Жұқа қабықшалы литий ниобаты (LN) фотодетекторы

Жұқа қабықшалы литий ниобаты (LN) фотодетекторы

Литий ниобаты (LN) бірегей кристалдық құрылымға және бай физикалық әсерлерге ие, мысалы, сызықты емес әсерлер, электро-оптикалық әсерлер, пироэлектрлік әсерлер және пьезоэлектрлік әсерлер. Сонымен қатар оның кең жолақты оптикалық мөлдірлік терезесінің және ұзақ мерзімді тұрақтылықтың артықшылықтары бар. Бұл сипаттамалар LN интегралды фотониканың жаңа буыны үшін маңызды платформаға айналдырады. Оптикалық құрылғыларда және оптоэлектрондық жүйелерде LN сипаттамалары оптикалық байланыстың, оптикалық есептеулердің және оптикалық зондтау өрістерінің дамуына ықпал ететін бай функциялар мен өнімділікті қамтамасыз ете алады. Дегенмен, литий ниобаттың әлсіз сіңіру және оқшаулау қасиеттеріне байланысты литий ниобатының кешенді қолданылуы әлі де қиын анықтау мәселесіне тап болады. Соңғы жылдары бұл саладағы есептер негізінен толқындық интегралды фотодетекторларды және гетероидациялық фотодетекторларды қамтиды.
Литий ниобат негізіндегі толқын өткізгіш интегралды фотодетектор әдетте оптикалық байланыс C-диапазонына (1525-1565нм) бағытталған. Функция тұрғысынан LN негізінен басқарылатын толқындар рөлін атқарады, ал оптоэлектрондық анықтау функциясы негізінен кремний, III-V топ тар жолақты жартылай өткізгіштер және екі өлшемді материалдар сияқты жартылай өткізгіштерге сүйенеді. Мұндай архитектурада жарық литий ниобаты оптикалық толқын өткізгіштері арқылы аз шығынмен беріледі, содан кейін тасымалдаушы концентрациясын арттыру және оны шығару үшін электрлік сигналдарға түрлендіру үшін фотоэлектрлік әсерлерге негізделген (фотоөткізгіштік немесе фотоэлектрлік әсерлер сияқты) басқа жартылай өткізгіш материалдармен жұтылады. Артықшылықтары жоғары жұмыс өткізу қабілеттілігі (~ГГц), төмен жұмыс кернеуі, шағын өлшем және фотоникалық чип интеграциясымен үйлесімділік. Дегенмен, литий ниобаты мен жартылай өткізгіш материалдардың кеңістікте бөлінуіне байланысты, олардың әрқайсысы өз функцияларын орындаса да, LN тек толқындарды бағыттау рөлін атқарады және басқа тамаша шетелдік қасиеттер жақсы пайдаланылмаған. Жартылай өткізгіш материалдар тек фотоэлектрлік түрлендіруде ғана рөл атқарады және бір-бірімен толықтырушы байланысы жоқ, бұл салыстырмалы түрде шектеулі жұмыс жолағын тудырады. Нақты іске асыру тұрғысынан, жарық көзінен литий ниобаты оптикалық толқын өткізгішіне жарықтың қосылуы айтарлықтай шығындарға және қатаң технологиялық талаптарға әкеледі. Сонымен қатар, байланыс аймағындағы жартылай өткізгішті құрылғы арнасына сәулеленетін жарықтың нақты оптикалық қуатын калибрлеу қиын, бұл оның анықтау өнімділігін шектейді.
Дәстүрліфотодетекторларбейнелеу қолданбалары үшін әдетте жартылай өткізгіш материалдарға негізделген. Сондықтан, литий ниобаты үшін оның жарықты сіңіру жылдамдығы және оқшаулағыш қасиеттері оны фотодетектор зерттеушілеріне ұнатпайды және тіпті бұл саладағы қиын нүктеге айналдырады. Дегенмен, соңғы жылдардағы гетероидациялық технологияның дамуы литий ниобаты негізіндегі фотодетекторларды зерттеуге үміт берді. Күшті жарық сіңіретін немесе тамаша өткізгіштігі бар басқа материалдар оның кемшіліктерін өтеу үшін литий ниобатпен гетерогенді түрде біріктірілуі мүмкін. Сонымен қатар, құрылымдық анизотропияға байланысты литий ниобатының өздігінен поляризацияланған пироэлектрлік сипаттамаларын жеңіл сәулелену кезінде жылуға айналдыру арқылы басқаруға болады, осылайша оптоэлектрондық анықтау үшін пироэлектрлік сипаттамаларды өзгертуге болады. Бұл жылу эффектісі кең жолақты және өздігінен жүрудің артықшылықтарына ие және оны басқа материалдармен жақсы толықтырып, біріктіруге болады. Жылулық және фотоэлектрлік әсерлерді синхронды пайдалану литий ниобаты негізіндегі фотодетекторлар үшін жаңа дәуірді ашып, құрылғыларға екі әсердің де артықшылықтарын біріктіруге мүмкіндік берді. Кемшіліктердің орнын толтыру және артықшылықтарды толықтыратын интеграцияға қол жеткізу үшін бұл соңғы жылдардағы зерттеу нүктесі болып табылады. Сонымен қатар, иондық имплантацияны, жолақты инженерияны және ақаулық инженерияны пайдалану литий ниобатын анықтау қиындықтарын шешу үшін жақсы таңдау болып табылады. Дегенмен, литий ниобаты жоғары өңдеу қиындығына байланысты, бұл өріс әлі де төмен интеграция, массивтерді бейнелеу құрылғылары мен жүйелері және жеткіліксіз өнімділік сияқты үлкен қиындықтарға тап болады, бұл үлкен зерттеу құндылығы мен кеңістігі бар.

1-сурет, LN диапазонындағы ақаулық энергетикалық күйлерді электронды донорлық орталықтар ретінде пайдалана отырып, көрінетін жарықтың қозуы кезінде өткізгіштік диапазонында бос заряд тасымалдаушылар пайда болады. Әдетте шамамен 100 Гц жауап беру жылдамдығымен шектелген алдыңғы пироэлектрлік LN фотодетекторларымен салыстырғанда, бұлLN фотодетекторы10 кГц-ке дейінгі жылдамырақ жауап беру жылдамдығы бар. Сонымен бірге, бұл жұмыста магний иондары легирленген LN 10 кГц-ке дейінгі жауаппен сыртқы жарық модуляциясына қол жеткізе алатыны көрсетілді. Бұл жұмыс өнімділігі жоғары және зерттеуге ықпал етедіжоғары жылдамдықты LN фотодетекторларытолық жұмыс істейтін бір чипті біріктірілген LN фотоникалық чиптерін құруда.
Қорытындылай келе, зерттеу саласыжұқа қабықшалы литий ниобаттық фотодетекторлармаңызды ғылыми мәні мен орасан зор практикалық қолдану әлеуеті бар. Болашақта технологияның дамуымен және зерттеулердің тереңдеуімен жұқа қабықшалы литий ниобаты (LN) фотодетекторлары жоғары интеграцияға қарай дамитын болады. Барлық аспектілерде жоғары өнімділік, жылдам әрекет ету және кең жолақты жұқа қабықшалы литий ниобаттық фотодетекторларға қол жеткізу үшін әртүрлі интеграциялық әдістерді біріктіру шындыққа айналады, бұл чиптегі интеграция мен интеллектуалды зондтау өрістерінің дамуына үлкен ықпал етеді және фотоника қолданбаларының жаңа буынына көбірек мүмкіндіктер береді.