專利名稱：金剛石光學元件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及金剛石光學元件及制造其的方法。本發(fā)明還涉及用于如磁力測定和量子信息處理的應用的單一光子源的包含高質量單晶金剛石主體(host)材料的光學元件。
背景技術：
過去二十年中，使用和操縱單一光子源用于量子信息處理一直受到很大的關注。在過去十年，金剛石中的光學活性缺陷已經證明是高效和穩(wěn)健的固態(tài)單一光子源，由于長的消相干時間和在室溫下強烈的光學偶極耦合。在金剛石中已經研究了許多光學活性缺陷，包括硅空位(SiV)、鎳與鉻相關缺陷以及帶負電荷的氮空位(NV_)缺陷。該NV-缺陷特別受到大量關注，其原因在于，因其特定的電子結構和因光泵浦的可用性，其自旋態(tài)因極長的相干時間(這可以用橫向弛豫時間T2來量化和比較)而可以高保真地相干操縱。此外，NV—缺陷的電子自旋態(tài)可以通過光子讀出，這是使用該NV_缺陷作為長距離量子通信和可擴展的量子計算的量子位的關鍵因素。該結果使得NV-缺陷成為固態(tài)量子信息處理(QIP)的有競爭力的候選。生產適于量子用途的材料的主要問題是防止量子位消相干，或至少延長系統用于消相干的時間(即延長“消相干時間”)。在如量子計算的應用中長的T2時間是合意的，因為這給予量子門陣列的運行更多時間，并由此能夠進行更復雜的量子計算。WO 2010010344公開了具有高化學純度(即低氮含量)并且其中該金剛石材料的表面已經處理過以盡量減少晶體缺陷的存在的單晶金剛石材料可用于形成包含量子自旋缺陷的固態(tài)系統。其中此類材料用作量子自旋缺陷的主體，在室溫下獲得長的T2時間，并且用于讀/寫到裝置的光躍遷的頻率是穩(wěn)定的。WO 2010010352公開了通過小心地控制使用化學氣相沉積(CVD)法制備金剛石材料的條件，可以提供結合了高化學純度與很高的同位素純度的金剛石材料。通過控制CVD法中使用的材料的化學純度與同位素純度，可以獲得特別適用用作量子自旋缺陷的主體的合成金剛石材料。其中此類材料用作量子自旋缺陷的主體，在室溫下獲得長的T2時間，并且用于讀/寫到裝置的光躍遷的頻率是穩(wěn)定的。公開了合成金剛石材料層，其具有低氮濃度和低13C濃度。該合成金剛石材料層具有非常低的雜質含量和非常低的締合點缺陷含量。此外，該合成金剛石材料層具有低位錯密度、低應變以及足夠接近與生長溫度相關的熱力學值的空位和自間隙濃度，使得該材料的光學吸收基本上是完美的金剛石晶格的光學吸收。鑒于上述情況，顯而易見的是WO 2010010344與WO 2010010352公開了制造高品
質“量子級”單晶金剛石材料的方法。術語“量子級”金剛石在本文中用于適用于利用材料的量子自選性質的應用的金剛石材料。具體而言，該量子級金剛石材料的高純度使得能夠用本領域技術人員已知的光學技術分離單個缺陷中心。一個問題在于來自此類材料中的缺陷的單一光子發(fā)射非常微弱。例如，金剛石中的NV—缺陷甚至在低溫下表現出約0.05的與Debye-Waller因子相關的廣譜發(fā)射。在零聲子線(ZPL)中的單一光子發(fā)射因此極為微弱，通常為每秒約幾千個光子。這樣的計數率對于實現基于在適當的數據采集時間中自旋態(tài)與光躍遷之間耦合的高級QIP規(guī)程來說是不足的。對于金剛石中的其它光子發(fā)射缺陷來說這個問題也很明顯。除了弱發(fā)射的問題外，顯而易見的是，金剛石的高折射率意味著由于內反射，在小的立體角內會收集到非常少的光子。因此，需要提高用于包括磁力測定與量子信息處理的應用的金剛石中單一光子發(fā)射體的光收集。在這方面，WO 2010010344與WO 2010010352均公開了本文中討論的量子級金剛石材料可以具有一個具有宏觀曲率半徑的表面，例如曲率半徑為約10微米至約100微米的透鏡，以收集和聚焦來自量子缺陷中心的光輸出。有人建議，各向同性蝕刻可用于形成宏觀彎曲特征，如透鏡，同時控制或降低表面粗糙度。但是，與更低等級的金剛石相比，單晶量子級金剛石材料的制造困難、耗時且昂貴，特別是對于大的單晶。同樣，形成足夠尺寸的單晶量子級金剛石以便向其中并入光學出光率禹合(out — coupling)結構,如透鏡是困難、耗時且昂貴的。本發(fā)明的特定實施方案的目的是要解決上述問題。發(fā)明概述通過提供制造光學元件的方法，按照本發(fā)明的第一方面已經解決了前述問題，該方法包括:通過使用具有第一氮濃度的氣相的化學氣相沉積技術生長第一單晶金剛石材料層；通過使用具有第二氮濃度的氣相的化學氣相沉積技術在所述第一層上生長第二單晶金剛石材料層，其中該第二氮濃度低于第一氮濃度；由該第二單晶金剛石材料層的至少一部分形成光學元件；和在該光學兀件的表面處形成出光I禹合結構以提高光的出光I禹合，其中使用氮濃度按氮分子計算大于或等于十億分之300份(ppb)且小于或等于百萬分之5份(ppm)的氣相生長該第一單晶金剛石材料層，和其中使用氮濃度按氮分子計算大于或等于0.0Olppb且小于或等于250ppb的氣相
