金刚石因其优异的光学特性和色心发射器，被广泛应用于光子器件领域。金刚石光学谐振器是一种微纳米光学结构，基于有限模体积内的光-物质相互作用增强，能够将金刚石色心的发射与谐振器的增强效应相结合，有选择性地增强色心的发射，用于在光子电路中提供稳定且强度充足的光学信号。近年来，金刚石微纳加工技术的发展推动了金刚石光学谐振器的研究和应用。
据麦姆斯咨询报道，针对该领域研究，北京科技大学李成明教授团队在《固体电子学研究与进展》期刊上发表了题为“金刚石色心调控及光学谐振器的研究进展”的综述文章，概述了金刚石的基本性质、合成与加工方法，介绍了金刚石色心的生成以及其与光学谐振器的耦合原理，重点梳理了三种不同类型的金刚石光学谐振器的研究进展，并对未来金刚石光学谐振器的发展进行了展望。
金刚石材料及加工
按照金刚石生长的晶粒形态类型，可将金刚石分为多晶金刚石（PCD）、单晶金刚石（SCD）和纳米金刚石（ND），其中多晶与单晶金刚石按照厚度分为膜（数百纳米到几微米范围）与块体。单晶金刚石对光的吸收、散射造成的损耗最低，性能最为优异，是目前最先进的研究平台。
金刚石的合成方法包括高温高压法（HPHT）与化学气相沉积法（CVD）。用于金刚石光学谐振器加工的方法包括电子束光刻（EBL）、聚焦离子束（FIB）铣削、反应离子刻蚀（RIE）、湿法刻蚀（Wet etching）等。
单晶金刚石膜的获得有两种方式：一是直接在衬底上外延后剥离，二是从块体金刚石表面切割。在块体单晶金刚石中直接加工微结构有望实现最好的性能，但金刚石硬度较高，对加工工艺具有挑战性。块体单晶金刚石的加工工序较为复杂，其中最重要的工艺研究集中于金刚石反应离子刻蚀。为了实现金刚石波导结构与外部的折射率差异带来的更强的光场约束，可以使用准各向同性刻蚀或者角刻蚀等方法制造底切结构。准各向同性刻蚀已被用于金刚石微盘结构的加工，而角刻蚀则包括法拉第笼角刻蚀与倾斜衬底的反应离子角刻蚀，是最先进的金刚石微纳加工技术之一。
金刚石色心工程
金刚石中的色心是晶体中存在的一种具有光学活性的点缺陷结构，由空位和杂质原子组成。金刚石具有光学跃迁的色心在光学领域已被广泛研究，如氮-空位（NV）色心与IV族元素色心（SiV、GeV、SnV）。一些具有潜在优良特性的色心，如镍氮色心NE8和铬相关色心也已经开始引起关注但尚未被应用。目前，在量子方面应用的金刚石色心的研究重点在于关注控制色心的密度、电荷状态、横向与纵向空间分布、方向等方面，金刚石色心的良好发射特性需要在加工过程中得到保持。
图1 （a）金刚石晶格中的NV色心示意图；（b）室温下NV色心的PL光谱；（c）金刚石中NV⁻色心的能级图；（d）IV族色心原子结构示意图；（e）IV族色心的PL光谱示意图；（f）IV族色心零和非零外部磁场内杂质双空位色心的能量结构
通常，金刚石的色心可以通过生长过程掺杂、离子注入、辐照等方法生成。金刚石色心的品质也是各类研究关注的重点，在单光子源的应用方面，色心的调控主要包括对色心位置的精确定位（平面和深度位置）、密度的调节、电荷态的控制。添加色心是制造金刚石光子器件的重要步骤，按照加入色心的顺序主要有两种：第一种是预先在金刚石表面寻找并定位单个符合需要的色心，然后在其周围加工光子结构；第二种是在制造完成的光子结构中定位离子注入生成色心。
光学谐振腔原理
当金刚石色心处于激发状态时会产生各个方向的受激发射，将色心的发射光与光学谐振腔耦合可调控色心发射方向，使其状态可控，这需要发射器有高发射率与高光谱稳定性，且需要尽可能减少不均匀展宽与零声子线（ZPL）发射频率在发射器之间的变化。
当发射器存在于金刚石微腔内部，可以直接实现发射器与腔的相互作用。金刚石微腔内的色心应尽量处于横截面色心位置。对于一些金刚石作为互补材料的混合结构，色心的发射将通过金刚石与微腔界面的倏逝场耦合到光腔中。与金刚石集成的材料包括GaP、SiO₂、Si₃N₄、SiC、Ta₂O₅等。混合结构中的金刚石色心应尽量接近金刚石与微腔的表面，微腔的侧壁粗糙度也应当尽可能降低以减少损耗。
通常，金刚石色心PL发射只有一小部分是通过ZPL跃迁发射的，且色心的ZPL波长与微腔并不匹配，需要通过调谐在腔内实现色心发射增强，这需要利用Purcell效应。Purcell效应能够用于在量子网络中快速高效地生成单光子。
金刚石光学谐振器研究进展
