Manipis na pelikulang lithium niobate (LN) photodetector

Manipis na pelikulang lithium niobate (LN) photodetector

Ang Lithium niobate (LN) ay may natatanging istrukturang kristal at mayamang pisikal na epekto, tulad ng mga nonlinear effect, electro-optic effect, pyroelectric effect, at piezoelectric effect. Kasabay nito, mayroon itong mga bentahe ng wideband optical transparency window at pangmatagalang katatagan. Ang mga katangiang ito ay ginagawang mahalagang plataporma ang LN para sa bagong henerasyon ng integrated photonics. Sa mga optical device at optoelectronic system, ang mga katangian ng LN ay maaaring magbigay ng mayamang mga function at performance, na nagtataguyod ng pag-unlad ng optical communication, optical computing, at optical sensing fields. Gayunpaman, dahil sa mahinang absorption at insulation properties ng lithium niobate, ang integrated application ng lithium niobate ay nahaharap pa rin sa problema ng mahirap na pagtuklas. Sa mga nakaraang taon, ang mga ulat sa larangang ito ay pangunahing kinabibilangan ng waveguide integrated photodetectors at heterojunction photodetectors.
Ang waveguide integrated photodetector na nakabatay sa lithium niobate ay karaniwang nakatuon sa optical communication C-band (1525-1565nm). Sa usapin ng tungkulin, ang LN ay pangunahing gumaganap ng papel bilang mga guided wave, habang ang optoelectronic detection function ay pangunahing umaasa sa mga semiconductor tulad ng silicon, III-V group narrow bandgap semiconductor, at two-dimensional na materyales. Sa ganitong arkitektura, ang liwanag ay ipinapadala sa pamamagitan ng lithium niobate optical waveguides na may mababang loss, at pagkatapos ay hinihigop ng iba pang mga materyales ng semiconductor batay sa mga photoelectric effect (tulad ng photoconductivity o photovoltaic effect) upang mapataas ang konsentrasyon ng carrier at i-convert ito sa mga electrical signal para sa output. Ang mga bentahe ay mataas na operating bandwidth (~GHz), mababang operating voltage, maliit na sukat, at compatibility sa photonic chip integration. Gayunpaman, dahil sa spatial separation ng lithium niobate at semiconductor materials, bagama't ang bawat isa ay gumaganap ng kani-kanilang mga tungkulin, ang LN ay gumaganap lamang ng papel sa paggabay ng mga alon at ang iba pang mahusay na dayuhang katangian ay hindi pa gaanong nagagamit. Ang mga materyales ng semiconductor ay gumaganap lamang ng papel sa photoelectric conversion at kulang sa komplementaryong pagkabit sa isa't isa, na nagreresulta sa isang medyo limitadong operating band. Sa mga tuntunin ng espesipikong implementasyon, ang pagkabit ng liwanag mula sa pinagmumulan ng liwanag patungo sa lithium niobate optical waveguide ay nagreresulta sa malalaking pagkalugi at mahigpit na mga kinakailangan sa proseso. Bukod pa rito, ang aktwal na optical power ng liwanag na na-irradiate sa semiconductor device channel sa coupling region ay mahirap i-calibrate, na naglilimita sa performance nito sa pag-detect.
Ang tradisyonalmga photodetectorAng mga aplikasyon sa imaging ay karaniwang nakabatay sa mga materyales na semiconductor. Samakatuwid, para sa lithium niobate, ang mababang rate ng pagsipsip ng liwanag at mga katangian ng insulating ay walang alinlangan na hindi ito pinapaboran ng mga mananaliksik ng photodetector, at maging isang mahirap na punto sa larangan. Gayunpaman, ang pag-unlad ng teknolohiyang heterojunction nitong mga nakaraang taon ay nagdala ng pag-asa sa pananaliksik ng mga photodetector na nakabatay sa lithium niobate. Ang iba pang mga materyales na may malakas na pagsipsip ng liwanag o mahusay na conductivity ay maaaring heterogeneously na maisama sa lithium niobate upang mabawi ang mga kakulangan nito. Kasabay nito, ang kusang polarization na dulot ng pyroelectric na katangian ng lithium niobate dahil sa istrukturang anisotropy nito ay maaaring kontrolin sa pamamagitan ng pag-convert sa init sa ilalim ng light irradiation, sa gayon ay binabago ang mga katangian ng pyroelectric para sa optoelectronic detection. Ang thermal effect na ito ay may mga bentahe ng wideband at self driving, at maaaring maayos na mapunan at pagsamahin sa iba pang mga materyales. Ang sabay-sabay na paggamit ng thermal at photoelectric effect ay nagbukas ng isang bagong panahon para sa mga photodetector na nakabatay sa lithium niobate, na nagbibigay-daan sa mga aparato na pagsamahin ang mga bentahe ng parehong epekto. At upang mabawi ang mga pagkukulang at makamit ang komplementaryong pagsasama ng mga bentahe, ito ay isang hotspot ng pananaliksik nitong mga nakaraang taon. Bukod pa rito, ang paggamit ng ion implantation, band engineering, at defect engineering ay isa ring magandang pagpipilian upang malutas ang kahirapan sa pag-detect ng lithium niobate. Gayunpaman, dahil sa mataas na kahirapan sa pagproseso ng lithium niobate, ang larangang ito ay nahaharap pa rin sa malalaking hamon tulad ng mababang integration, mga array imaging device at system, at hindi sapat na performance, na may malaking halaga sa pananaliksik at espasyo.

Sa Figure 1, gamit ang mga estado ng enerhiya ng depekto sa loob ng LN bandgap bilang mga sentro ng donor ng elektron, ang mga free charge carrier ay nabubuo sa conduction band sa ilalim ng visible light excitation. Kung ikukumpara sa mga nakaraang pyroelectric LN photodetectors, na karaniwang limitado sa bilis ng pagtugon na humigit-kumulang 100Hz, ito ayLN photodetectoray may mas mabilis na bilis ng pagtugon na hanggang 10kHz. Samantala, sa gawaing ito, ipinakita na ang LN na may magnesium ion doped ay maaaring makamit ang panlabas na modulasyon ng liwanag na may tugon na hanggang 10kHz. Itinataguyod ng gawaing ito ang pananaliksik sa mataas na pagganap atmga high-speed LN photodetectorsa paggawa ng mga ganap na gumaganang single-chip integrated LN photonic chips.
Sa buod, ang larangan ng pananaliksik ngmga photodetector ng manipis na pelikulang lithium niobateay may mahalagang kahalagahang pang-agham at napakalaking potensyal sa praktikal na aplikasyon. Sa hinaharap, kasabay ng pag-unlad ng teknolohiya at pagpapalalim ng pananaliksik, ang mga thin film lithium niobate (LN) photodetector ay uunlad tungo sa mas mataas na integrasyon. Ang pagsasama-sama ng iba't ibang paraan ng integrasyon upang makamit ang mataas na pagganap, mabilis na pagtugon, at wideband thin film lithium niobate photodetector sa lahat ng aspeto ay magiging isang katotohanan, na lubos na magtataguyod ng pag-unlad ng on-chip integration at intelligent sensing fields, at magbibigay ng mas maraming posibilidad para sa bagong henerasyon ng mga aplikasyon ng photonics.