi (MBE) och metallorganisk kemisk ångdeponering (MOCVD), används för att säkerställa långsiktig stabilitet för DBRs, särskilt i hög effekt eller temperaturkänsliga applikationer. Optica (tidigare Optical Society of America) tillhandahåller standarder och riktlinjer för karaktärisering och testning av DBR-stabilitet, vilket stödjer utvecklingen av tillförlitliga fotoniska enheter.

Sammanfattningsvis definieras prestandan hos distribuerade Bragg-reflektorer av deras reflektivitet, bandbredd och stabilitet, där var och en är kritisk för deras integration i avancerade optiska och fotoniska system. Fortsatta framsteg inom materialvetenskap och tillverkningstekniker fortsätter att förbättra dessa mått, vilket möjliggör nya applikationer och förbättrad enhetsprestanda.

Framväxande trender: DBRs inom kvant- och integrerad fotonik

Distribuerade Bragg-reflektorer (DBRs) är flerlagerstrukturer som består av växelvis material med olika brytningsindex, konstruerade för att reflektera specifika våglängder av ljus genom konstruktiv interferens. Under de senaste åren har DBRs blivit avgörande för utvecklingen av kvant- och integrerad fotonik, områden som snabbt utvecklas som grundläggande teknologier för kvantdatorer, säkra kommunikationer och nästa generations optiska kretsar.

En nyckeltrend som växer fram är integrationen av DBRs i kvantfotoniska enheter, där de fungerar som högreflekterande speglar i mikro-kaviteten och resonatorer. Dessa strukturer är avgörande för att förstärka ljus-materia-interaktioner, en kritisk krav för effektiva en-foton källor och kvantutsläppare. Till exempel används DBRs i vertikala kavitetsoverförande lasrar (VCSELs) och kvantdots mikro-kaviter, vilket möjliggör noggrann kontroll över fotonutsläpp och insamling. Denna förmåga är avgörande för skalbar kvant informationsbehandling och kvantnyckeldistributionssystem, vilket demonstreras i forskningssamarbeten med ledande institutioner såsom National Institute of Standards and Technology och Massachusetts Institute of Technology.

Inom integrerad fotonik tillverkas DBRs alltmer med avancerade material som kisel, III-V halvledare och till och med tvådimensionella material. Deras kompatibilitet med etablerade halvledartillverkningsprocesser möjliggör monolitisk integration med andra fotoniska komponenter, såsom vågledare, modulatorer och detektorer. Denna integration är avgörande för utvecklingen av kompakta, lågförlust och energieffektiva fotoniska kretsar, vilket är centralt för färdplanen för organisationer som EUROPRACTICE och imec, som båda stöder forskning och prototyper i fotoniska integrerade kretsar.

En annan anmärkningsvärd trend är användningen av DBRs i hybrida kvantsystem, där de underlättar stark koppling mellan fotoner och fasta tillståndets kvantar, såsom färgcentra i diamant eller defekter i kiselkarbid. Denna starka koppling är avgörande för realiseringen av kvantnätverk och distribuerade kvantdatorarkitekturer. Dessutom möjliggör utvecklingen av ställbara och omkonfigurerbara DBRs—med material med elektro-optiska eller termo-optiska egenskaper—dynamisk kontroll över fotoniska enheter, en funktion som alltmer efterfrågas i programmerbara kvantfotoniska processorer.

Allteftersom kvant- och integrerad fotonik fortsätter att konvergera, förväntas rollen för DBRs expandera, drivet av pågående forskning vid stora laboratorier och det växande ekosystemet av fotoniska fonder. Den fortsatta förfiningen av DBR-tillverknings- och integreringstekniker kommer att vara avgörande för att möta de stränga prestandakraven för framtida kvantteknologier.

Marknadstillväxt och allmänt intresse: Prognos 2024–2030

Marknaden för distribuerade Bragg-reflektorer (DBRs) är redo för betydande tillväxt mellan 2024 och 2030, drivet av utvidgade applikationer inom optoelektronik, telekommunikation och fotonik. DBRs, som är periodiska strukturer som består av växelvis lager av material med olika brytningsindex, är viktiga komponenter i enheter såsom vertikal-kavitetsoverförande lasrar (VCSELs), ljusutsändande dioder (LEDs) och optiska filter. Deras förmåga att reflektera specifika våglängder med hög effektivitet gör dem oumbärliga i både kommersiella och forskningsinställningar.