生長該第二層。該第二層還可以使用具有碳源氣體的氣相生長，該碳源氣體以該碳源氣體的總C含量的至少99%的量包含12C。按照本發(fā)明的第二方面，提供一種光學元件，包含:具有第一單一取代氮濃度的單晶金剛石材料的第一部分；耦合到該第一部分上的單晶金剛石材料的第二部分，該第二部分具有低于第一單一取代氮濃度的第二單一取代氮濃度；和在該光學兀件的表面處形成的出光I禹合結構以提高光的出光I禹合，其中該第一部分由具有以下一種或多種的單晶金剛石材料構成:等于或大于30ppb、50ppb、100ppb、200ppb、300ppb、500ppb、700ppb 或 800ppb 的單一取代氮濃度；和等于或大于 0.3ppb、0.5ppb、lppb、2ppb、3ppb、5ppb、7ppb 或 8ppb 的 N[濃度，其中該單晶金剛石材料的第一部分具有以下一種或多種:等于或小于5ppm、2ppm或Ippm的單一取代氮濃度；和等于或小于50ppb、20ppb或IOppb的NV_濃度,和其中該單晶金剛石材料的第二部分由具有以下一種或多種的單晶金剛石材料構成:等于或小于20ppb、IOppb、5ppb、Ippb或0.5ppb的單一取代氮濃度；等于或小于0.15ppb、0.lppb、0.05ppb、0.001ppb、0.0OOlppb 或 0.00005ppb 的 N[濃度；和等于或小于0.9%、0.7%、0.4%、0.1%、0.01% 或 0.001% 的 13C 總濃度?？梢杂帽景l(fā)明的第一方面形成此類光學元件，由按照第一方面生長的單晶金剛石材料的第一和第二層形成該光學器件的第一和第二部分。本發(fā)明的實施方案提供了用于提高進入和離開構成該光學結構的金剛石材料的光學稱合的獨立(free standing)金剛石光學結構。該光學結構可以是例如金剛石透鏡，或更具體為金剛石固體浸沒透鏡(SIL)。按照本發(fā)明的第三方面，提供一種獨立金剛石透鏡，包含至少一部分具有以下一種或多種的單晶金剛石材料:等于或小于20ppb的單一取代氮濃度；和等于或小于0.9%的13C總濃度。按照本發(fā)明的第四方面，提供一種金剛石固體浸沒透鏡(SIL)，其包含至少一部分具有以下一種或多種的單晶金剛石材料:等于或小于20ppb的單一取代氮濃度；和等于或小于0.9%的13C總濃度。該SIL可以構成半球、超半球(super-hemishpere)、缺頂半球、橢圓或非球面形狀。此類金剛石SIL可以使用本發(fā)明的第一方面的方法形成，在此情況下該SIL可以由第二單晶金剛石層單獨形成，或由按照的一方面生長的該第一與第二層來形成。本發(fā)明的實施方案具有廣泛的用途。例如，特定實施方案可用于利用金剛石材料的量子自旋性質的用途，例如在金剛石探測器(例如金剛石磁強計)中。附圖概述為了更好地理解本發(fā)明和顯示如何付諸實踐，現在將參考附圖僅通過舉例來描述本發(fā)明，其中:

圖1顯示了本發(fā)明的一種實施方案，其中通過CVD技術在襯底上生長氮摻雜的單晶金剛石材料的第一層(N摻雜層)，并在第一層上生長高純度單晶金剛石材料的第二層(HP層)。虛線顯示如何通過例如激光切割形成包含第一和第二層的部分的金剛石SIL。在該金剛石SIL的焦點處或焦點附近提供單一光子發(fā)射體。圖2顯示了與圖1類似的布置，但是具有在該金剛石SIL襯底附近排成一行設置的多個單一光子發(fā)射體。圖3顯示了替代性實施方案，其中金剛石S IL完全由高純度單晶金剛石材料的第二層形成。圖4顯示了替代性實施方案，其中由高純度單晶金剛石材料的第二層形成多個金剛石SIL。圖5顯示了替代性實施方案，其中由第一和第二層的一部分形成光學元件，虛線顯示要切入該第一層的衍射光柵。圖6a圖解了不具有金剛石SIL的光子發(fā)射。圖6b圖解了具有金剛石SIL的光子發(fā)射。圖6c圖解了 mr缺陷的原子結構。圖6d顯示了在具有或不具有用作主要收集光纖的金剛石SIL的情況下在金剛石中來自單一光子發(fā)射體的計算收集效率。圖7a顯示了金剛石SIL。圖7b圖解了使用共焦顯微鏡使金剛石SIL中的NV—缺陷成像的實驗設置。圖7c顯示了在NV_缺陷附近的區(qū)域的典型光柵掃描。亮斑顯示單一 NV_缺陷。
