單晶和多晶金剛石襯底上單晶積分光學(xué)和機(jī)械元件的研究結(jié)果

金剛石提供了優(yōu)越的光學(xué)和機(jī)械材料性能，使其成為實(shí)現(xiàn)集成光機(jī)械電路的主要候選材料。由于金剛石襯底尺寸成熟，高效的納米結(jié)構(gòu)方法可以實(shí)現(xiàn)全面的集成器件。在此，我們回顧了由多晶和單晶金剛石制造的光學(xué)和力學(xué)諧振器。我們提出了與實(shí)現(xiàn)光機(jī)械器件相關(guān)的相關(guān)材料性能，并將其與其他材料系統(tǒng)進(jìn)行了比較。我們提供了金剛石集成光力學(xué)電路的概況，并提出了光學(xué)讀出機(jī)制和驅(qū)動通過光學(xué)或靜電力，迄今已實(shí)現(xiàn)。通過將金剛石納米光子電路與超導(dǎo)納米線結(jié)合，可以在這些芯片上有效地檢測到單光子，并概述了未來如何在該平臺上實(shí)現(xiàn)單光子光機(jī)械電路。

金剛石的光學(xué)和力學(xué)性能

光學(xué)性質(zhì)：對于集成光力學(xué)中的應(yīng)用，合適材料的光學(xué)和力學(xué)性能大多是相關(guān)的。光子器件的有效波導(dǎo)需要最重要的是在感興趣的光譜區(qū)域的光學(xué)透明度。對于波導(dǎo)，這特別需要引導(dǎo)層以及周圍的光學(xué)緩沖層的透明度。除了光學(xué)透明性之外，相對于周圍材料的高折射率對比度對于納米光子元件是必要的。除了在傳統(tǒng)波導(dǎo)器件中的應(yīng)用之外，高質(zhì)量的金剛石層也很有吸引力，因?yàn)樗锌赡茉谥黧w材料中引入特定的缺陷。金剛石中的色心因其具有良好的單光子發(fā)射特性而備受關(guān)注。

機(jī)械性能：對于為集成光力學(xué)選擇最佳材料，進(jìn)一步的約束是要求優(yōu)異的機(jī)械性能。金剛石提供了一個(gè)非常大的楊氏模量，它直接轉(zhuǎn)化為高機(jī)械共振頻率。這些對于納米機(jī)械諧振器來說很重要，因?yàn)楦哳l操作允許在環(huán)境條件下使用該設(shè)備，而不會受到顯著的空氣阻尼。這與傳感器件的實(shí)現(xiàn)尤其相關(guān)。金剛石還提供了所有材料中最高的聲速，這對于高頻表面聲波(SAW)裝置的實(shí)現(xiàn)非常重要。此外，金剛石是一種低損耗的機(jī)械材料。在硅等材料中，熱彈性耗散比同等尺寸的諧振器要低得多。這可能與金剛石的高導(dǎo)熱率有關(guān)。

多晶與單晶金剛石： 當(dāng)在金剛石中實(shí)現(xiàn)光子電路時(shí)，可以使用單晶金剛石(SCD)或多晶金剛石(PCD)，它們在材料特性方面有所不同。雖然當(dāng)金剛石不是單一的而是多晶的時(shí)，表1中列出的金剛石的一些有利特性得到了很大程度的保留(即折射率、楊氏模量、密度和聲速)，但是其他特性如透明度范圍和熱導(dǎo)率降低了，這主要是由于晶界結(jié)合了SP2-碳和比大塊金剛石更大量的摻雜劑。

金剛石集成光學(xué)電路

1.波導(dǎo)是最簡單但也是最重要的構(gòu)件

2.光纖到芯片耦合器允許將光傳入和傳出波導(dǎo)，并將它們連接到芯片外組件，例如光源或檢測器，該耦合器或者通過對接耦合到拋光波導(dǎo)的刻面而在平面內(nèi)實(shí)現(xiàn)，或者通過光柵結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，該光柵結(jié)構(gòu)能夠在平面外訪問波導(dǎo)。

3.光學(xué)諧振器或腔，例如圓盤諧振器、環(huán)形諧振器。

4.芯片內(nèi)干涉儀，這有助于將相位變化轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度變化，并找到基于芯片的傳感器和調(diào)制器的應(yīng)用。

單晶光子成分 略

金剛石納米機(jī)械諧振器 略

金剛石集成光學(xué)力學(xué)

金剛石光機(jī)械電路的制造：圖中描述了用多晶金剛石薄膜制備金剛石光機(jī)械電路的一般工藝流程。 7.對于這種光力學(xué)應(yīng)用，使用金剛石絕緣體上晶片(DOI)，它通常包括600nm或以下的薄拋光75PCD層，通過等離子體增強(qiáng)CVD，在標(biāo)準(zhǔn)硅片上2000nm的氧化硅上生長，如圖所示。7

