Photodétecteur mince au lithium niobate (LN)
Le niobate de lithium (LN) a une structure cristalline unique et de riches effets physiques, tels que les effets non linéaires, les effets électro-optiques, les effets pyroélectriques et les effets piézoélectriques. Dans le même temps, il présente les avantages de la fenêtre de transparence optique à large bande et de la stabilité à long terme. Ces caractéristiques font de LN une plate-forme importante pour la nouvelle génération de photoniques intégrés. Dans les dispositifs optiques et les systèmes optoélectroniques, les caractéristiques de la LN peuvent fournir des fonctions et des performances riches, favorisant le développement de la communication optique, de l'informatique optique et des champs de détection optique. Cependant, en raison de la faiblesse d'absorption et des propriétés d'isolation du niobate de lithium, l'application intégrée du niobate de lithium est toujours confrontée au problème de la détection difficile. Ces dernières années, les rapports dans ce domaine incluent principalement des photodétecteurs intégrés à guide d'onde et des photodétecteurs d'hétérojonction.
Le photodétecteur intégré de guide d'onde basé sur le niobate de lithium est généralement axé sur la bande C de communication optique (1525-1565 nm). En termes de fonction, LN joue principalement le rôle des ondes guidées, tandis que la fonction de détection optoélectronique repose principalement sur des semi-conducteurs tels que le silicium, le groupe III-V étroit semi-conducteurs et les matériaux bidimensionnels. Dans une telle architecture, la lumière est transmise par des guides d'ondes optiques au lithium niobate à faible perte, puis absorbée par d'autres matériaux semi-conducteurs basés sur des effets photoélectriques (tels que la photoconductivité ou les effets photovoltaïques) pour augmenter la concentration de porteuse et la convertir en signaux électriques pour la production. Les avantages sont une bande passante de fonctionnement élevée (~ ghz), une faible tension de fonctionnement, une petite taille et une compatibilité avec l'intégration des puces photoniques. Cependant, en raison de la séparation spatiale des matériaux de niobate de lithium et de semi-conducteurs, bien qu'ils remplissent chacun leurs propres fonctions, le LN ne joue qu'un rôle dans le guidage des ondes et d'autres excellentes propriétés étrangères n'ont pas été bien utilisées. Les matériaux semi-conducteurs ne jouent qu'un rôle dans la conversion photoélectrique et manquent de couplage complémentaire les uns avec les autres, ce qui se traduit par une bande d'exploitation relativement limitée. En termes de mise en œuvre spécifique, le couplage de la lumière de la source de lumière au guide d'onde optique au lithium niobate entraîne des pertes significatives et des exigences de processus strictes. De plus, la puissance optique réelle de la lumière irradiée sur le canal du dispositif semi-conducteur dans la région de couplage est difficile à calibrer, ce qui limite ses performances de détection.
Le traditionnelphotodétecteursUtilisé pour les applications d'imagerie est généralement basé sur des matériaux semi-conducteurs. Par conséquent, pour le niobate de lithium, sa faible taux d'absorption de lumière et ses propriétés isolantes le rendent sans aucun doute favorisé par les chercheurs photodétector, et même un point difficile dans le domaine. Cependant, le développement de la technologie des hétérojonction au cours des dernières années a apporté de l'espoir à la recherche sur des photodétecteurs basés sur le lithium. D'autres matériaux avec une forte absorption de lumière ou une excellente conductivité peuvent être intégrés de manière hétérogène au niobate de lithium pour compenser ses lacunes. Dans le même temps, la polarisation spontanée a induit des caractéristiques pyroélectriques du niobate de lithium en raison de son anisotropie structurelle peut être contrôlée en convertissant en chaleur sous une irradiation légère, modifiant ainsi les caractéristiques pyroélectriques pour la détection optoélectronique. Cet effet thermique présente les avantages de la large bande et de l'auto-conduite, et peut être bien complété et fusionné avec d'autres matériaux. L'utilisation synchrone des effets thermiques et photoélectriques a ouvert une nouvelle ère pour les photodétecteurs à base de lithium au niobate, permettant aux appareils de combiner les avantages des deux effets. Et pour compenser les lacunes et atteindre l'intégration complémentaire des avantages, il s'agit d'un hotspot de recherche ces dernières années. De plus, l'utilisation de l'implantation ionique, de l'ingénierie des bandes et de l'ingénierie des défauts est également un bon choix pour résoudre la difficulté de détecter le niobate de lithium. Cependant, en raison de la difficulté de traitement élevée du niobate de lithium, ce domaine est toujours confronté à de grands défis tels que une faible intégration, des dispositifs d'imagerie de tableau et des systèmes, et des performances insuffisantes, qui ont une grande valeur de recherche et un espace.
Figure 1, en utilisant les états d'énergie de défaut dans la bande interdite LN comme centres de donneurs d'électrons, les porteurs de charge gratuits sont générés dans la bande de conduction sous excitation légère visible. Par rapport aux photodétecteurs Pyroélectriques LN précédents, qui étaient généralement limités à une vitesse de réponse d'environ 100 Hz, ceLN photodétecteurA une vitesse de réponse plus rapide jusqu'à 10 kHz. Pendant ce temps, dans ce travail, il a été démontré que le LN dopé à l'ion de magnésium peut atteindre une modulation de lumière externe avec une réponse allant jusqu'à 10 kHz. Ce travail favorise la recherche sur les performances élevées etPhotodétecteurs LN à grande vitesseDans la construction de puces photoniques LN intégrées à puce unique entièrement fonctionnelles.
En résumé, le domaine de recherche dePhotodétecteurs au lithium à couches mincesa une signification scientifique importante et un énorme potentiel d'application pratique. À l'avenir, avec le développement de la technologie et l'approfondissement de la recherche, les photodétecteurs au lithium niobate (LN) à couches minces se développeront vers une intégration plus élevée. La combinaison de différentes méthodes d'intégration pour obtenir des photodétecteurs de niobate de lithium à couches minces à haute performance et à large bande de grande bande deviendra une réalité, qui favorisera considérablement le développement de l'intégration sur puce et des champs de détection intelligents, et offrira beaucoup de possibilités pour le Nouvelle génération d'applications photoniques.
Heure du poste: 17 février-2025