關鍵詞：金剛石器件，光電元器件，奈米光子學
摘要
金剛石提供了優越的光學和機械材料效能，使其成為實現整合光機械電路的主要候選材料。由於金剛石襯底尺寸成熟，高效的奈米結構方法可以實現全面的整合器件。在此，我們回顧了由多晶和單晶金剛石製造的光學和力學諧振器。我們提出了與實現光機械器件相關的相關材料效能，並將其與其他材料系統進行了比較。我們提供了金剛石整合光力學電路的概況，並提出了光學讀出機制和驅動透過光學或靜電力，迄今已實現。透過將金剛石奈米光子電路與超導奈米線結合，可以在這些晶片上有效地檢測到單光子，並概述了未來如何在該平臺上實現單光子光機械電路。
金剛石的光學和力學效能
光學性質：對於整合光力學中的應用，合適材料的光學和力學效能大多是相關的。光子器件的有效波導需要最重要的是在感興趣的光譜區域的光學透明度。對於波導，這特別需要引導層以及周圍的光學緩衝層的透明度。除了光學透明性之外，相對於周圍材料的高折射率對比度對於奈米光子元件是必要的。除了在傳統波導器件中的應用之外，高質量的金剛石層也很有吸引力，因為它有可能在主體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射特性而備受關注。
機械效能：對於為整合光力學選擇最佳材料，進一步的約束是要求優異的機械效能。金剛石提供了一個非常大的楊氏模量，它直接轉化為高機械共振頻率。這些對於奈米機械諧振器來說很重要，因為高頻操作允許在環境條件下使用該裝置，而不會受到顯著的空氣阻尼。這與感測器件的實現尤其相關。金剛石還提供了所有材料中最高的聲速，這對於高頻表面聲波(SAW)裝置的實現非常重要。此外，金剛石是一種低損耗的機械材料。在矽等材料中，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熱率有關。
多晶與單晶金剛石： 當在金剛石中實現光子電路時，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。雖然當金剛石不是單一的而是多晶的時，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範圍和熱導率降低了，這主要是由於晶界結合了SP2-碳和比大塊金剛石更大量的摻雜劑。
金剛石整合光學電路
1.波導是最簡單但也是最重要的構件
2.光纖到晶片耦合器允許將光傳入和傳出波導，並將它們連線到晶片外元件，例如光源或檢測器，該耦合器或者透過對接耦合到拋光波導的刻面而在平面內實現，或者透過光柵結構實現，該光柵結構能夠在平面外訪問波導。
3.光學諧振器或腔，例如圓盤諧振器、環形諧振器。
4.晶片內干涉儀，這有助於將相位變化轉換為強度變化，並找到基於晶片的感測器和調製器的應用。
單晶光子成分 略
金剛石奈米機械諧振器 略
金剛石整合光學力學
金剛石光機械電路的製造：圖中描述了用多晶金剛石薄膜製備金剛石光機械電路的一般工藝流程。 7.對於這種光力學應用，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，透過等離子體增強CVD，在標準矽片上2000nm的氧化矽上生長，如圖所示。7
機械運動的片上讀出：在晶片干涉儀上， 如圖所示。8a，是整合光學測量中有用的構建模組，以允許相位敏感測量。整合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期的包絡。
用光學力驅動機械運動：所描述的光力允許操縱整合機械諧振器純粹透過使用泵探頭測量方案演示的光的機械諧振器：從一個鐳射器所選波長的光強度在MHz-GHz範圍內的給定頻率被調製。這種調製強度導致調製光力，從而驅動諧振器的機械運動。一種不同波長的弱連續波鐳射器，然後利用泵浦光來檢測運動（探頭）。光譜濾波確保只有調製的探測光被探測到，而泵浦光要弱一個數量級，因此可以被忽略。
光學解耦的奈米機械諧振器：在同一波導中使用光力來相干驅動機械運動是一個優雅的概念，但它需要使用高消光比的光濾光器來分離泵浦和探測光，避免串擾。避免這種情況的一種方法是將驅動力的機制從讀出的訊號中分離出來，例如透過使用二維光子晶體(PhC)。圖中。5(iv)，顯示了這種PhC鏡的實現，它透過光學隔離了機械諧振器的兩側。
透過片上電極驅動機械運動：H諧振器設計的PhC反射鏡允許光學分離機械諧振器的兩個臂，使得一側可以用於實現驅動機械運動的機構，而另一側與光學讀出機構介面。
結論
本文總結了單晶和多晶金剛石襯底上單晶積分光學和機械元件的研究結果。由於優異的光學力學效能是一種自然的選擇，金剛石的光學和力學效能。這兩種機制的最新進展已經導致質量因子超過100萬的光學和機械諧振器器件的展示，作為邁向應用驅動電路元件的有希望的一步。由於金剛石也可以提供低吸收和非常高的導熱性，金剛石整合光機械器件也有在高功率狀態下執行的前景。這可能有利於高精度讀出奈米機械運動，以及在晶片上實現非線性光機械系統。由於金剛石提供了非常寬的光學透明度，目前尚未探索的中長紅外光譜區域的操作機制成為可用於整合的光機械電路。特別是在重要的指紋光譜區域的感測和計量方面，金剛石光機械器件可能在質量感測和化學分析中發現新的應用。
獨特的材料性質組合使金剛石成為在廣泛應用中研究光物質相互作用的傑出系統。隨著成熟的加工和合成程式的出現，光機械電路製造所需的金剛石薄膜基質已經成為可用的。這允許將現有的奈米結構配方移植到這個新的材料平臺上。雖然晶片尺度上的大面積基底只可用於多晶金剛石，但實現直徑為幾毫米的單晶基底的最新進展將使未來整合光機械器件的製造成為可行。透過先進的傳輸和粘接技術，這樣的模板將使高質量的電路元件能夠實現與低密度的顏色中心。使用離子植入來實現特定位點的單光子源130,131最終將允許設計出成熟的在單光子水平上執行的金剛石光力學電路。結合目前可在金剛石平臺上使用的單光子探測器技術，一個靈活的單光子的產生、檢測和操作的框架將在不久的將來出現。這樣的平臺將允許以相當高的光強度將光力學移植到單光子水平，並在可調諧晶片量子光子學中進一步應用。
