Manipis na film lithium niobate (LN) photodetector

Manipis na film lithium niobate (LN) photodetector

Ang Lithium Niobate (LN) ay may natatanging istraktura ng kristal at mayaman na mga pisikal na epekto, tulad ng mga nonlinear effects, electro-optic effects, pyroelectric effects, at piezoelectric effects. Kasabay nito, mayroon itong mga pakinabang ng wideband optical transparency window at pangmatagalang katatagan. Ang mga katangiang ito ay ginagawang isang mahalagang platform ng LN para sa bagong henerasyon ng integrated photonics. Sa mga optical na aparato at optoelectronic system, ang mga katangian ng LN ay maaaring magbigay ng mayamang pag -andar at pagganap, na nagtataguyod ng pagbuo ng optical na komunikasyon, optical computing, at optical sensing field. Gayunpaman, dahil sa mahina na pagsipsip at pagkakabukod ng mga katangian ng lithium niobate, ang pinagsamang aplikasyon ng lithium niobate ay nahaharap pa rin sa problema ng mahirap na pagtuklas. Sa mga nagdaang taon, ang mga ulat sa larangan na ito ay pangunahing kasama ang waveguide integrated photodetectors at heterojunction photodetectors.
Ang waveguide integrated photodetector batay sa lithium niobate ay karaniwang nakatuon sa optical na komunikasyon na C-band (1525-1565nm). Sa mga tuntunin ng pag-andar, ang LN ay pangunahing gumaganap ng papel ng mga gabay na alon, habang ang pagpapaandar ng optoelectronic detection ay pangunahing nakasalalay sa mga semiconductors tulad ng silikon, III-V group na makitid na bandgap semiconductors, at dalawang dimensional na materyales. Sa ganitong isang arkitektura, ang ilaw ay ipinapadala sa pamamagitan ng lithium niobate optical waveguides na may mababang pagkawala, at pagkatapos ay hinihigop ng iba pang mga materyales na semiconductor batay sa mga photoelectric effects (tulad ng photoconductivity o photovoltaic effects) upang madagdagan ang konsentrasyon ng carrier at i -convert ito sa mga de -koryenteng signal para sa output. Ang mga pakinabang ay mataas na operating bandwidth (~ GHz), mababang operating boltahe, maliit na sukat, at pagiging tugma sa pagsasama ng photonic chip. Gayunpaman, dahil sa spatial na paghihiwalay ng lithium niobate at semiconductor na materyales, bagaman ang bawat isa ay nagsasagawa ng kanilang sariling mga pag -andar, ang LN ay gumaganap lamang ng isang papel sa paggabay ng mga alon at iba pang mahusay na mga dayuhang katangian ay hindi maayos na ginamit. Ang mga materyales sa Semiconductor ay gumaganap lamang ng isang papel sa pag -convert ng photoelectric at kawalan ng pantulong na pagkabit sa bawat isa, na nagreresulta sa isang medyo limitadong operating band. Sa mga tuntunin ng tiyak na pagpapatupad, ang pagkabit ng ilaw mula sa ilaw na mapagkukunan hanggang sa lithium niobate optical waveguide ay nagreresulta sa mga makabuluhang pagkalugi at mahigpit na mga kinakailangan sa proseso. Bilang karagdagan, ang aktwal na optical na kapangyarihan ng light irradiated papunta sa channel ng semiconductor na aparato sa rehiyon ng pagkabit ay mahirap i -calibrate, na nililimitahan ang pagganap ng pagtuklas nito.
Ang tradisyonalPhotodetectorsGinamit para sa mga aplikasyon ng imaging ay karaniwang batay sa mga materyales na semiconductor. Samakatuwid, para sa lithium niobate, ang mababang ilaw na rate ng pagsipsip at mga pag -aari ng insulating ay walang alinlangan na hindi pinapaboran ng mga mananaliksik ng photodetector, at kahit na isang mahirap na punto sa larangan. Gayunpaman, ang pag -unlad ng teknolohiya ng heterojunction sa mga nakaraang taon ay nagdala ng pag -asa sa pananaliksik ng lithium niobate batay sa mga photodetectors. Ang iba pang mga materyales na may malakas na pagsipsip ng ilaw o mahusay na kondaktibiti ay maaaring heterogenous na isinama sa lithium niobate upang mabayaran ang mga pagkukulang nito. Kasabay nito, ang kusang polariseysyon na sapilitan na mga katangian ng pyroelectric ng lithium niobate dahil sa istruktura na anisotropy nito ay maaaring kontrolado sa pamamagitan ng pag -convert sa init sa ilalim ng light irradiation, sa gayon binabago ang mga katangian ng pyroelectric para sa optoelectronic detection. Ang thermal effect na ito ay may mga pakinabang ng wideband at pagmamaneho sa sarili, at maaaring maayos na makumpleto at isama sa iba pang mga materyales. Ang magkakasabay na paggamit ng mga thermal at photoelectric effects ay nagbukas ng isang bagong panahon para sa lithium niobate batay sa mga photodetectors, na nagpapagana ng mga aparato upang pagsamahin ang mga pakinabang ng parehong mga epekto. At upang gumawa ng para sa mga pagkukulang at makamit ang pantulong na pagsasama ng mga pakinabang, ito ay isang hotspot ng pananaliksik sa mga nakaraang taon. Bilang karagdagan, ang paggamit ng Ion Implantation, Band Engineering, at Defect Engineering ay isa ring mahusay na pagpipilian upang malutas ang kahirapan sa pagtuklas ng lithium niobate. Gayunpaman, dahil sa mataas na kahirapan sa pagproseso ng lithium niobate, ang patlang na ito ay nahaharap pa rin sa mahusay na mga hamon tulad ng mababang pagsasama, mga aparato ng imaging imaging, at hindi sapat na pagganap, na may mahusay na halaga ng pananaliksik at puwang.

