Жұқа қабықшалы литий ниобаты (LN) фотодетекторы

Жұқа қабықшалы литий ниобаты (LN) фотодетекторы

Литий ниобаты (ЛН) бірегей кристалдық құрылымға және сызықтық емес әсерлер, электро-оптикалық әсерлер, пироэлектрлік әсерлер және пьезоэлектрлік әсерлер сияқты бай физикалық әсерлерге ие. Сонымен қатар, оның кең жолақты оптикалық мөлдірлік терезесі және ұзақ мерзімді тұрақтылық артықшылықтары бар. Бұл сипаттамалар ЛН-ді интеграцияланған фотоникалардың жаңа буыны үшін маңызды платформаға айналдырады. Оптикалық құрылғылар мен оптоэлектрондық жүйелерде ЛН сипаттамалары бай функциялар мен өнімділікті қамтамасыз ете алады, оптикалық байланыстың, оптикалық есептеулердің және оптикалық сенсорлық өрістердің дамуына ықпал етеді. Дегенмен, литий ниобатының әлсіз сіңіру және оқшаулау қасиеттеріне байланысты литий ниобатын интеграцияланған қолдану әлі де қиын анықтау мәселесіне тап болуда. Соңғы жылдары бұл саладағы есептер негізінен толқын бағыттаушы интеграцияланған фотодетекторлар мен гетероөткізгіш фотодетекторларды қамтиды.
Литий ниобаты негізіндегі толқын өткізгіш интеграцияланған фотодетектор әдетте оптикалық байланыс C-диапазонына (1525-1565 нм) бағытталған. Функциясы тұрғысынан LN негізінен бағытталатын толқындар рөлін атқарады, ал оптоэлектрондық анықтау функциясы негізінен кремний, III-V топтық тар жолақты жартылай өткізгіштер және екі өлшемді материалдар сияқты жартылай өткізгіштерге сүйенеді. Мұндай архитектурада жарық литий ниобатының оптикалық толқын өткізгіштері арқылы төмен шығынмен беріледі, содан кейін фотоэлектрлік эффектілерге негізделген басқа жартылай өткізгіш материалдармен (мысалы, фотоөткізгіштік немесе фотоэлектрлік эффектілер) сіңіріліп, тасымалдаушылардың концентрациясын арттырады және оны шығыс үшін электрлік сигналдарға айналдырады. Артықшылықтары - жоғары жұмыс өткізу қабілеттілігі (~ГГц), төмен жұмыс кернеуі, кіші өлшем және фотондық чип интеграциясымен үйлесімділік. Дегенмен, литий ниобаты мен жартылай өткізгіш материалдардың кеңістіктік бөлінуіне байланысты, олардың әрқайсысы өз функцияларын орындағанымен, LN тек бағыттаушы толқындарда ғана рөл атқарады және басқа да тамаша бөгде қасиеттер жақсы пайдаланылмаған. Жартылай өткізгіш материалдар тек фотоэлектрлік түрлендіруде ғана рөл атқарады және бір-бірімен толықтырушы байланысы жоқ, нәтижесінде жұмыс диапазоны салыстырмалы түрде шектеулі. Нақты іске асыру тұрғысынан алғанда, жарық көзінен литий ниобатының оптикалық толқын өткізгішіне жарықтың қосылуы айтарлықтай шығындарға және қатаң процесс талаптарына әкеледі. Сонымен қатар, қосылу аймағындағы жартылай өткізгіш құрылғы арнасына сәулелендірілген жарықтың нақты оптикалық қуатын калибрлеу қиын, бұл оның анықтау өнімділігін шектейді.
ДәстүрліфотодетекторларБейнелеу қолданбаларында қолданылатын материалдар әдетте жартылай өткізгіш материалдарға негізделген. Сондықтан, литий ниобаты үшін оның төмен жарық сіңіру жылдамдығы және оқшаулағыш қасиеттері оны фотодетектор зерттеушілері үшін сөзсіз ұнатпайды және тіпті осы саладағы қиын мәселеге айналдырады. Дегенмен, соңғы жылдары гетероөткізгіш технологиясының дамуы литий ниобаты негізіндегі фотодетекторларды зерттеуге үміт әкелді. Жарықты күшті сіңіруі немесе тамаша өткізгіштігі бар басқа материалдарды оның кемшіліктерін өтеу үшін литий ниобатымен гетерогенді түрде біріктіруге болады. Сонымен қатар, литий ниобатының құрылымдық анизотропиясына байланысты өздігінен поляризацияланатын пироэлектрлік сипаттамаларын жарық сәулеленуі кезінде жылуға түрлендіру арқылы басқаруға болады, осылайша оптоэлектронды анықтау үшін пироэлектрлік сипаттамаларын өзгертуге болады. Бұл жылулық әсер кең жолақты және өздігінен жүретін артықшылықтарға ие және басқа материалдармен жақсы толықтырылуы және біріктірілуі мүмкін. Жылулық және фотоэлектрлік әсерлерді синхронды пайдалану литий ниобаты негізіндегі фотодетекторлар үшін жаңа дәуір ашты, бұл құрылғыларға екі әсердің де артықшылықтарын біріктіруге мүмкіндік береді. Ал кемшіліктерді өтеу және артықшылықтарды толықтыратын интеграцияға қол жеткізу үшін бұл соңғы жылдардағы зерттеудің басты нүктесі болып табылады. Сонымен қатар, иондық имплантацияны, жолақты инженерияны және ақаулық инженериясын пайдалану литий ниобатын анықтау қиындықтарын шешу үшін де жақсы таңдау болып табылады. Дегенмен, литий ниобатын өңдеудің жоғары қиындығына байланысты бұл сала әлі де төмен интеграция, массивтік бейнелеу құрылғылары мен жүйелері және жеткіліксіз өнімділік сияқты үлкен қиындықтарға тап болып отыр, бұл үлкен зерттеу құндылығы мен кеңістігіне ие.

