Dënnfilm-Lithiumniobat (LN)-Fotodetektor

Dënnfilm-Lithiumniobat (LN)-Fotodetektor

Lithiumniobat (LN) huet eng eenzegaarteg Kristallstruktur a räich physikalesch Effekter, wéi netlinear Effekter, elektrooptesch Effekter, pyroelektresch Effekter a piezoelektresch Effekter. Gläichzäiteg huet et d'Virdeeler vun engem breetbandegen opteschen Transparenzfenster a laangfristeger Stabilitéit. Dës Charakteristike maachen LN zu enger wichteger Plattform fir déi nei Generatioun vun integréierter Photonik. An opteschen Apparater an optoelektronesche Systemer kënnen d'Charakteristike vum LN räich Funktiounen a Leeschtung ubidden, wat d'Entwécklung vun der optescher Kommunikatioun, dem optesche Berechnung an den optesche Sensorfelder fördert. Wéinst de schwaache Absorptiouns- an Isolatiounseigenschaften vum Lithiumniobat ass déi integréiert Uwendung vu Lithiumniobat awer ëmmer nach mat dem Problem vun der schwiereger Detektioun konfrontéiert. An de leschte Joren hunn d'Berichter an dësem Beräich haaptsächlech Wellenleiter-integréiert Photodetektoren an Heterojunction-Fotodetektoren ëmfaassen.
De Wellenleiter-Integratiouns-Fotodetektor baséiert op Lithiumniobat konzentréiert sech normalerweis op den optesche Kommunikatiouns-C-Band (1525-1565nm). Wat d'Funktioun ugeet, spillt LN haaptsächlech d'Roll vu geleete Wellen, während d'optoelektronesch Detektiounsfunktioun haaptsächlech op Hallefleeder wéi Silizium, III-V Grupp Schmuelbandlück Hallefleeder an zweedimensional Materialien baséiert. An enger sou enger Architektur gëtt Liicht duerch Lithiumniobat optesch Wellenleiter mat niddregem Verloscht iwwerdroen an dann vun anere Hallefleedermaterialien op Basis vu photoelektreschen Effekter (wéi Photoleitfäegkeet oder photovoltaeschen Effekter) absorbéiert fir d'Trägerkonzentratioun ze erhéijen an et an elektresch Signaler fir d'Ausgab ëmzewandelen. D'Virdeeler sinn eng héich Betribsbandbreet (~GHz), eng niddreg Betribsspannung, eng kleng Gréisst a Kompatibilitéit mat photonesche Chip-Integratioun. Wéinst der raimlecher Trennung vu Lithiumniobat an Hallefleedermaterialien, obwuel se all hir eege Funktiounen erfëllen, spillt LN awer nëmmen eng Roll bei der Leedung vu Wellen an aner exzellent auslännesch Eegeschafte goufen net gutt ausgenotzt. Hallefleedermaterialien spillen nëmmen eng Roll bei der photoelektrescher Konversioun a feelen komplementär Kopplung mateneen, wat zu engem relativ limitéierten Betribsband féiert. Wat déi spezifesch Ëmsetzung ugeet, féiert d'Kopplung vum Liicht vun der Liichtquell zum optesche Wellenleiter vu Lithiumniobat zu bedeitende Verloschter a strenge Prozessufuerderungen. Zousätzlech ass déi tatsächlech optesch Leeschtung vum Liicht, dat op de Kanal vum Hallefleederelement am Kopplungsberäich bestraalt gëtt, schwéier ze kalibréieren, wat seng Detektiounsleistung limitéiert.
Déi traditionellphotodetectorsDéi Materialien, déi fir Bildgebungsapplikatioune benotzt ginn, baséieren normalerweis op Hallefleedermaterialien. Dofir maachen seng niddreg Liichtabsorptiounsquote an isoléierend Eegeschafte Lithiumniobat et onzweifelhaft net vu Photodetektorfuerscher bevorzugt, an et ass souguer e schwieregen Punkt an dësem Beräich. D'Entwécklung vun der Heterojunction-Technologie an de leschte Joren huet awer Hoffnung fir d'Fuerschung vu Lithiumniobat-baséierte Photodetektoren bruecht. Aner Materialien mat staarker Liichtabsorptioun oder exzellenter Konduktivitéit kënnen heterogen mat Lithiumniobat integréiert ginn, fir seng Mängel auszegläichen. Gläichzäiteg kënnen déi spontan Polariséierung-induzéiert pyroelektresch Charakteristike vu Lithiumniobat wéinst senger struktureller Anisotropie kontrolléiert ginn, andeems se ënner Liichtbestrahlung an Hëtzt ëmgewandelt ginn, wouduerch d'pyroelektresch Charakteristike fir optoelektronesch Detektioun geännert ginn. Dësen thermeschen Effekt huet d'Virdeeler vu Breetband- a Selbstfuerung a kann gutt ergänzt a mat anere Materialien fusionéiert ginn. Déi synchron Notzung vun thermeschen a photoelektreschen Effekter huet eng nei Ära fir Lithiumniobat-baséiert Photodetektoren opgemaach, wat et den Apparater erméiglecht, d'Virdeeler vun deenen zwou Effekter ze kombinéieren. A fir d'Mängel auszegläichen an eng komplementär Integratioun vu Virdeeler z'erreechen, ass et an de leschte Joren e Fuerschungshotspot. Zousätzlech ass d'Benotzung vun Ionenimplantatioun, Band Engineering an Defekt Engineering och eng gutt Wiel fir d'Schwieregkeet vum Noweis vu Lithiumniobat ze léisen. Wéinst der héijer Veraarbechtungsschwieregkeet vu Lithiumniobat steet dëst Gebitt awer ëmmer nach viru groussen Erausfuerderungen, wéi gerénger Integratioun, Array-Imaging-Geräter a -Systemer, an inadequater Leeschtung, wat e groussen Fuerschungswäert a Raum huet.