圖7d圖解了顯示用波長λ =637納米處的零聲子線的寬發(fā)射的熒光光譜。圖7e圖解了二階自相關函數g(2) ( τ )。圖8圖解了對于穿過金剛石SIL和穿過平坦金剛石表面成像的單NV_缺陷的隨激光功率而改變的背景校正光致發(fā)光(PL)強度。圖9圖解了單NV_缺陷的電子自旋共振。特定實施方案詳述本發(fā)明的特定實施方案提供一種光學元件，其包含至少一部分量子級金剛石材料和在該光學元件表面處的出光耦合結構以便提高來自該量子級金剛石材料的光的出光耦合。該量子級金剛石材料在極低氮環(huán)境和/或極低13C環(huán)境中生長。此外，量子級材料的表面的至少一部分優(yōu)選具有低表面粗糙度。在WO 2010010344和WO 2010010352中詳述了此類材料。但是，此類量子級金剛石材料的生長需要非常小心地控制。此外，低氮含量導致由襯底的低橫向生長。這與在較高氮含量環(huán)境中生長較低品質金剛石(其中金剛石發(fā)生顯著的橫向生長并以更高速率生長)形成對比。同樣，本發(fā)明提出使用多階段生長法，其中在相對高氮含量環(huán)境中生長較低品質的單晶金剛石材料的第一層從而以相對高的生長速率促進橫向生長，接著是其中改變氣相以便在第一層上形成高品質量子級金剛石材料的第二生長階段。相對于單階段法，此方法能夠生長更大體積的量子級金剛石材料。同樣，有可能形成包含更大尺寸的量子級金剛石材料的光學元件，使得可以在光學元件表面處更容易地形成出光耦合結構以提高來自該量子級金剛石材料的光的出光耦合?；蛘?，由于通過本發(fā)明的方法可以實現量子級金剛石材料的橫向尺寸的提高，可以由同一塊量子級材料形成多個光學兀件?？梢栽谛纬稍摴鈱W元件的金剛石體后形成該出光耦合結構，或者其可以作為形成該光學元件的金剛石體的方法的組成部分在形成該光學元件的金剛石體的過程中形成。該出光I禹合結構例如可以在該光學兀件的金剛石表面中形成，即該出光I禹合結構由該光學兀件的金剛石表面一體地形成。出光稱合結構在其上形成的該光學兀件的表面和/或與所述表面相對的該光學元件的表面可以通過下列晶面之一形成:{100} ；{110} ；{111} ; {113}，或充分接近這些平面之一(例如距上述晶面之一小于或等于10°、8°、5°、2°、1°或0.5° )。{111}平面是優(yōu)選的，因為已經發(fā)現該晶向可以提高出光耦合。該出光耦合結構可以包含下列一種或多種:凸表面；微透鏡陣列；固體浸沒透鏡(SIL);多個表面凹痕或納米結構；衍射光柵；菲涅耳透鏡；和涂層，如抗反射涂層。此外，可以設置該出光耦合結構以提高來自高品質單晶金剛石材料的光的出光耦合。例如，該出光耦合結構可以將收集效率提高等于或大于3、4、5、6、7、10或15倍。通過能夠形成更大塊的高品質單晶金剛石材料，本發(fā)明的方法使得該出光耦合結構能夠在聞品質單晶金剛石材料中、在聞品質單晶金剛石材料上或由聞品質單晶金剛石材料更容易地形成。例如，使用本發(fā)明的方法能夠由很高品質的單晶金剛石材料，例如量子級單晶金剛石材料形成固體浸沒透鏡。W02007/007126將單晶金剛石成型為具有光滑表面的SIL0本發(fā)明使得能夠更容易地制造更大的單晶金剛石SIL和/或更高等級單晶金剛石的SIL。
據設想，按照特定實施方案，該光學元件由該第二單晶金剛石材料層單獨形成，而不納入任何較低等級單晶金剛石材料的第一層。在這種情況下，進行第一生長階段以形成較大的襯底，更高品質單晶材料的第二層在其上生長。但是，按照特定優(yōu)選實施方案，該光學元件由第一和第二層的至少一部分形成。在這種情況下，可以在由較低等級單晶金剛石的第一層形成的光學元件的部分中至少部分地形成該出光耦合結構。此類實施方案特別聰明，因為它們使得在形成出光耦合結構過程中除去較少的高等級材料和/或需要較少的高等級材料以形成該光學元件中的出光耦合結構。此類實施方案提供復合金剛石光學元件，包含一部分較高等級的金剛石材料和一部分較低等級的金剛石材料，其中該光學出光耦合結構是一體成型的。這避免了生長大到足以在其表面中形成出光耦合結構的一塊更高品質金剛石材料所需的額外的難度、時間和花費。還避免了除去相當大數量的高等級材料以形成出光耦合結構的需要。該第一層有利地生長至等于或大于0.25暈米、0.5暈米、I暈米、1.25暈米、1.5暈米、2毫米或5毫米的厚度。在第一層生長時，外部晶體形態(tài)可以旋轉45°。也就是說，該單晶金剛石開發(fā)了相對于襯底一側旋轉45°并在該襯底的角附近通過的側面。這種旋轉在本領域是公知的。在該生長階段過程中發(fā)生橫向生長，直到該單晶金剛石全程旋轉，此后未發(fā)生顯著的橫向生長。有利的是，在生長該第二層之前生長第一層至全程旋轉以便在第一生長階段使橫向生長最大化，并由此提高在第二生長階段中在其上生長的更高等級單晶金剛石的尺寸。