基于金剛石優(yōu)異內(nèi)在特性的光子學(xué)應(yīng)用

人造鉆石生產(chǎn)的進(jìn)步，使新的光子學(xué)技術(shù)成為了可能，但這些新技術(shù)在服務(wù)量子應(yīng)用方面仍然存在許多挑戰(zhàn)。

過去十余年中，受到一系列關(guān)鍵技術(shù)趨勢和市場需求的推動(dòng)，許多利用金剛石特殊物理特性的商用、新興光子學(xué)技術(shù)迎來了重大進(jìn)展。通過化學(xué)氣相沉積（CVD）合成光學(xué)質(zhì)量金剛石的創(chuàng)新，金剛石色心工程，以及用于制造金剛石光學(xué)元件和光子結(jié)構(gòu)的技術(shù)，使這些進(jìn)展成為可能。

基于金剛石優(yōu)異內(nèi)在特性的光子學(xué)應(yīng)用

高純度的金剛石，在紫外線到太赫茲乃至更高的頻率范圍內(nèi)都會(huì)呈現(xiàn)出透明的狀態(tài)。它具有任何塊狀材料中最高的室溫?zé)釋?dǎo)率（＞銅的5倍），同時(shí)具有熱光系數(shù)較低。這些特性使金剛石光學(xué)元件成為了高功率工業(yè)激光應(yīng)用的理想選擇，包括機(jī)械加工、焊接和增材制造，它適用于電磁頻譜的許多不同部分。

此外，金剛石是地球上已知最硬的物質(zhì)，它非常堅(jiān)硬和堅(jiān)固，因此也非常適合那些需要堅(jiān)固的光學(xué)與紅外組件的國防和安全應(yīng)用，并且能夠在極具挑戰(zhàn)性的環(huán)境中發(fā)揮作用。 光學(xué)質(zhì)量的CVD金剛石有單晶、多晶兩種形式。多晶金剛石的優(yōu)點(diǎn)是可用于直徑達(dá)135毫米的大尺寸大面積器件。比如，它可以作為高功率10.6 μm CO2激光器的窗口，用于極紫外（EUV）光刻系統(tǒng)，用于最先進(jìn)的半導(dǎo)體器件制造節(jié)點(diǎn)。 這項(xiàng)技術(shù)的動(dòng)力是保持摩爾定律的步伐，它嚴(yán)重依賴于合成、加工嚴(yán)格的光學(xué)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的金剛石窗，因?yàn)闆]有其他光學(xué)材料可以在所需的極端激光條件下工作。

對于工業(yè)激光器，大面積多晶CVD金剛石光學(xué)元件比它們通常取代的ZnSe光學(xué)元件更堅(jiān)固可靠（圖片來源：Element Six）

在波長短于約1.5 μm時(shí)，多晶CVD金剛石中的散射損耗，意味著在該范圍內(nèi)的大多數(shù)應(yīng)用都是使用單晶金剛石來解決的。由于目前可用的金剛石襯底的尺寸限制，單晶金剛石元件的長度通常在5-10mm左右，盡管一些生產(chǎn)商正在開發(fā)非金剛石襯底上的大面積單晶金剛石，但由于其相對較高的內(nèi)部應(yīng)變，這種材料不能用于所有光學(xué)應(yīng)用。 盡管存在尺寸限制，一些單晶CVD金剛石光子學(xué)技術(shù)已經(jīng)被開發(fā)出來，比如基于Element Six獨(dú)特的低光吸收、低雙折射晶體的金剛石拉曼激光器。 這些非線性激光器利用受激拉曼散射現(xiàn)象，將泵浦光束轉(zhuǎn)換為斯托克斯位移輸出光束，從而擴(kuò)大了可用激光源的范圍，用于涵蓋紫外到紅外的新應(yīng)用，包括：材料焊接、3D打印、定向能、激光雷達(dá)、遙感和激光導(dǎo)星（LGS）。

金剛石具有最高的拉曼增益系數(shù)之一，再加上其導(dǎo)熱性優(yōu)異，也就成為了展示功率縮放和亮度增強(qiáng)的理想增益介質(zhì)，包括在1.4-1.8 μm的“人眼安全”光譜區(qū)域。而在此范圍內(nèi)，可用的激光源選擇以往是受到限制的。

通過色心工程化擴(kuò)展鉆石的應(yīng)用范圍

雖然金剛石擁有一系列出色的固有光學(xué)特性，但它也存在數(shù)百種不同的光學(xué)活性缺陷（色心）。其中一些對于利用光的量子態(tài)和色心的電子自旋特性的技術(shù)應(yīng)用具有重要意義，包括量子通信、量子計(jì)算和一系列傳感應(yīng)用。

特別值得一提的是氮空位（NV）色心——它是金剛石中的一種發(fā)光點(diǎn)缺陷，由于能夠在室溫下通過光和射頻場的應(yīng)用輕松地操縱其量子態(tài)，因此金剛石NV色心一直是被深入研究的主題。 根據(jù)最終應(yīng)用工藝，人們可以通過兩種方法創(chuàng)建NV色心。一是通過在CVD生長過程中控制氮的摻入，使氮原子以所需的濃度分布在整個(gè)材料中。另一方面，則需要對單個(gè)色心進(jìn)行精確的空間控制，使用氮注入。然后通過高能電子輻照產(chǎn)生晶格空位，晶體在高溫下退火以調(diào)動(dòng)空位與晶體中的氮原子結(jié)合，從而形成NV色心。類似的方法可以用來形成其他定制的色心，如硅空位（SiV）或鍺空位（GeV）中心。

對于量子信息處理，則需要色心陣列——既可以控制其量子特性，又可以通過光子腔有效地將單個(gè)中心耦合在一起。由于金剛石的化學(xué)惰性和缺乏廣泛的市場可用性，人們?nèi)孕枰度氪罅烤唾Y金來開發(fā)這種結(jié)構(gòu)所需的納米制造技術(shù)；但近年來，研究人員們已經(jīng)在這一領(lǐng)域取得了很大進(jìn)展，包括以波導(dǎo)、柱、腔和盤的形式制造復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)，使用各種光刻技術(shù)，并采用等離子體和反應(yīng)離子束進(jìn)行蝕刻。

實(shí)現(xiàn)金剛石量子光子學(xué)面臨的未來挑戰(zhàn)

近年來，研究人員們在生產(chǎn)具有高內(nèi)在光學(xué)質(zhì)量和高質(zhì)量色心的鉆石方面取得了重大進(jìn)展，并使許多新的和現(xiàn)有的先進(jìn)光子學(xué)技術(shù)成為了可能。

但金剛石應(yīng)用在量子光子學(xué)領(lǐng)域，在成功實(shí)現(xiàn)量子信息處理等應(yīng)用的可擴(kuò)展芯片之前，仍然存在一些挑戰(zhàn)。其中包括：色心工程的改進(jìn)和量子比特的魯棒性；制作晶片；與其他光子材料和元件進(jìn)行混合集成。盡管存在這些挑戰(zhàn)，但當(dāng)下面向這些領(lǐng)域的研究非?；钴S，并且預(yù)期在未來幾年將取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。