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 tingkap ketelusan optik jalur lebar dan kestabilan jangka panjang. Ciri-ciri ini menjadikan LN platform penting untuk generasi baharu fotonik bersepadu. Dalam peranti optik dan sistem optoelektronik, ciri-ciri LN boleh memberikan 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 beberapa tahun kebelakangan ini, laporan dalam bidang ini terutamanya merangkumi pengesan foto bersepadu pandu gelombang dan pengesan foto heterojunction.
Pengesan foto bersepadu pandu gelombang berasaskan litium niobate biasanya tertumpu pada jalur-C komunikasi optik (1525-1565nm). Dari segi fungsi, LN terutamanya memainkan peranan sebagai gelombang berpandu, manakala fungsi pengesanan optoelektronik terutamanya bergantung pada semikonduktor seperti silikon, semikonduktor jurang 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 menukarkannya kepada isyarat elektrik untuk output. Kelebihannya ialah lebar jalur operasi yang tinggi (~GHz), voltan operasi yang rendah, saiz yang kecil, dan keserasian dengan penyepaduan cip fotonik. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh pemisahan ruang bahan litium niobate dan semikonduktor, walaupun setiap satu menjalankan fungsi mereka sendiri, LN hanya memainkan peranan dalam membimbing gelombang dan sifat asing cemerlang yang lain belum digunakan dengan baik. Bahan semikonduktor hanya memainkan peranan dalam penukaran fotoelektrik dan kekurangan gandingan pelengkap antara satu sama lain, mengakibatkan jalur operasi yang agak terhad. Dari segi pelaksanaan khusus, gandingan cahaya dari sumber cahaya ke pandu gelombang optik litium niobate mengakibatkan kehilangan 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 dikalibrasi, yang mengehadkan prestasi pengesanannya.
Tradisionalpengesan fotodigunakan untuk aplikasi pengimejan biasanya berdasarkan bahan semikonduktor. Oleh itu, bagi litium niobate, kadar penyerapan cahaya yang rendah dan sifat penebatnya menjadikannya tidak digemari oleh penyelidik fotodetektor, malah menjadi titik sukar dalam bidang ini. Walau bagaimanapun, perkembangan teknologi heterojunction dalam beberapa tahun kebelakangan ini telah membawa harapan kepada penyelidikan fotodetektor 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-ciri piroelektrik yang disebabkan oleh polarisasi spontan bagi litium niobate disebabkan oleh anisotropi strukturnya boleh dikawal dengan menukar kepada haba di bawah penyinaran cahaya, sekali gus mengubah ciri-ciri piroelektrik untuk pengesanan optoelektronik. Kesan haba ini mempunyai kelebihan jalur lebar dan pemanduan kendiri, dan boleh dilengkapkan dan digabungkan dengan bahan lain. Penggunaan segerak kesan haba dan fotoelektrik telah membuka era baharu untuk fotodetektor berasaskan litium niobate, membolehkan peranti menggabungkan kelebihan kedua-dua kesan tersebut. Dan untuk menampung kekurangan dan mencapai penyepaduan kelebihan yang saling melengkapi, ia merupakan titik 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 oleh kesukaran pemprosesan litium niobate yang tinggi, bidang ini masih menghadapi cabaran besar seperti integrasi yang 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 jurang jalur LN sebagai pusat penderma elektron, pembawa cas bebas dijana dalam jalur konduksi di bawah pengujaan cahaya nampak. 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 kajian ini, telah ditunjukkan bahawa LN yang didop ion magnesium boleh mencapai modulasi cahaya luaran dengan tindak balas sehingga 10kHz. Kajian ini menggalakkan penyelidikan tentang prestasi tinggi danfotodetektor LN berkelajuan tinggidalam pembinaan cip fotonik LN bersepadu cip tunggal yang berfungsi sepenuhnya.
Secara ringkasnya, bidang penyelidikanpengesan foto litium niobate filem nipismempunyai kepentingan saintifik yang penting dan potensi aplikasi praktikal yang sangat besar. Pada masa hadapan, dengan perkembangan teknologi dan pendalaman penyelidikan, pengesan foto litium niobate (LN) filem nipis akan berkembang ke arah integrasi yang lebih tinggi. Menggabungkan kaedah integrasi yang berbeza untuk mencapai prestasi tinggi, tindak balas pantas dan foto pengesan litium niobate filem nipis jalur lebar dalam semua aspek akan menjadi kenyataan, yang akan sangat menggalakkan pembangunan integrasi atas cip dan medan penderiaan pintar, dan menyediakan lebih banyak kemungkinan untuk generasi baharu aplikasi fotonik.