Figur 1, wou d'Defektenergiezoustänn bannent der LN-Bandlück als Elektronendonorzentren benotzt ginn, ginn fräi Ladungsträger am Leetungsband ënner sichtbarer Liichtanregung generéiert. Am Verglach mat fréiere pyroelektresche LN-Photodetekteren, déi typescherweis op eng Reaktiounsgeschwindegkeet vu ronn 100 Hz limitéiert waren, huet dësenLN-Fotodetektorhuet eng méi séier Reaktiounsgeschwindegkeet vu bis zu 10 kHz. Mëttlerweil gouf an dëser Aarbecht demonstréiert, datt mat Magnesiumionen dotiert LN eng extern Liichtmodulatioun mat enger Reaktioun vu bis zu 10 kHz erreeche kann. Dës Aarbecht fërdert d'Fuerschung iwwer héich performant anHéichgeschwindegkeets-LN-Fotodetektorenbeim Bau vu voll funktionellen Single-Chip integréierten LN-Photoniechips.
Zesummegefaasst, de Fuerschungsberäich vunDënnfilm-Lithiumniobat-Fotodetektorenhuet eng wichteg wëssenschaftlech Bedeitung an en enormt praktescht Uwendungspotenzial. An der Zukunft, mat der Entwécklung vun der Technologie an der Verdéiwung vun der Fuerschung, wäerten d'Dënnschicht-Lithium-Niobat (LN)-Fotodetekteren sech op eng méi héich Integratioun zouentwéckelen. D'Kombinatioun vu verschiddenen Integratiounsmethoden, fir héich performant, séier Reaktiounszäit a breetbandeg Dënnschicht-Lithium-Niobat-Fotodetekteren an allen Aspekter z'erreechen, wäert Realitéit ginn, wat d'Entwécklung vun On-Chip-Integratioun a vun intelligenten Detektiounsfelder staark förderen wäert a méi Méiglechkeeten fir déi nei Generatioun vu Photonik-Applikatioune schaafe wäert.