典型的光学谐振器包括三种结构：回音壁模式（WGM）、光子晶体腔（PCC）、法布里-珀罗（Fabry-Pérot）开放腔。近年来，金刚石已被相继用于这三种光学谐振器的研制并取得了一系列成果。
WGM模式概念最早由瑞利提出，该模式的光学谐振器主要包括微环、微盘、微球等结构。腔内折射率高于外部折射率，使得内部的光受到全反射限制，在内部沿着边界传播形成驻波。不含色心的金刚石WGM结构中展示了非线性光学现象。例如用微环谐振器制作的片上拉曼激光器、滤波器等波导器件，而含有色心的WGM中能够实现Purcell增强。目前，研究人员在混合结构金刚石WGM与全金刚石结构WGM方面取得诸多进展。
图2 （a）含有单个NV的单晶金刚石微环谐振器SEM图像；（b）单晶金刚石微环的光谱特性；（c）GaP-金刚石混合结构WGM原理示意图；（d）GaP-金刚石混合结构成品器件的SEM图像；（e）单波导耦合ZPL的PL发射
图3 块体单晶金刚石微WGM：（a）加工过程示意图；（b）表征示意图；（c）、（d）PL光谱
光子晶体是一种光束约束结构，应用于专门制造的周期介质波导，通常由周期性排列或薄膜层中的孔或杆阵列组成，能够调节工程设计光学元件的振幅、相位和偏振响应的空间分布。金刚石光子晶体包括一维纳米束腔（1D PCC）和二维平板腔（2D PCC）。与WGM类似，PCC也可分为混合结构与全金刚石结构。
图4 （a）1D PCC加工过程；（b）加工获得的1D PCC的SEM图像；（c）当空腔模式为非共振（绿色）和共振（黑色）时NV色心的寿命测量；（d）使用EBL与干法刻蚀的加工过程；（e）转移到沟槽硅衬底上的单晶1D PCC；（f）接近738 nm处特征SiV色心发射峰的光学腔模式的1D PCC的PL光谱
图5 （a）具有单个SiV色心和定位标记的金刚石膜的荧光扫描与在SiV色心位置（相同的样品区域）对M1腔进行图形化前后的SEM图像；（b）2D PCC的加工过程；（c）耦合到M1腔模式的光谱分辨Purcell增强NV发射；（d）Si离子注入生成SiV的产量与注入剂量、能量的关系；（e）PL光谱中观察到638 nm左右的NV-ZPL谱线
Fabry‐Pérot（FP）型光学谐振器是由两个具有高反射率的反射镜间隔一定距离平行放置形成的腔体结构，工作时内部为驻波模式。腔两端的反射镜通常由多层高折射率与低折射率交替薄膜材料组成，具有多个周期性排列的层结构可称为分布式布拉格反射镜（DBR）。相比于能够实现片上集成的纳米光子结构，FP属于单独安装的可机械调谐设备。FP型微腔结构中特定频率的光能够形成稳定谐振，其中激发光通过光纤反射镜传输到腔体，其优势在于微观结构的精确定位对准、极小的模体积，以及色心发出的光能够通过改变腔长度与光纤进行耦合实现共振调谐。
图6 （a）嵌入开放Fabry-Pérot腔中的金刚石膜示意图；（b）Ta₂O₅与SiO₂组成的DBR结构上的金刚石膜的键合过程；（c）室温下单个NV色心的PL光谱；（d）532 nm激发、4 K温度下记录的腔模式结构；（e）脉冲激励下ZPL的PL衰减曲线与腔长失谐的函数关系；（f）腔失谐扫描
结语
综上所述，光学谐振器在增强金刚石色心的光子自旋特性上有明显的优势，其发展趋势主要体现在以下三方面：
（1）在材料制备方面，需要合成高品质的CVD单晶金刚石作为工艺基础。需要在金刚石维持晶格环境质量的基础上精确定位色心的位置，以获得高亮度、长寿命的单光子源。在CVD生长过程掺杂与低能离子注入是最重要的两种方法。
（2）在器件加工方面，对WGM与PCC而言，以EBL、RIE为主的微纳加工工艺是主要突破口，其目的是制造高精度、低表面粗糙度的微纳结构。金刚石膜转移到其它材料衬底上实现设备的可扩展性，有望在加工过程的改进下进一步提升性能。目前最前沿的器件进展来自块体全金刚石的光学谐振器，尤其是1D PCC，其中带有SiV的1D PCC已经成功被用于量子网络构建的实验，在量子通信技术的突破上有重要意义。对于FP腔，制造微米级厚度、低表面粗糙度单晶金刚石膜及其键合技术是优化的主要方面。
（3）在系统集成方面，金刚石光学谐振器可与其它模块联合，形成光子电路。为了构建更高效的量子网络，金刚石光学谐振器作为一种光子器件能够在光子电路的系统互联中发挥重要作用。除了解决器件光子信号的非均匀展宽和腔内自旋调控之外，扩大信号传输网络的规模也是未来发展的趋势。
论文信息：
DOI: 10.12450/j.gtdzx.2024.02.001
