单晶和多晶金刚石衬底上单晶积分光学和机械元件的研究结果

金刚石提供了优越的光学和机械材料性能，使其成为实现集成光机械电路的主要候选材料。由于金刚石衬底尺寸成熟，高效的纳米结构方法可以实现全面的集成器件。在此，我们回顾了由多晶和单晶金刚石制造的光学和力学谐振器。我们提出了与实现光机械器件相关的相关材料性能，并将其与其他材料系统进行了比较。我们提供了金刚石集成光力学电路的概况，并提出了光学读出机制和驱动通过光学或静电力，迄今已实现。通过将金刚石纳米光子电路与超导纳米线结合，可以在这些芯片上有效地检测到单光子，并概述了未来如何在该平台上实现单光子光机械电路。

金刚石的光学和力学性能

光学性质：对于集成光力学中的应用，合适材料的光学和力学性能大多是相关的。光子器件的有效波导需要最重要的是在感兴趣的光谱区域的光学透明度。对于波导，这特别需要引导层以及周围的光学缓冲层的透明度。除了光学透明性之外，相对于周围材料的高折射率对比度对于纳米光子元件是必要的。除了在传统波导器件中的应用之外，高质量的金刚石层也很有吸引力，因为它有可能在主体材料中引入特定的缺陷。金刚石中的色心因其具有良好的单光子发射特性而备受关注。

机械性能：对于为集成光力学选择最佳材料，进一步的约束是要求优异的机械性能。金刚石提供了一个非常大的杨氏模量，它直接转化为高机械共振频率。这些对于纳米机械谐振器来说很重要，因为高频操作允许在环境条件下使用该设备，而不会受到显著的空气阻尼。这与传感器件的实现尤其相关。金刚石还提供了所有材料中最高的声速，这对于高频表面声波(SAW)装置的实现非常重要。此外，金刚石是一种低损耗的机械材料。在硅等材料中，热弹性耗散比同等尺寸的谐振器要低得多。这可能与金刚石的高导热率有关。

多晶与单晶金刚石： 当在金刚石中实现光子电路时，可以使用单晶金刚石(SCD)或多晶金刚石(PCD)，它们在材料特性方面有所不同。虽然当金刚石不是单一的而是多晶的时，表1中列出的金刚石的一些有利特性得到了很大程度的保留(即折射率、杨氏模量、密度和声速)，但是其他特性如透明度范围和热导率降低了，这主要是由于晶界结合了SP2-碳和比大块金刚石更大量的掺杂剂。

金刚石集成光学电路

1.波导是最简单但也是最重要的构件

2.光纤到芯片耦合器允许将光传入和传出波导，并将它们连接到芯片外组件，例如光源或检测器，该耦合器或者通过对接耦合到抛光波导的刻面而在平面内实现，或者通过光栅结构实现，该光栅结构能够在平面外访问波导。

3.光学谐振器或腔，例如圆盘谐振器、环形谐振器。

4.芯片内干涉仪，这有助于将相位变化转换为强度变化，并找到基于芯片的传感器和调制器的应用。

单晶光子成分 略

金刚石纳米机械谐振器 略

金刚石集成光学力学

金刚石光机械电路的制造：图中描述了用多晶金刚石薄膜制备金刚石光机械电路的一般工艺流程。 7.对于这种光力学应用，使用金刚石绝缘体上晶片(DOI)，它通常包括600nm或以下的薄抛光75PCD层，通过等离子体增强CVD，在标准硅片上2000nm的氧化硅上生长，如图所示。7

机械运动的片上读出：在芯片干涉仪上， 如图所示。8a，是集成光学测量中有用的构建模块，以允许相位敏感测量。集成MZI的归一化透射谱如图所示。8b显示光栅给出的光栅耦合器的干涉条纹和预期的包络。

用光学力驱动机械运动：所描述的光力允许操纵集成机械谐振器纯粹通过使用泵探头测量方案演示的光的机械谐振器：从一个激光器所选波长的光强度在MHz-GHz范围内的给定频率被调制。这种调制强度导致调制光力，从而驱动谐振器的机械运动。一种不同波长的弱连续波激光器，然后利用泵浦光来检测运动（探头）。光谱滤波确保只有调制的探测光被探测到，而泵浦光要弱一个数量级，因此可以被忽略。

光学解耦的纳米机械谐振器：在同一波导中使用光力来相干驱动机械运动是一个优雅的概念，但它需要使用高消光比的光滤光器来分离泵浦和探测光，避免串扰。避免这种情况的一种方法是将驱动力的机制从读出的信号中分离出来，例如通过使用二维光子晶体(PhC)。图中。5(iv)，显示了这种PhC镜的实现，它通过光学隔离了机械谐振器的两侧。

通过片上电极驱动机械运动：H谐振器设计的PhC反射镜允许光学分离机械谐振器的两个臂，使得一侧可以用于实现驱动机械运动的机构，而另一侧与光学读出机构接口。

结论

本文总结了单晶和多晶金刚石衬底上单晶积分光学和机械元件的研究结果。由于优异的光学力学性能是一种自然的选择，金刚石的光学和力学性能。这两种机制的最新进展已经导致质量因子超过100万的光学和机械谐振器器件的展示，作为迈向应用驱动电路元件的有希望的一步。由于金刚石也可以提供低吸收和非常高的导热性，金刚石集成光机械器件也有在高功率状态下运行的前景。这可能有利于高精度读出纳米机械运动，以及在芯片上实现非线性光机械系统。由于金刚石提供了非常宽的光学透明度，目前尚未探索的中长红外光谱区域的操作机制成为可用于集成的光机械电路。特别是在重要的指纹光谱区域的传感和计量方面，金刚石光机械器件可能在质量传感和化学分析中发现新的应用。

独特的材料性质组合使金刚石成为在广泛应用中研究光物质相互作用的杰出系统。随着成熟的加工和合成程序的出现，光机械电路制造所需的金刚石薄膜基质已经成为可用的。这允许将现有的纳米结构配方移植到这个新的材料平台上。虽然晶片尺度上的大面积基底只可用于多晶金刚石，但实现直径为几毫米的单晶基底的最新进展将使未来集成光机械器件的制造成为可行。通过先进的传输和粘接技术，这样的模板将使高质量的电路组件能够实现与低密度的颜色中心。使用离子植入来实现特定位点的单光子源130,131最终将允许设计出成熟的在单光子水平上运行的金刚石光力学电路。结合目前可在金刚石平台上使用的单光子探测器技术，一个灵活的单光子的产生、检测和操作的框架将在不久的将来出现。这样的平台将允许以相当高的光强度将光力学移植到单光子水平，并在可调谐芯片量子光子学中进一步应用。

审核编辑：符乾江