關于上文清楚的是，相對于使用化學氣相沉積技術在其上生長第一和第二層的襯底的尺寸最大化高品質材料的第二層的橫向尺寸是合意的。這通過改變生長化學條件(growth chemistry)使得利用更高的氮濃度促進橫向CVD金剛石生長并隨后使用較低的氮濃度以形成高品質金剛石層來實現。除了改變生長化學條件之外，還可以選擇襯底幾何形狀以提高CVD金剛石材料尺寸相對于襯底的比。實現該目的的一種特別優(yōu)選的方式是使用生長表面的長寬比為至少1.3:1的單晶金剛石襯底?？梢杂缮L平面具有該長寬比的基底襯底(base substrate)實現提供與起始襯底相比橫向尺寸提高的金剛石材料的CVD生長。例如，該方法可以包括生長單晶金剛石材料，包括:提供呈現出(001)主要表面，該主要表面被至少一條〈100〉邊劃界，該邊的長度以至少1.3:1的比例超過垂直于所述至少一條〈100〉邊的主要表面的任何尺寸；在CVD合成條件下在該金剛石材料表面的(001)主要表面上同質外延地生長金剛石材料，該金剛石材料生長垂直于該主要(001)表面，并由此橫向生長。例如，該襯底可以提供具有邊長a、b (其中a>b)的矩形襯底生長表面，使得該長寬比a/b等于或大于1.3。該第二層有利地具有等于或大于0.1微米、I微米、10微米、100微米、200微米、
500微米或I毫米的厚度。有用的是，生長該第二層至至少這些厚度以便在最終的光學元件中提供足夠大的高品質金剛石材料部分。對某些量子用途而言，該單一光子源有利地位于距第一層的較低等級材料的距離等于或大于0.1微米、I微米、10微米、100微米、200微米或500微米處，因為如果放置得太接近單一光子源的話，較低等級材料中的雜質和缺陷會降低該單一光子源的T2時間。因此，在此類布置中，該第二層優(yōu)選應足夠厚以充分地隔開該單一光子源與該較低等級金剛石材料。一個或多個單一光子發(fā)射體可以生長到第二單晶金剛石材料層中?；蛘?，該方法可以包括在生長后將一個或多個單一光子發(fā)射體插入到該第二單晶金剛石材料層中。又或者，該方法可以包括在該第二層上生長第三層。在這種情況下，一個或多個單一光子發(fā)射體可以布置在該第三層中。前述方法可用于制造包含以下的光學元件:具有第一單一取代氮濃度的單晶金剛石材料的第一部分；耦合到該第一部分上的單晶金剛石材料的第二部分，該第二部分具有低于該第一單一取代氮濃度的第二單一取代氮濃度；和在該光學元件表面處形成的出光耦合結構用于提高光的出光I禹合。該第一和第二部分可以在該光學兀件中形成第一和第二層。該光學兀件優(yōu)選是包含單晶金剛石材料的第一和第二部分與該出光耦合結構的獨立元件?？梢栽谠摴鈱W元件中提供其它部件。例如，可以在與該第一部分相對的第二部分的側面上設置鏡子，如布拉格反射鏡。優(yōu)選地，該 出光耦合結構的至少一部分在較低等級單晶金剛石材料的第一部分中一體地形成。在特定實施方案中，整個出光耦合結構可以在較低等級單晶金剛石材料中形成。該出光耦合結構可以是相對于本發(fā)明第一方面描述的那些的任意一種。對于量子用途而言，較高等級單晶金剛石材料的第二部分由具有以下一種或多種的單晶金剛石材料構成:等于或小于20ppb、IOppb、5ppb、Ippb或0.5ppb的單一取代氮濃度;等于或小于 0.15ppb、0.lppb、0.05ppb、0.001ppb、0.0OOlppb 或0.00005ppb 的 NV^濃度；和等于或小于 0.9%、0.7%、0.4%、0.1%、0.01% 或 0.001% 的 13C 總濃度。該第一部分通常是較低等級的材料，并包含具有等于或大于30ppb、50ppb、100ppb、200ppb、300ppb、500ppb、700ppb或800ppb的單一取代氮濃度和/或等于或大于0.lppb、0.3ppb、0.5ppb、lppb、2ppb、3ppb、5ppb、7ppb 或 8ppb 的 NV_ 濃度的單晶金剛石材料。例如，該第一部分可以具有比第二部分高至少5、10、20、50、100、500、1000或10000倍的單一取代氮濃度。但是，對于光學用途而言，較低等級材料的氮濃度不應當過高以至于在其預期用途中不利地影響該光學元件。因此，單晶金剛石材料的第一部分具有等于或小于5ppm、2ppm或Ippm的單一取代氮濃度和/或等于或小于50ppb、20ppb或IOppb的NV_濃度。較低等級材料的第一部分還將優(yōu)選具有大于0.9%的13C總濃度，最優(yōu)選具有相對于12C的13C的天然同位素豐度。雖然同位素富集材料對量子級材料有利于提高T2時間，但其價格昂貴，因此對于不需要為量子等級的光學元件的其它部分來說可以避免。