År 2025 förväntas efterfrågan på DBRs accelerera, särskilt på grund av spridningen av högsnabb optisk kommunikation och den pågående övergången till 5G och bortom. Telekommunikationssektorn förlitar sig starkt på DBRs för våglängdsselektiva speglar och filter, som är avgörande för tät våglängddivision multiplexing (DWDM) system. Organisationer som International Telecommunication Union (ITU), som sätter globala standarder för information och kommunikationsteknologi, har framhävt vikten av avancerade fotoniska komponenter för att stödja nästa generations nätverksinfrastruktur.

Optoelektronikindustrin är en annan stor drivkraft, där DBRs spelar en central roll i prestandan för VCSELs som används i datacenter, ansiktsigenkänning och bil-LiDAR-system. Optica (tidigare OSA), en ledande vetenskaplig förening inom optik och fotonik, publicerar regelbundet forskning som understryker framstegen och den växande användningen av DBR-baserade enheter inom dessa områden. Dessutom främjar strävan efter mer energieffektiva och miniaturiserade fotoniska enheter inom konsumentelektronik innovation inom DBR-design och tillverkning.

Allmänna intresset för DBRs ökar också, eftersom dessa strukturer alltmer presenteras i framväxande teknologier som kvantdatorer, biosensing och avancerad medicinsk avbildning. Forskningsinstitutioner och branschledare investerar i utvecklingen av nya DBR-material, inklusive halvledar- och dielektriska kombinationer, för att förbättra reflektivitet, bandbredd och termisk stabilitet. Institutet för elektrisk och elektronisk teknik (IEEE), en global auktoritet inom elektronik och ingenjörsvetenskap, har dokumenterat den expanderande rollen för DBRs i att möjliggöra genombrott inom flera vetenskapliga domäner.

Övergripande förväntas perioden 2024 till 2030 vittna om robust marknadstillväxt för distribuerade Bragg-reflektorer, understödd av teknologiska framsteg, ökad investering och breddande applikationsområden. Eftersom industrier fortsätter att prioritera högpresterande optiska komponenter, är DBRs satta att förbli i framkant av innovation inom fotonik och optoelektronik.

Ledande aktörer och forskningsinstitutioner

Distribuerade Bragg-reflektorer (DBRs) är kritiska komponenter i modern fotonik, optoelektronik och halvledarenheter, som fungerar som mycket effektiva speglar för specifika våglängdsintervall. Utvecklingen och kommersialiseringen av DBRs involverar en kombination av avancerad materialvetenskap, precisions tillverkning och innovativ design, med ledarskap från både industrin och forskningsinstitutioner världen över.

Bland de ledande aktörerna utmärker sig OSRAM som en global ledare inom optoelektroniska komponenter, inklusive DBRs för högpresterande LEDs och laserdiodes. OSRAM:s expertis inom epitaxiell tillväxt och deposition av tunna filmer möjliggör produktionen av DBRs med precis reflektivitet och spektrala egenskaper, vilket är avgörande för tillämpningar inom belysning, automotive och sensorteknologi. En annan stor aktör, Coherent, är känd för sina avancerade fotoniska lösningar, inklusive DBR-baserade lasersystem som används inom telekommunikation, medicinska enheter och industriella tillämpningar. Cohérents vertikalt integrerade tillverkning möjliggör stram kontroll över DBR-lagertjocklek och enhetlighet, vilket säkerställer hög enhetstillförlitlighet.

Inom halvledarsektorn utnyttjar Infineon Technologies DBR-strukturer i sina optoelektroniska och kraftenheter, särskilt för hög-effektiva vertikala kavitetsoverförande lasrar (VCSELs). Infineons forskning och utveckling fokuserar på att integrera DBRs med andra halvledarteknologier för att förbättra enhetens prestanda och energieffektivitet. På samma sätt utnyttjar Nichia Corporation, en pionjär inom LED-teknologi, DBRs för att optimera ljusutvinning och färgkvalitet i sina avancerade LED-produkter.

