光子學技術發展加速人造金剛石應用

人造鉆石生產的進步，使新的光子學技術成為了可能，但這些新技術在服務量子應用方面仍然存在許多挑戰。

過去十余年中，受到一系列關鍵技術趨勢和市場需求的推動，許多利用金剛石特殊物理特性的商用、新興光子學技術迎來了重大進展。通過化學氣相沉積（CVD）合成光學質量金剛石的創新，金剛石色心工程，以及用于制造金剛石光學元件和光子結構的技術，使這些進展成為可能。

基于金剛石優異內在特性的光子學應用

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都會呈現出透明的狀態。它具有任何塊狀材料中*高的室溫熱導率（＞銅的5倍），同時具有熱光系數較低。這些特性使金剛石光學元件成為了高功率工業激光應用的理想選擇，包括機械加工、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*硬的物質，它非常堅硬和堅固，因此也非常適合那些需要堅固的光學與紅外組件的國防和安全應用，并且能夠在*挑戰性的環境中發揮作用。光學質量的CVD金剛石有單晶、多晶兩種形式。多晶金剛石的優點是可用于直徑達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，用于*先進的半導體器件制造節點。這項技術的動力是保持摩爾定律的步伐，它嚴重依賴于合成、加工嚴格的光學質量標準的金剛石窗，因為沒有其他光學材料可以在所需的極端激光條件下工作。

在波長短于約1.5 μm時，多晶CVD金剛石中的散射損耗，意味著在該范圍內的大多數應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，盡管一些生產商正在開發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部應變，這種材料不能用于所有光學應用。盡管存在尺寸限制，一些單晶CVD金剛石光子學技術已經被開發出來，比如基于Element Six獨特的低光吸收、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象，將泵浦光束轉換為斯托克斯位移輸出光束，從而擴大了可用激光源的范圍，用于涵蓋紫外到紅外的新應用，包括：材料焊接、3D打印、定向能、激光雷達、遙感和激光導星（LGS）。

金剛石具有*高的拉曼增益系數之一，再加上其導熱性優異，也就成為了展示功率縮放和亮度增強的理想增益介質，包括在1.4-1.8 μm的“人眼安全”光譜區域。而在此范圍內，可用的激光源選擇以往是受到限制的。

通過色心工程化擴展鉆石的應用范圍

雖然金剛石擁有一系列出色的固有光學特性，但它也存在數百種不同的光學活性缺陷（色心）。其中一些對于利用光的量子態和色心的電子自旋特性的技術應用具有重要意義，包括量子通信、量子計算和一系列傳感應用。

特別值得一提的是氮空位（NV）色心——它是金剛石中的一種發光點缺陷，由于能夠在室溫下通過光和射頻場的應用輕松地操縱其量子態，因此金剛石NV色心一直是被深入研究的主題。根據*終應用工藝，人們可以通過兩種方法創建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材料中。另一方面，則需要對單個色心進行*的空間控制，使用氮注入。然后通過高能電子輻照產生晶格空位，晶體在高溫下退火以調動空位與晶體中的氮原子結合，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中心耦合在一起。由于金剛石的化學惰性和缺乏廣泛的市場可用性，人們仍需要投入大量精力和資金來開發這種結構所需的納米制造技術；但近年來，研究人員們已經在這一領域取得了很大進展，包括以波導、柱、腔和盤的形式制造復雜的納米結構，使用各種光刻技術，并采用等離子體和反應離子束進行蝕刻。

實現金剛石量子光子學面臨的未來挑戰

近年來，研究人員們在生產具有高內在光學質量和高質量色心的鉆石方面取得了重大進展，并使許多新的和現有的先進光子學技術成為了可能。

但金剛石應用在量子光子學領域，在成功實現量子信息處理等應用的可擴展芯片之前，仍然存在一些挑戰。其中包括：色心工程的改進和量子比特的魯棒性；制作晶片；與其他光子材料和元件進行混合集成。盡管存在這些挑戰，但當下面向這些領域的研究非常活躍，并且預期在未來幾年將取得實質性進展。

注：本文編譯自Laser Systems Europe發布的文章，作者為Element Six業務開發經理Ian Friel博士，原文標題：New Photonics Technologies Drive Adoption of Synthetic Diamond