Pengesan foto litium niobate (LN) filem nipis

Pengesan foto litium niobate (LN) filem nipis

Litium niobate (LN) mempunyai struktur kristal yang unik dan kesan fizikal yang kaya, seperti kesan tak linear, kesan elektro-optik, kesan piroelektrik dan kesan piezoelektrik. Pada masa yang sama, ia mempunyai kelebihan tetingkap ketelusan optik jalur lebar dan kestabilan jangka panjang. Ciri-ciri ini menjadikan LN sebagai platform penting untuk fotonik bersepadu generasi baharu. Dalam peranti optik dan sistem optoelektronik, ciri-ciri LN boleh menyediakan fungsi dan prestasi yang kaya, menggalakkan pembangunan komunikasi optik, pengkomputeran optik dan medan penderiaan optik. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh sifat penyerapan dan penebat litium niobate yang lemah, aplikasi bersepadu litium niobate masih menghadapi masalah pengesanan yang sukar. Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, laporan dalam bidang ini terutamanya termasuk pengesan foto bersepadu pandu gelombang dan pengesan foto heterojunction.
Pengesan foto bersepadu pandu gelombang berdasarkan litium niobate biasanya tertumpu pada jalur C komunikasi optik (1525-1565nm). Dari segi fungsi, LN terutamanya memainkan peranan gelombang berpandu, manakala fungsi pengesanan optoelektronik bergantung terutamanya pada semikonduktor seperti silikon, semikonduktor celah jalur sempit kumpulan III-V, dan bahan dua dimensi. Dalam seni bina sedemikian, cahaya dipancarkan melalui pandu gelombang optik litium niobate dengan kehilangan yang rendah, dan kemudian diserap oleh bahan semikonduktor lain berdasarkan kesan fotoelektrik (seperti fotokonduktiviti atau kesan fotovoltaik) untuk meningkatkan kepekatan pembawa dan menukarnya menjadi isyarat elektrik untuk output. Kelebihannya ialah lebar jalur operasi tinggi (~GHz), voltan operasi rendah, saiz kecil, dan keserasian dengan penyepaduan cip fotonik. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh pemisahan spatial bahan litium niobate dan semikonduktor, walaupun mereka masing-masing melaksanakan fungsi mereka sendiri, LN hanya memainkan peranan dalam membimbing gelombang dan sifat asing yang sangat baik yang lain belum digunakan dengan baik. Bahan semikonduktor hanya memainkan peranan dalam penukaran fotoelektrik dan kekurangan gandingan pelengkap antara satu sama lain, menghasilkan jalur operasi yang agak terhad. Dari segi pelaksanaan khusus, gandingan cahaya dari sumber cahaya ke pandu gelombang optik lithium niobate mengakibatkan kerugian yang ketara dan keperluan proses yang ketat. Di samping itu, kuasa optik sebenar cahaya yang disinari ke saluran peranti semikonduktor di kawasan gandingan adalah sukar untuk ditentukur, yang mengehadkan prestasi pengesanannya.
Yang tradisionalpengesan fotodigunakan untuk aplikasi pengimejan biasanya berdasarkan bahan semikonduktor. Oleh itu, untuk litium niobate, kadar penyerapan cahaya yang rendah dan sifat penebat menjadikannya tidak diragukan lagi tidak digemari oleh penyelidik fotodetektor, dan juga titik yang sukar di lapangan. Walau bagaimanapun, perkembangan teknologi heterojunction dalam beberapa tahun kebelakangan ini telah membawa harapan kepada penyelidikan pengesan foto berasaskan litium niobate. Bahan lain dengan penyerapan cahaya yang kuat atau kekonduksian yang sangat baik boleh disepadukan secara heterogen dengan litium niobate untuk mengimbangi kekurangannya. Pada masa yang sama, ciri piroelektrik yang disebabkan oleh polarisasi spontan litium niobate disebabkan oleh anisotropi strukturnya boleh dikawal dengan menukar kepada haba di bawah penyinaran cahaya, dengan itu mengubah ciri piroelektrik untuk pengesanan optoelektronik. Kesan haba ini mempunyai kelebihan jalur lebar dan pemanduan sendiri, dan boleh dilengkapkan dengan baik dan digabungkan dengan bahan lain. Penggunaan segerak kesan terma dan fotoelektrik telah membuka era baharu untuk pengesan foto berasaskan litium niobate, membolehkan peranti menggabungkan kelebihan kedua-dua kesan. Dan untuk mengimbangi kekurangan dan mencapai penyepaduan pelengkap kelebihan, Ia adalah tempat tumpuan penyelidikan dalam beberapa tahun kebelakangan ini. Di samping itu, penggunaan implantasi ion, kejuruteraan jalur, dan kejuruteraan kecacatan juga merupakan pilihan yang baik untuk menyelesaikan kesukaran mengesan litium niobate. Walau bagaimanapun, disebabkan kesukaran pemprosesan tinggi litium niobate, bidang ini masih menghadapi cabaran besar seperti penyepaduan rendah, peranti dan sistem pengimejan tatasusunan, dan prestasi yang tidak mencukupi, yang mempunyai nilai penyelidikan dan ruang yang hebat.

Rajah 1, menggunakan keadaan tenaga kecacatan dalam celah jalur LN sebagai pusat penderma elektron, pembawa cas percuma dijana dalam jalur pengaliran di bawah pengujaan cahaya yang boleh dilihat. Berbanding dengan pengesan foto LN piroelektrik sebelumnya, yang biasanya terhad kepada kelajuan tindak balas sekitar 100Hz, iniPengesan foto LNmempunyai kelajuan tindak balas yang lebih pantas sehingga 10kHz. Sementara itu, dalam kerja ini, telah ditunjukkan bahawa LN doped ion magnesium boleh mencapai modulasi cahaya luaran dengan tindak balas sehingga 10kHz. Kerja ini menggalakkan penyelidikan tentang prestasi tinggi danpengesan foto LN berkelajuan tinggidalam pembinaan cip fotonik LN bersepadu cip tunggal yang berfungsi sepenuhnya.
Secara ringkasnya, bidang penyelidikan bagipengesan foto litium niobate filem nipismempunyai kepentingan saintifik yang penting dan potensi aplikasi praktikal yang besar. Pada masa hadapan, dengan perkembangan teknologi dan penyelidikan yang mendalam, pengesan foto litium niobate (LN) filem nipis akan berkembang ke arah penyepaduan yang lebih tinggi. Menggabungkan kaedah penyepaduan yang berbeza untuk mencapai prestasi tinggi, tindak balas pantas, dan pengesan foto pengesan litium niobate filem nipis jalur lebar dalam semua aspek akan menjadi kenyataan, yang akan sangat menggalakkan pembangunan integrasi pada cip dan medan penderiaan pintar, dan memberikan lebih banyak kemungkinan untuk aplikasi fotonik generasi baharu.