Dünnfilm Lithium Niobat (LN) Photodetektor

Dünnfilm Lithium Niobat (LN) Photodetektor

Lithium niobat (LN) hat eine einzigartige Kristallstruktur und eine reichhaltige physikalische Wirkung wie nichtlineare Effekte, elektrooptische Effekte, pyroelektrische Effekte und piezoelektrische Effekte. Gleichzeitig hat es die Vorteile des optischen Breitband-Transparenzfensters und einer langfristigen Stabilität. Diese Eigenschaften machen LN zu einer wichtigen Plattform für die neue Generation integrierter Photonik. In optischen Geräten und optoelektronischen Systemen können die Eigenschaften von LN umfangreiche Funktionen und Leistung liefern und die Entwicklung der optischen Kommunikation, des optischen Computers und der optischen Erfassungsfelder fördern. Aufgrund der schwachen Absorptions- und Isolationseigenschaften von Lithium -Niobat ist jedoch die integrierte Anwendung von Lithium -Niobat immer noch vor dem Problem der schwierigen Erkennung konfrontiert. In den letzten Jahren umfassen Berichte in diesem Bereich hauptsächlich Wellenleiter integrierte Fotodetektoren und Heteroübergang -Fotodetektoren.
Der auf Lithium-Niobat basierende Wellenleiter-integrierte Fotodetektor konzentriert sich normalerweise auf die optische Kommunikation C-Band (1525-1565 nm). In Bezug auf die Funktion spielt LN hauptsächlich die Rolle geführter Wellen, während die optoelektronische Erkennungsfunktion hauptsächlich auf Halbleitern wie Silizium, III-V-Gruppe schmale Bandgap-Halbleiter und zweidimensionale Materialien beruht. In einer solchen Architektur wird Licht durch Lithium -Niobat -optische Wellenleiter mit geringem Verlust übertragen und dann von anderen Halbleitermaterialien auf der Grundlage der photoelektrischen Effekte (wie Photokonduktivität oder Photovoltaikeffekte) absorbiert, um die Trägerkonzentration zu erhöhen und in elektrische Signale für die Ausgabe umzuwandeln. Die Vorteile sind eine hohe Betriebsbandbreite (~ GHz), eine niedrige Betriebsspannung, kleine Größe und Kompatibilität bei der Integration der photonischen Chips. Aufgrund der räumlichen Trennung von Lithium -Niobat- und Halbleitermaterialien, obwohl sie jeweils ihre eigenen Funktionen ausführen, spielt LN nur eine Rolle bei der Führung von Wellen und anderen hervorragenden ausländischen Eigenschaften, die nicht gut genutzt wurden. Halbleitermaterialien spielen nur eine Rolle bei der photoelektrischen Umwandlung und fehlen eine ergänzende Kopplung miteinander, was zu einem relativ begrenzten Betriebsband führt. In Bezug auf die spezifische Implementierung führt die Kopplung des Lichts von der Lichtquelle zum optischen Wellenleiter von Lithium Niobat zu erheblichen Verlusten und strengen Prozessanforderungen. Darüber hinaus ist die tatsächliche optische Leistung des Lichts, das auf den Halbleiter -Gerätekanal im Kopplungsbereich bestrahlt wird, schwer zu kalibrieren, was seine Erkennungsleistung einschränkt.
Das traditionelleFotodetektorenFür Bildgebungsanwendungen basieren normalerweise auf Halbleitermaterialien. Für Lithium -Niobat machen seine niedrige Lichtabsorptionsrate und die Isoliereigenschaften sie zweifellos nicht von Fotodetektorforschern und sogar zu einem schwierigen Punkt auf diesem Gebiet. Die Entwicklung der Heteroübergangstechnologie in den letzten Jahren hat jedoch Hoffnung auf die Forschung von Photodetektoren auf Lithium -Niobat -Basis gebracht. Andere Materialien mit starker Lichtabsorption oder hervorragender Leitfähigkeit können heterogen in Lithium -Niobat integriert werden, um seine Mängel auszugleichen. Gleichzeitig kann die spontane Polarisation induzierte pyroelektrische Eigenschaften von Lithium -Niobat aufgrund ihrer strukturellen Anisotropie durch Umwandlung in die Wärme unter Lichtbestrahlung gesteuert werden, wodurch die pyroelektrischen Eigenschaften für den optoelektronischen Nachweis verändert werden. Dieser thermische Effekt hat die Vorteile von Breitband- und Selbstfahrten und kann gut ergänzt und mit anderen Materialien verschmolzen werden. Die synchrone Nutzung von thermischen und photoelektrischen Effekten hat eine neue Ära für Photodetektoren auf Lithium -Niobat -Basis eröffnet, die es ermöglicht, die Vorteile beider Effekte zu kombinieren. Und um die Mängel auszugleichen und eine ergänzende Integration von Vorteilen zu erreichen, ist es in den letzten Jahren ein Forschungs -Hotspot. Darüber hinaus ist die Nutzung von Ionenimplantation, Bandtechnik und Defekttechnik eine gute Wahl, um die Schwierigkeit zu lösen, Lithium -Niobat zu erkennen. Aufgrund der hohen Verarbeitungsschwierigkeit von Lithium niobat ist dieses Feld jedoch immer noch große Herausforderungen wie geringe Integration, Array -Bildgebungsgeräte und -systeme und unzureichende Leistung, die einen hervorragenden Forschungswert und Raum hat.

In Abbildung 1 werden unter Verwendung der Defektenergiezustände innerhalb des LN -Bandgaps als Elektronendonorzentren freie Ladungsträger im Leitungsband unter sichtbarer Lichtanregung erzeugt. Im Vergleich zu früheren pyroelektrischen LN -Photodetektoren, die typischerweise auf eine Reaktionsgeschwindigkeit von etwa 100 Hz beschränkt waren, war diesLN -Fotodetektorhat eine schnellere Reaktionsgeschwindigkeit von bis zu 10 kHz. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass Magnesiumionen dotiertes LN eine externe Lichtmodulation mit einer Reaktion von bis zu 10 kHz erreichen kann. Diese Arbeit fördert die Forschung zu Hochleistungsformen undHochgeschwindigkeit LN-FotodetektorenBei der Konstruktion von voll funktionsfähigen Single-Chip-integrierten LN-photonischen Chips.
Zusammenfassend lässt sich sagenDünnfilm Lithium -Niobat -Fotodetektorenhat eine wichtige wissenschaftliche Bedeutung und ein enormes praktisches Anwendungspotential. Mit der Entwicklung der Technologie und der Vertiefung der Forschung wird sich in Zukunft in der Photodetektoren von Thin Film Lithium Niobate (LN) in Richtung einer höheren Integration entwickeln. Kombinieren Sie verschiedene Integrationsmethoden, um Hochleistungs-, schnelle Reaktions- und Breitband-Dünnfilm-Lithium-Niobat-Fotodetektoren in allen Aspekten zu Wirklichkeit werden, was die Entwicklung der Integration von On-Chipen und intelligenten Erfassungsfeldern erheblich fördern und mehr Möglichkeiten für die bieten wird Neue Generation von Photonikanwendungen.