Film tipis lithium niobate (ln) fotodetector

Film tipis lithium niobate (ln) fotodetector

Lithium niobate (LN) memiliki struktur kristal yang unik dan efek fisik yang kaya, seperti efek nonlinier, efek elektro-optik, efek piroelektrik, dan efek piezoelektrik. Pada saat yang sama, ia memiliki keunggulan jendela transparansi optik wideband dan stabilitas jangka panjang. Karakteristik ini menjadikan Platform penting untuk generasi baru fotonik terintegrasi. Dalam perangkat optik dan sistem optoelektronik, karakteristik LN dapat memberikan fungsi dan kinerja yang kaya, mempromosikan pengembangan komunikasi optik, komputasi optik, dan bidang penginderaan optik. Namun, karena sifat penyerapan dan isolasi yang lemah dari lithium niobate, aplikasi terintegrasi lithium niobate masih menghadapi masalah deteksi yang sulit. Dalam beberapa tahun terakhir, laporan dalam bidang ini terutama termasuk fotodetektor terintegrasi Waveguide dan heterojunction fotodetectors.
Fotodetektor terintegrasi Waveguide berdasarkan lithium niobate biasanya difokuskan pada komunikasi optik C-band (1525-1565nm). Dalam hal fungsi, LN terutama memainkan peran gelombang terpandu, sedangkan fungsi deteksi optoelektronik terutama bergantung pada semikonduktor seperti silikon, semikonduktor bandgap sempit III-V, dan bahan dua dimensi. Dalam arsitektur seperti itu, cahaya ditransmisikan melalui pandu gelombang optik lithium niobate dengan kehilangan rendah, dan kemudian diserap oleh bahan semikonduktor lain berdasarkan efek fotolektrik (seperti fotokonduktivitas atau efek fotovoltaik) untuk meningkatkan konsentrasi pembawa dan mengubahnya menjadi sinyal listrik untuk output. Keuntungannya adalah bandwidth operasi tinggi (~ GHz), tegangan operasi rendah, ukuran kecil, dan kompatibilitas dengan integrasi chip fotonik. Namun, karena pemisahan spasial bahan lithium niobate dan semikonduktor, meskipun mereka masing -masing melakukan fungsi mereka sendiri, LN hanya memainkan peran dalam memandu gelombang dan sifat asing yang sangat baik lainnya belum digunakan dengan baik. Bahan semikonduktor hanya berperan dalam konversi fotoelektrik dan tidak memiliki penggabungan yang saling melengkapi satu sama lain, menghasilkan pita operasi yang relatif terbatas. Dalam hal implementasi spesifik, penggabungan cahaya dari sumber cahaya ke lithium niobate optical waveguide menghasilkan kerugian yang signifikan dan persyaratan proses yang ketat. Selain itu, daya optik aktual cahaya yang diiradiasi ke saluran perangkat semikonduktor di daerah kopling sulit dikalibrasi, yang membatasi kinerja deteksi.
TradisionalfotodetektorDigunakan untuk aplikasi pencitraan biasanya didasarkan pada bahan semikonduktor. Oleh karena itu, untuk lithium niobate, laju penyerapan cahaya yang rendah dan sifat isolasi membuatnya tidak diragukan lagi tidak disukai oleh para peneliti fotodetektor, dan bahkan titik sulit di lapangan. Namun, pengembangan teknologi heterojunction dalam beberapa tahun terakhir telah membawa harapan untuk penelitian fotodetektor berbasis lithium niobate. Bahan lain dengan penyerapan cahaya yang kuat atau konduktivitas yang sangat baik dapat diintegrasikan secara heterogen dengan lithium niobate untuk mengimbangi kekurangannya. Pada saat yang sama, polarisasi spontan menginduksi karakteristik piroelektrik lithium niobate karena anisotropi strukturalnya dapat dikontrol dengan mengonversi menjadi panas di bawah iradiasi cahaya, sehingga mengubah karakteristik piroelektrik untuk deteksi optoelektronik. Efek termal ini memiliki keunggulan wideband dan mengemudi sendiri, dan dapat dilengkapi dengan baik dan menyatu dengan bahan lainnya. Pemanfaatan sinkron efek termal dan fotolektrik telah membuka era baru untuk fotodetektor berbasis lithium niobate, yang memungkinkan perangkat untuk menggabungkan keunggulan kedua efek tersebut. Dan untuk menebus kekurangan dan mencapai integrasi keuntungan yang saling melengkapi, ini adalah hotspot penelitian dalam beberapa tahun terakhir. Selain itu, pemanfaatan implantasi ion, rekayasa pita, dan rekayasa cacat juga merupakan pilihan yang baik untuk menyelesaikan kesulitan mendeteksi lithium niobate. Namun, karena kesulitan pemrosesan yang tinggi dari lithium niobate, bidang ini masih menghadapi tantangan besar seperti integrasi rendah, perangkat pencitraan array dan sistem, dan kinerja yang tidak memadai, yang memiliki nilai penelitian dan ruang yang hebat.

Gambar 1, menggunakan keadaan energi cacat dalam pita LN sebagai pusat donor elektron, pembawa muatan bebas dihasilkan dalam pita konduksi di bawah eksitasi cahaya yang terlihat. Dibandingkan dengan fotodetektor LN piroelektrik sebelumnya, yang biasanya terbatas pada kecepatan respons sekitar 100Hz, iniLn Photodetectormemiliki kecepatan respons yang lebih cepat hingga 10kHz. Sementara itu, dalam karya ini, ditunjukkan bahwa ion magnesium yang didoping LN dapat mencapai modulasi cahaya eksternal dengan respons hingga 10kHz. Pekerjaan ini mempromosikan penelitian tentang kinerja tinggi danFotodetektor LN berkecepatan tinggiDalam konstruksi chip fotonik LN chip tunggal yang berfungsi penuh.
Singkatnya, bidang penelitianFilm tipis lithium niobate photodetectorsmemiliki signifikansi ilmiah yang penting dan potensi aplikasi praktis yang sangat besar. Di masa depan, dengan pengembangan teknologi dan pendalaman penelitian, film tipis lithium niobate (LN) fotodetektor akan berkembang menuju integrasi yang lebih tinggi. Menggabungkan metode integrasi yang berbeda untuk mencapai kinerja tinggi, respons cepat, dan film fotodetektor lithium niobate film tipis dalam semua aspek akan menjadi kenyataan, yang akan sangat mempromosikan pengembangan integrasi on-chip dan bidang penginderaan yang cerdas, dan memberikan lebih banyak kemungkinan untuk mereka Generasi baru aplikasi fotonik.