同樣地，提供在第一和第二部分之間不同的13C濃度是有利的。按照特定實施方案，該單晶金剛石材料的第一部分可以包含如W02004/046427中公開的光學級材料?？梢蕴峁┰摬牧弦源_保該光學元件的良好的光學特性。例如，單晶金剛石材料的第一部分可以具有低且均勻的光學吸收，使得具有至少0.5毫米的指定厚度的樣品在1.06微米的波長下具有等于或小于0.09cm-1或0.0ScnT1的光學吸收系數。該光學兀件優(yōu)選由包括該第一層與第二層的單晶金剛石構成，由此該第一和第二層通過并入該單晶金剛石而耦合在一起。但是，也可以預想，可以形成復合光學元件，其中該第一和第二層是通過范德華力、夾緊裝置或通過布置在該第一和第二層之間的中間粘合劑材料稱合在一起的分離且不同的(distinct)單晶。按照一種特別優(yōu)選的實施方案，該出光耦合結構是由單晶金剛石材料的第一和第二部分形成的凸表面，該第一部分構成球冠，第二部分構成截球形或球缺。此類布置可以形成復合單晶金剛石固體浸沒透鏡(SIL)。對于量子用途而言，本發(fā)明的實施方案的光學元件可以包含一個或多個具有等于或大于0.05毫秒、0.1毫秒、0.3毫秒、0.6毫秒、I毫秒或5毫秒的消相干時間T2的單一光子發(fā)射體。該一個或多個單一光子發(fā)射體可以選自:NV_缺陷、Si相關缺陷；Ni相關缺陷；和Cr相關缺陷。NV_缺陷是優(yōu)選的。自旋缺陷，例如NV_，可以在本領域已知的注入技術中生長或通過注入技術產生。存在幾種與使用除單獨生長之外的注入和退火產生的NV_缺陷相關的區(qū)別特征。這些包括例如在741納米處存在空位中心(GRl )，這是用于制造NV_缺陷的注入路線的副產物。該一個或多個單一光子發(fā)射體可以設置在單晶金剛石材料的第二部分中。任選地，該光學元件可以包含在與第一部分相對側上耦合到該第二部分上的單晶金剛石材料的第三部分。這可以例如通過按照本發(fā)明第一方面的實施方案在該第二層上生長第三層來形成。在這種情況下，該一個或多個單一光子發(fā)射體可以設置在該光學元件中的單晶金剛石材料的第三部分中?！N特別優(yōu)選的布置提供一種金剛石固體浸沒透鏡(SIL)，其包含具有以下的一種或兩種的單晶金剛石材料的至少一部分:等于或小于20ppb的單一取代氮濃度；和等于或小于0.9%的13C總濃度。包含低氮濃度和/或低13C含量的高等級單晶金剛石材料提高了單一光子發(fā)射體的消相干時間。此外，該SIL結構提高了光的出光耦合。同樣，已經發(fā)現這種結構對于量子用途而言是理想的。按照前述復合光學元件，此類SIL還可以包含一部分較低等級的單晶金剛石材料?；蛘?，SIL體可以僅僅或至少大部分或基本上由高等級單晶金剛石材料構成。該金剛石SIL可以用按照本發(fā)明第一方面的方法形成，在這種情況下該SIL可以由第二單晶金剛石層單獨形成，或由按照第一方面生長的第一與第二層形成。用于本發(fā)明的這一方面的材料可以與前文關于本發(fā)明第一方面的方法和本發(fā)明第二方面的復合光學元件所描述的那些材料相同。例如，該SIL可以具有一種或多種下列特性:Ca)該金剛石SIL可以是半球、超半球、缺頂半球、橢圓或非球面形狀；(b)該金剛石SIL 可以包含由下列晶面之一構成的平坦表面:{100} ；{110} ；{111}或{113}，優(yōu)選{111}，或在距前述晶面之一 10°、8°、5°、2°、1°或0.5°內；(c)金剛石SIL的至少一部分可以由具有以下一種或多種的單晶金剛石材料構成:等于或小于15ppb、10ppb或5ppb的單一取代氮濃度；等于或小于0.15ppb、0.lppb、
0.05ppb、0.001ppb、0.0OOlppb 或 0.00005ppb 的 ΝΓ 濃度；和等于或小于 0.7%、0.4%、0.1%、
0.01%或0.001%的13C總濃度；(d)該金剛石SIL可以包含一個或多個具有等于或大于0.05毫秒、0.1毫秒、0.3毫秒、0.6毫秒、I毫秒或5毫秒的消相干時間Τ2的單一光子發(fā)射體，其中該一個或多個單一光子發(fā)射體可以選自:NV_缺陷；Si737納米缺陷；Ni缺陷；Cr缺陷；和Co缺陷；(e)該一個或多個單一光子發(fā)射體可以設置在材料的低N/低13C部分中，并可以位于距金剛石SIL的中心旋轉軸的橫向距離等于或小于30微米、20微米、10微米或5微米處；(f)該金剛石SIL可以進一步包含在其平坦側面上耦合到單晶金剛石所述部分上的單晶金剛石材料層，并且該一個或多個單一光子發(fā)射體可以設置在所述單晶金剛石材料層中。
