Thin film lithium niobate (LN) photodetector

Thin film lithium niobate (LN) photodetector

Ang Lithium niobate (LN) ay may natatanging kristal na istraktura at mayamang pisikal na epekto, tulad ng mga nonlinear effect, electro-optic effect, pyroelectric effect, at piezoelectric effect. Kasabay nito, mayroon itong mga pakinabang ng wideband optical transparency window at pangmatagalang katatagan. Ginagawa ng mga katangiang ito ang LN na isang mahalagang plataporma para sa bagong henerasyon ng pinagsama-samang photonics. Sa mga optical device at optoelectronic system, ang mga katangian ng LN ay maaaring magbigay ng mga rich function at performance, na nagsusulong ng pagbuo ng optical communication, optical computing, at optical sensing field. Gayunpaman, dahil sa mahinang 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 nakalipas na taon, ang mga ulat sa larangang ito ay pangunahing kasama ang waveguide integrated photodetector at heterojunction photodetector.
Ang waveguide integrated photodetector batay sa lithium niobate ay karaniwang nakatutok sa optical communication C-band (1525-1565nm). Sa mga tuntunin ng pag-andar, pangunahing ginagampanan ng LN ang papel ng mga guided wave, habang ang function ng optoelectronic detection ay pangunahing umaasa sa mga semiconductor tulad ng silicon, III-V group narrow bandgap semiconductors, at two-dimensional na materyales. Sa ganitong arkitektura, ang liwanag ay ipinapadala sa pamamagitan ng lithium niobate optical waveguides na may mababang pagkawala, at pagkatapos ay hinihigop ng iba pang materyal na 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 boltahe, maliit na sukat, at pagiging tugma sa photonic chip integration. Gayunpaman, dahil sa spatial na paghihiwalay ng lithium niobate at mga semiconductor na materyales, bagaman ang bawat isa ay gumaganap 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 nagamit nang maayos. Ang mga materyales ng semiconductor ay gumaganap lamang ng isang papel sa photoelectric conversion at kakulangan ng komplementaryong pagkabit sa isa't isa, na nagreresulta sa isang medyo limitadong operating band. Sa mga tuntunin ng tiyak na pagpapatupad, ang pagkabit ng liwanag mula sa pinagmumulan ng liwanag patungo sa lithium niobate optical waveguide ay nagreresulta sa mga makabuluhang pagkalugi at mahigpit na kinakailangan sa proseso. Bilang karagdagan, ang aktwal na optical power ng ilaw na na-irradiated sa channel ng semiconductor device sa rehiyon ng coupling ay mahirap i-calibrate, na naglilimita sa pagganap ng pagtuklas nito.
Ang tradisyonalmga photodetectorna ginagamit para sa mga aplikasyon ng imaging ay karaniwang batay sa mga materyales na semiconductor. Samakatuwid, para sa lithium niobate, ang mababang rate ng pagsipsip ng liwanag at mga katangian ng insulating nito ay walang alinlangan na hindi pinapaboran ng mga mananaliksik ng photodetector, at maging isang mahirap na punto sa larangan. Gayunpaman, ang pag-unlad ng teknolohiyang heterojunction sa mga nakaraang taon ay nagdala ng pag-asa sa pananaliksik ng lithium niobate based photodetectors. Ang iba pang mga materyales na may malakas na pagsipsip ng liwanag o mahusay na kondaktibiti ay maaaring heterogenously na isinama sa lithium niobate upang mapunan ang mga pagkukulang nito. Kasabay nito, ang spontaneous polarization induced pyroelectric na mga katangian ng lithium niobate dahil sa structural anisotropy nito ay maaaring kontrolin sa pamamagitan ng pag-convert sa init sa ilalim ng light irradiation, at sa gayon ay binabago ang pyroelectric na katangian para sa optoelectronic detection. Ang thermal effect na ito ay may mga bentahe ng wideband at self driving, at maaaring mahusay na pupunan at pinagsama sa iba pang mga materyales. Ang sabay-sabay na paggamit ng thermal at photoelectric effect ay nagbukas ng bagong panahon para sa lithium niobate based photodetectors, na nagbibigay-daan sa mga device na pagsamahin ang mga bentahe ng parehong epekto. At para makabawi sa mga pagkukulang at makamit ang komplementaryong pagsasama ng mga pakinabang, Isa itong hotspot ng pananaliksik sa mga nakaraang taon. Bilang karagdagan, 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 pagpoproseso ng lithium niobate, nahaharap pa rin ang larangang ito ng malalaking hamon gaya ng mababang integration, array imaging device at system, at hindi sapat na performance, na may malaking halaga at espasyo sa pananaliksik.

Figure 1, gamit ang mga depektong estado ng enerhiya sa loob ng bandgap ng LN bilang mga sentro ng donor ng elektron, ang mga carrier ng libreng bayad ay nabuo sa banda ng pagpapadaloy sa ilalim ng nakikitang liwanag na paggulo. Kung ikukumpara sa mga nakaraang pyroelectric LN photodetector, na karaniwang limitado sa bilis ng pagtugon na humigit-kumulang 100Hz, itoLN photodetectoray may mas mabilis na bilis ng pagtugon na hanggang 10kHz. Samantala, sa gawaing ito, ipinakita na ang magnesium ion doped LN 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 athigh-speed LN photodetectorsa pagbuo ng fully functional single-chip integrated LN photonic chips.
Sa buod, ang larangan ng pananaliksik ngthin film lithium niobate photodetectoray may mahalagang pang-agham na kahalagahan at napakalaking potensyal na praktikal na aplikasyon. Sa hinaharap, sa pag-unlad ng teknolohiya at pagpapalalim ng pananaliksik, ang thin film lithium niobate (LN) photodetector ay bubuo patungo sa mas mataas na pagsasama. Ang pagsasama-sama ng iba't ibang paraan ng pagsasama upang makamit ang mataas na pagganap, mabilis na pagtugon, at wideband thin film lithium niobate photodetectors sa lahat ng aspeto ay magiging isang katotohanan, na lubos na magsusulong ng pagbuo ng on-chip integration at intelligent sensing field, at magbibigay ng higit pang mga posibilidad para sa bagong henerasyon ng mga application ng photonics.