Inom forskningen är flera institutioner i frontlinjen för DBR-innovation. Massachusetts Institute of Technology (MIT) bedriver banbrytande forskning på nya DBR-material, såsom fotoniska kristaller och hybrida organisk-anorganiska strukturer, i syfte att utöka den operativa bandbredden och ställbarheten hos DBRs. I Europa samarbetar Franska nationalcentret för vetenskaplig forskning (CNRS) med universitet och industri för att utveckla DBRs för nästa generations lasrar och kvantfotonik. RIKEN, institutet i Japan, är också anmärkningsvärt för sitt arbete med nanostrukturerade DBRs, med fokusering på applikationer inom kvantinformationsbehandling och integrerade fotoniska kretsar.

Dessa organisationer, genom kontinuerlig investering i forskning, utveckling och tillverkning, driver fortsatt framsteg inom DBR-teknologi, vilket möjliggör nya applikationer inom kommunikation, mätning och kvantteknologier. Deras samarbetsinsatser med akademiska och industriella partners säkerställer att DBRs förblir i kärnan av fotonisk innovation 2025 och framåt.

Framtidsutsikter: Innovationer och växande applikationer

Ser vi fram emot 2025, präglas framtiden för distribuerade Bragg-reflektorer (DBRs) av snabb innovation och växande applikationer inom fotonik, optoelektronik och kvantteknologier. DBRs, som är periodiska strukturer som består av växelvis lager med olika brytningsindex, har länge varit avgörande för deras höga reflektivitet och våglängdsselektivitet. Allteftersom tillverkningsteknikerna förbättras, förbättras noggrannheten och skalbarheten hos DBR-produktionen, vilket möjliggör nya enhetsarkitekturer och prestandaförbättringar.

Ett av de mest lovande innovationsområdena är integrationen av DBRs med framväxande halvledarmaterial, såsom galliumnitrid (GaN) och kiselkarbid (SiC). Dessa material är avgörande för hög-effekt- och högfrekvens opooledtronic-enheter, inklusive nästa generations vertikala kavitetsoverförande lasrar (VCSELs) och mikro-LEDs. Förbättrade DBR-design gör det möjligt med effektivare ljusutvinning och termisk hantering, vilket är avgörande för miniaturisering och tillförlitlighet av dessa enheter. Organisationer som OSRAM och Cree, Inc. utvecklar aktivt DBR-baserade lösningar för avancerade belysnings- och visningsteknologier.

Inom kvantfotonik konstrueras DBRs på nanoskal för att skapa högkvalitativa optiska kavitet och speglar för en-foton källor och kvantdotlasrar. Dessa komponenter är grundläggande för kvantkommunikations- och datorsystem, där precis kontroll över fotonutsläpp och propagering krävs. Forskningsinstitutioner och branschledare, inklusive IBM och National Institute of Standards and Technology (NIST), utforskar nya DBR-konfigurationer för att förbättra prestandan hos kvantenheter.

En annan växande applikation är inom områden som biosensing och medicinsk diagnostik. DBRs integreras i lab-on-chip-plattformar och optiska sensorer för att uppnå hög känslighet och specificitet vid detektering av biomolekyler. Deras förmåga att ge smalbandsreflexion och ställbara optiska egenskaper gör dem idealiska för multiplexerade analyser och realtidsövervakning. National Institutes of Health (NIH) och ledande universitet stöder forskning kring DBR-baserade biosensorer för tidig sjukdomsdetektion och personlig medicin.

Ser vi framåt förväntas konvergensen av avancerade material, nanotillverkning och integrerad fotonik driva ytterligare genombrott inom DBR-teknologi. När efterfrågan på högpresterande optiska komponenter växer inom telekommunikation, kvantinformation och hälsovård kommer DBRs att spela en avgörande roll för att möjliggöra nästa generations enheter och system.

Källor och referenser

15 days FDP@TOCE:23/4/2024 FN SESSION 1: Optical Sensing using Distributed Bragg Reflector (DBR).

Watch this video on YouTube.

Distribuerade Bragg-reflektorer: Frigör överlägsen optisk precision (2025)

ByQuinn Parker