1-суретте, электрон донорлық орталықтары ретінде LN тыйым салынған аймағындағы ақаулық энергия күйлерін пайдалана отырып, көрінетін жарық қоздыруымен өткізгіштік жолағында бос заряд тасымалдаушылар пайда болады. Әдетте шамамен 100 Гц жауап беру жылдамдығымен шектелген бұрынғы пироэлектрлік LN фотодетекторларымен салыстырғанда, бұлLN фотодетекторы10 кГц дейінгі жылдам жауап беру жылдамдығына ие. Сонымен қатар, бұл жұмыста магний иондарымен легирленген LN 10 кГц дейінгі жауаппен сыртқы жарық модуляциясына қол жеткізе алатыны көрсетілді. Бұл жұмыс жоғары өнімділік және зерттеулерді алға жылжытады.жоғары жылдамдықты LN фотодетекторларытолық функционалды бір чипті интеграцияланған LN фотондық чиптерін құруда.
Қысқаша айтқанда, зерттеу саласыжұқа пленкалы литий ниобаты фотодетекторларымаңызды ғылыми маңызы мен үлкен практикалық қолдану әлеуетіне ие. Болашақта технологияның дамуымен және зерттеулердің тереңдеуімен жұқа пленкалы литий ниобаты (LN) фотодетекторлары жоғары интеграцияға қарай дамиды. Жоғары өнімділікке, жылдам жауап беруге және кең жолақты жұқа пленкалы литий ниобаты фотодетекторларына барлық аспектілерде қол жеткізу үшін әртүрлі интеграция әдістерін біріктіру шындыққа айналады, бұл чиптегі интеграция мен интеллектуалды сенсорлық өрістердің дамуына айтарлықтай ықпал етеді және фотоника қолданбаларының жаңа буыны үшін көбірек мүмкіндіктер береді.