Larawan 1, gamit ang mga estado ng depekto ng enerhiya sa loob ng LN bandgap bilang mga sentro ng donor ng elektron, ang mga libreng carrier ng singil ay nabuo sa conduction band sa ilalim ng nakikitang light excitation. Kumpara sa nakaraang pyroelectric LN photodetectors, na karaniwang limitado sa isang bilis ng tugon na halos 100Hz, itoLN Photodetectoray may isang mas mabilis na bilis ng pagtugon hanggang sa 10kHz. Samantala, sa gawaing ito, ipinakita na ang magnesium ion doped LN ay maaaring makamit ang panlabas na modyul na ilaw na may tugon ng hanggang sa 10kHz. Ang gawaing ito ay nagtataguyod ng pananaliksik sa mataas na pagganap atMataas na bilis ng LN photodetectorsSa pagtatayo ng ganap na functional single-chip integrated LN photonic chips.
Sa buod, ang larangan ng pananaliksik ngmanipis na film lithium niobate photodetectorsay may mahalagang kahalagahan sa agham at napakalaking praktikal na potensyal na aplikasyon. Sa hinaharap, sa pag -unlad ng teknolohiya at pagpapalalim ng pananaliksik, ang manipis na film lithium Niobate (LN) photodetectors ay bubuo patungo sa mas mataas na pagsasama. Ang pagsasama-sama ng iba't ibang mga pamamaraan ng pagsasama upang makamit ang mataas na pagganap, mabilis na tugon, at wideband manipis na film lithium niobate photodetectors sa lahat ng aspeto ay magiging isang katotohanan, na kung saan ay lubos na magsusulong ng pag-unlad ng on-chip na pagsasama at mga intelihenteng larangan ng sensing, at magbibigay ng higit pang mga posibilidad para sa Bagong henerasyon ng mga aplikasyon ng photonics.