在固體中的單原子發(fā)射體的光學檢測是包括按需生成單一光子和量子信息處理的新技術的關鍵因素。此類原子發(fā)射體的亮度通常較低，并受它們固有的光物理參數和收集光纖的檢測損耗的限制。類似金屬納米天線和光子線微腔的工程光學元件已經被證明對設計單一光子量子界面至關重要。本發(fā)明提供了新的簡單的方法，使用集成到作為單一摻雜劑主體的金剛石材料中的標準光學元件。例如，通過在量子級單晶金剛石中建構固體浸沒透鏡，單一氮-空位缺陷的收集效率提高了一個數量級。這提供了超越現有的金剛石基單一光子源的增強和基于單自旋的金剛石磁場傳感器的改善的靈敏度。本發(fā)明的實施方案可以提供:可控位置單一缺陷發(fā)射體；在良好環(huán)境中的單一發(fā)射體(即最小化的表面與其它延伸破壞和低點缺陷密度)；以及由這些單一發(fā)射體的改善的光子收集。圖1顯示本發(fā)明的一個實施方案，其中通過CVD技術在襯底12上生長氮摻雜單晶金剛石材料的第一層10(N摻雜層)，并在第一層10上生長高純度單晶金剛石材料的第二層14 (HP層)。虛線顯示如何通過例如激光切割形成包含第一和第二層的部分的金剛石SIL。在該金剛石SIL的焦點處或焦點附近提供單一光子發(fā)射體16。使用多階段CVD生長法生長此類布置。第一生長階段使用向工藝化學中添加氮。這具有下列益處:影響經濟與批量生產的提高的生長速率；提高的橫向生長，充分符合最終結構的幾何形狀；以及減少的與早期階段生長相關的應變和問題。第二生長階段可以在第一生長階段后原位提供，或停止并作為再加工階段再開始，以在氮摻雜層上沉積高純度層。這獲得了層:與使用共焦顯微鏡法解析的單一缺陷一致；符合良好材料性質的金剛石材料，即該單一中心在“優(yōu)異的晶體環(huán)境”中，意味著低應變、低缺陷、低自旋缺陷；和良好的材料性質，使得該單一光子發(fā)射體具有長消相干時間，并且是光譜穩(wěn)定的。關于上文，在第一生長階段后原位提供第二生長階段(而非通過停止并再開始)的優(yōu)點是在生長階段之間提供了平滑的工藝轉換和品質更好的層間界面。在第一生長階段，在CVD反應器中的氣體中的氮含量可以小于5ppm、小于2ppm或小于1.5ppm。CVD反應器氣體中的氮含量可以高于300ppb、優(yōu)選高于400ppb、優(yōu)選高于500ppb、優(yōu)選高于600ppb、優(yōu)選高于700ppb、優(yōu)選高于800ppb、優(yōu)選高于lOOOppb?？梢栽诮饎偸腃VD生產中通過使用多階段生長法控制的其它性質是在不同晶向上的相對生長速率。此類相對生長速率可以用一個參數α來表征，該參數α定義為
權利要求
1.制造光學元件的方法，該方法包括: 通過使用具有第一氮濃度的氣相的化學氣相沉積技術生長第一單晶金剛石材料層； 通過使用具有第二氮濃度的氣相的化學氣相沉積技術在所述第一層上生長第二單晶金剛石材料層，其中該第二氮濃度低于第一氮濃度； 由該第二單晶金剛石材料層的至少一部分形成光學元件；和 在該光學兀件的表面處形成出光I禹合結構以提高光的出光I禹合， 其中使用氮濃度按氮分子計算大于或等于十億分之300份(PPb)且小于或等于百萬分之5份(ppm)的氣相生長該第一單晶金剛石材料層，和 其中使用氮濃度按氮分子計算大于或等于0.0Olppb且小于或等于250ppb的氣相生長該第二層。
2.如權利要求1所述的方法，其中在形成該光學元件后形成該出光耦合結構。
3.如權利要求1或2所述的方法，其中作為形成該光學元件的方法的組成部分在該光學元件形成過程中形成該出光耦合結構。
4.如任一前述權利要求所述的方法,其中該出光稱合結構在該光學兀件的金剛石表面中形成，由此該出光耦合結構可以由該光學元件的該金剛石表面一體地形成。
5.如任一前述權利要求所述的方法，其中該出光耦合結構在其上形成的該光學元件的表面和/或與所述表面相對的該光學元件的表面通過下列晶面之一形成:{100} ；{110}；{111} ; {113}，或距上述晶面之一在 10°、8°、5°、2°、1° 或 0.5° 內。
6.如權利要求5所 述的方法，其中該出光耦合結構在其上形成的該光學元件的表面和/或與所述表面相對的該光學元件的表面通過{111}晶面至10°、8°、5°、2。Λ°或0.5°內形成。
7.如任一前述權利要求所述的方法,其中該出光稱合結構包含下列一種或多種:凸表面；微透鏡陣列；固體浸沒透鏡(SIL);多個表面凹痕或納米結構；衍射光柵；菲涅耳透鏡；和涂層，如抗反射涂層。
8.如任一前述權利要求所述的方法，其中該光學元件由該第二單晶金剛石材料層單獨形成，而不納入任何第一單晶金剛石材料層。
9.如權利要求1至7任一項所述的方法，其中該光學元件由第一和第二層的至少一部分形成。