機(jī)械運(yùn)動的片上讀出：在芯片干涉儀上， 如圖所示。8a，是集成光學(xué)測量中有用的構(gòu)建模塊，以允許相位敏感測量。集成MZI的歸一化透射譜如圖所示。8b顯示光柵給出的光柵耦合器的干涉條紋和預(yù)期的包絡(luò)。

用光學(xué)力驅(qū)動機(jī)械運(yùn)動：所描述的光力允許操縱集成機(jī)械諧振器純粹通過使用泵探頭測量方案演示的光的機(jī)械諧振器：從一個(gè)激光器所選波長的光強(qiáng)度在MHz-GHz范圍內(nèi)的給定頻率被調(diào)制。這種調(diào)制強(qiáng)度導(dǎo)致調(diào)制光力，從而驅(qū)動諧振器的機(jī)械運(yùn)動。一種不同波長的弱連續(xù)波激光器，然后利用泵浦光來檢測運(yùn)動（探頭）。光譜濾波確保只有調(diào)制的探測光被探測到，而泵浦光要弱一個(gè)數(shù)量級，因此可以被忽略。

光學(xué)解耦的納米機(jī)械諧振器：在同一波導(dǎo)中使用光力來相干驅(qū)動機(jī)械運(yùn)動是一個(gè)優(yōu)雅的概念，但它需要使用高消光比的光濾光器來分離泵浦和探測光，避免串?dāng)_。避免這種情況的一種方法是將驅(qū)動力的機(jī)制從讀出的信號中分離出來，例如通過使用二維光子晶體(PhC)。圖中。5(iv)，顯示了這種PhC鏡的實(shí)現(xiàn)，它通過光學(xué)隔離了機(jī)械諧振器的兩側(cè)。

通過片上電極驅(qū)動機(jī)械運(yùn)動：H諧振器設(shè)計(jì)的PhC反射鏡允許光學(xué)分離機(jī)械諧振器的兩個(gè)臂，使得一側(cè)可以用于實(shí)現(xiàn)驅(qū)動機(jī)械運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，而另一側(cè)與光學(xué)讀出機(jī)構(gòu)接口。

結(jié)論

本文總結(jié)了單晶和多晶金剛石襯底上單晶積分光學(xué)和機(jī)械元件的研究結(jié)果。由于優(yōu)異的光學(xué)力學(xué)性能是一種自然的選擇，金剛石的光學(xué)和力學(xué)性能。這兩種機(jī)制的最新進(jìn)展已經(jīng)導(dǎo)致質(zhì)量因子超過100萬的光學(xué)和機(jī)械諧振器器件的展示，作為邁向應(yīng)用驅(qū)動電路元件的有希望的一步。由于金剛石也可以提供低吸收和非常高的導(dǎo)熱性，金剛石集成光機(jī)械器件也有在高功率狀態(tài)下運(yùn)行的前景。這可能有利于高精度讀出納米機(jī)械運(yùn)動，以及在芯片上實(shí)現(xiàn)非線性光機(jī)械系統(tǒng)。由于金剛石提供了非常寬的光學(xué)透明度，目前尚未探索的中長紅外光譜區(qū)域的操作機(jī)制成為可用于集成的光機(jī)械電路。特別是在重要的指紋光譜區(qū)域的傳感和計(jì)量方面，金剛石光機(jī)械器件可能在質(zhì)量傳感和化學(xué)分析中發(fā)現(xiàn)新的應(yīng)用。

獨(dú)特的材料性質(zhì)組合使金剛石成為在廣泛應(yīng)用中研究光物質(zhì)相互作用的杰出系統(tǒng)。隨著成熟的加工和合成程序的出現(xiàn)，光機(jī)械電路制造所需的金剛石薄膜基質(zhì)已經(jīng)成為可用的。這允許將現(xiàn)有的納米結(jié)構(gòu)配方移植到這個(gè)新的材料平臺上。雖然晶片尺度上的大面積基底只可用于多晶金剛石，但實(shí)現(xiàn)直徑為幾毫米的單晶基底的最新進(jìn)展將使未來集成光機(jī)械器件的制造成為可行。通過先進(jìn)的傳輸和粘接技術(shù)，這樣的模板將使高質(zhì)量的電路組件能夠?qū)崿F(xiàn)與低密度的顏色中心。使用離子植入來實(shí)現(xiàn)特定位點(diǎn)的單光子源130,131最終將允許設(shè)計(jì)出成熟的在單光子水平上運(yùn)行的金剛石光力學(xué)電路。結(jié)合目前可在金剛石平臺上使用的單光子探測器技術(shù)，一個(gè)靈活的單光子的產(chǎn)生、檢測和操作的框架將在不久的將來出現(xiàn)。這樣的平臺將允許以相當(dāng)高的光強(qiáng)度將光力學(xué)移植到單光子水平，并在可調(diào)諧芯片量子光子學(xué)中進(jìn)一步應(yīng)用。

審核編輯：符乾江