10.如權利要求9所述的方法，其中在由單晶金剛石的第一層形成的光學元件的部分中至少部分地形成該出光耦合結構。
11.如任一前述權利要求所述的方法，其中該第一層有利地生長至等于或大于0.25毫米、0.5毫米、I毫米、1.25毫米、1.5毫米、2毫米或5毫米的厚度。
12.如任一前述權利要求所述的方法，其中該第一層在具有長寬比為至少1.3:1的生長表面的單晶金剛石襯底上生長。
13.如任一前述權利要求所述的方法，其中該第二層生長至等于或大于0.1微米、I微米、10微米、100微米、200微米、500微米或I毫米的厚度。
14.如任一前述權利要求所述的方法，其中一個或多個單一光子發(fā)射體生長到第二單晶金剛石材料層中。
15.如權利要求1至13任一項所述的方法，進一步包括:在生長后將一個或多個單一光子發(fā)射體插入到該第二單晶金剛石材料層中。
16.如任一前述權利要求所述的方法，其中通過化學氣相沉積技術在該第二層上生長單晶金剛石的第三層。
17.如權利要求16所述的方法,其中一個或多個單一光子發(fā)射體生長到第三單晶金剛石材料層中。
18.如權利要求14至7任一項所述的方法，其中一個或多個單一光子發(fā)射體位于距第一層的距離等于或大于0.1微米、I微米、10微米、100微米、200微米或500微米處。
19.如任一前述權利要求所述的方法，其中該第二層使用具有碳源氣體的氣相生長，該碳源氣體以該碳源氣體的總C含量的至少99%的量包含12C。
20.光學元件，包含: 具有第一單一取代氮濃度的單晶金剛石材料的第一部分； 耦合到該第一部分上的單晶金剛石材料的第二部分，該第二部分具有低于第一單一取代氮濃度的第二單一取代氮 濃度；和 在該光學兀件的表面處形成的出光I禹合結構以提高光的出光I禹合， 其中該第一部分由具有以下一種或多種的單晶金剛石材料構成:等于或大于30ppb、50ppb、100ppb、200ppb、300ppb、500ppb、700ppb 或 800ppb 的單一取代氮濃度；和等于或大于 0.3ppb、0.5ppb、lppb、2ppb、3ppb、5ppb、7ppb 或 8ppb 的 N[濃度， 其中該單晶金剛石材料的第一部分具有以下一種或多種:等于或小于5ppm、2ppm或Ippm的單一取代氮濃度；和等于或小于50ppb、20ppb或IOppb的NV_濃度,和 其中該單晶金剛石材料的第二部分由具有以下一種或多種的單晶金剛石材料構成:等于或小于20ppb、IOppb、5ppb、Ippb或0.5ppb的單一取代氮濃度；等于或小于0.15ppb、0.1ppb、0.05ppb、0.00 Ippb、0.000 Ippb 或 0.00005ppb 的 ΝΓ 濃度；和等于或小于 0.9%、0.7%、0.4%、0.1%、0.01% 或 0.001% 的 13C 總濃度。
21.如權利要求20所述的光學元件，其中該出光耦合結構在該光學元件的金剛石表面中形成，由此該出光耦合結構可以由該光學元件的該金剛石表面一體地形成。
22.如權利要求20所述的光學元件，其中該出光耦合結構的至少一部分在該單晶金剛石材料的第一部分中一體地形成。
23.如權利要求20至22任一項所述的光學元件，其中該出光耦合結構在其上形成的該光學兀件的表面和/或與所述表面相對的該光學兀件的表面通過下列晶面之一形成:{100} ；{110} ；{111} ; {113}，或距上述晶面之一在 10°、8。、5。、2。、1?；?0.5。內。
24.如權利要求23所述的光學元件，其中該出光耦合結構在其上形成的該光學元件的表面和/或與所述表面相對的該光學元件的表面通過{111}晶面至10°、8°、5°、2°、1°或0.5°內形成。
25.如權利要求20至24任一項所述的光學元件，其中該出光耦合結構包含下列一種或多種:凸表面；微透鏡陣列；固體浸沒透鏡(SIL);多個表面凹痕或納米結構；衍射光柵；菲涅耳透鏡；和涂層，如抗反射涂層。
26.如權利要求20至25任一項所述的光學元件，其中該第二層是具有等于或大于0.1微米、I微米、10微米、100微米、200微米、500微米或I毫米的厚度的層。
27.如權利要求20至26任一項所述的光學元件，其中該第一部分具有比第二部分高至少5、10、20、50、100、500、1000或10000倍的單一取代氮濃度。
28.如權利要求20至27任一項所述的光學元件，其中該第一部分具有大于0.9%的13C總濃度。
29.如權利要求28所述的光學元件，其中該第一部分具有相對于12C的13C的天然同位素豐度。
30.如權利要求20至29任一項所述的光學元件，其中該光學元件由包括該第一與第二部分的單晶金剛石構成，由此該第一和第二部分通過并入該單晶金剛石而耦合在一起。
31.如權利要求20至30任一項所述的光學元件，其中該第一和第二部分是通過范德華力、夾緊裝置或通過布置在該第一和第二部分之間的中間粘合劑材料耦合在一起的分離且不同的單晶。
32.如權利要求20至 31任一項所述的光學元件，其中該出光耦合結構是由單晶金剛石材料的第一和第二部分形成的凸表面，該第一部分構成球冠，第二部分構成截球形或球缺。
33.如權利要求32所述的光學元件，其中該光學結構構成固體浸沒透鏡(SIL)。
34.如權利要求33所述的光學元件，其中該SIL構成半球、超半球、缺頂半球、橢圓或非球面形狀。
35.如權利要求20至34任一項所述的光學元件，進一步包含一個或多個具有等于或大于0.05毫秒、0.1毫秒、0.3毫秒、0.6毫秒、I毫秒或5毫秒的消相干時間T2的單一光子發(fā)射體。
36.如權利要求35所述的光學兀件,其中該一個或多個單一光子發(fā)射體選自:附_缺陷；Si相關缺陷；Ni相關缺陷；和Cr相關缺陷。
37.如權利要求20至36任一項所述的光學兀件,其中該一個或多個單一光子發(fā)射體設置在該單晶金剛石材料的第二部分中。
38.如權利要求20至37任一項所述的光學元件，進一步包含在與第一部分相對的側面上耦合到第二部分的單晶金剛石材料的第三部分。
39.如權利要求38所述的光學元件，其中一個或多個單一光子發(fā)射體設置在該第三部分中。
40.如權利要求20至39任一項所述的光學元件，其中該光學元件是獨立光學元件。
41.如權利要求20至40任一項所述的光學元件，其中在第二部分的與第一部分相對的側面上設置布拉格反射鏡。
42.金剛石固體浸沒透鏡(SIL)包含至少一部分具有下列一項或兩項的單晶金剛石材料:等于或小于20ppb的單一取代氮濃度；和等于或小于0.9%的13C總濃度。
43.如權利要求42所述的金剛石SIL，其中該金剛石SIL基本上由所述單晶金剛石材料的部分組成。
44.如權利要求42或43所述的金剛石SIL，其中該金剛石SIL是半球、超半球、缺頂半球、橢圓或非球面形狀。
45.如權利要求42至44任一項所述的金剛石SIL，其中該金剛石SIL包含由下列晶面之一構成的平坦表面:{100} ；{110} ；{111}或{113}，優(yōu)選{111}，或在距前述晶面之一在 10°、8。、5。、2。、1。或 0.5。內。
46.如權利要求45所述的金剛石SIL，其中由{111}晶面至10°、8°、5°、2°、1°或.0.5°內形成該平坦表面。
47.如權利要求42至46任一項所述的金剛石SIL，其中所述單晶金剛石材料的部分具有以下一種或多種:等于或小于15ppb、10ppb或5ppb的單一取代氮濃度；等于或小于.0.15ppb、0.lppb、0.05ppb、0.001ppb、0.0OOlppb 或 0.00005ppb 的 N[濃度；和等于或小于.0.7%、0.4%、0.1%、0.01% 或 0.001% 的 13C 總濃度。
48.如權利要求42至47任一項所述的金剛石SIL,進一步包含一個或多個具有等于或大于0.05毫秒、0.1毫秒、0.3毫秒、0.6毫秒、I毫秒或5毫秒的消相干時間Τ2的單一光子發(fā)射體。
49.如權利要求48所述的金剛石SIL，其中該一個或多個單一光子發(fā)射體選自:NV_缺陷；Si737納米缺陷；Ni缺陷；Cr缺陷；和Co缺陷。
50.如權利要求48或49所述的金剛石SIL，其中該一個或多個單一光子發(fā)射體設置在單晶金剛石材料的所述部分中。
51.如權利要求48至50任一項所述的金剛石SIL,其中至少一個單一光子發(fā)射體位于距該金剛石SIL的中心旋轉軸的橫向距離等于或小于30微米、20微米、10微米或5微米處。
52.如權利要求42至51任一項所述的金剛石SIL，進一步包含在其平坦側面上耦合到單晶金剛石材料的所述部分上的單晶金剛石材料層。
53.如權利要求52所述的金剛石SIL，其中該一個或多個單一光子發(fā)射體設置在單晶金剛石材料的所述層中。
全文摘要
一種制造光學元件的方法，該方法包括通過使用具有第一氮濃度的氣相的化學氣相沉積技術生長第一單晶金剛石材料層；通過使用具有第二氮濃度的氣相的化學氣相沉積技術在所述第一層上生長第二單晶金剛石材料層，其中該第二氮濃度低于第一氮濃度；由該第二單晶金剛石材料層的至少一部分形成光學元件；和在該光學元件的表面處形成出光耦合結構以提高光的出光耦合。
文檔編號B82Y20/00GK103180241SQ201180038128
公開日2013年6月26日 申請日期2011年8月2日 優(yōu)先權日2010年8月4日
發(fā)明者D·J·特維臣, J·M·多德森, M·L·馬卡姆, F·耶勒茲克 申請人:六號元素有限公司, 斯圖加特大學