Bộ tách sóng quang màng mỏng lithium niobate (LN)

Bộ tách sóng quang màng mỏng lithium niobate (LN)

Lithium niobate (LN) có cấu trúc tinh thể độc đáo và các hiệu ứng vật lý phong phú, chẳng hạn như các hiệu ứng phi tuyến tính, hiệu ứng điện quang, hiệu ứng nhiệt điện và hiệu ứng áp điện. Đồng thời, nó có các ưu điểm là cửa sổ trong suốt quang học băng thông rộng và độ ổn định lâu dài. Những đặc điểm này làm cho LN trở thành nền tảng quan trọng cho thế hệ quang tử tích hợp mới. Trong các thiết bị quang học và hệ thống quang điện tử, các đặc điểm của LN có thể cung cấp các chức năng và hiệu suất phong phú, thúc đẩy sự phát triển của truyền thông quang học, máy tính quang học và các lĩnh vực cảm biến quang học. Tuy nhiên, do các đặc tính hấp thụ và cách điện yếu của lithium niobate, ứng dụng tích hợp của lithium niobate vẫn phải đối mặt với vấn đề khó phát hiện. Trong những năm gần đây, các báo cáo trong lĩnh vực này chủ yếu bao gồm các bộ tách sóng quang tích hợp ống dẫn sóng và các bộ tách sóng quang dị hợp.
Bộ tách sóng quang tích hợp ống dẫn sóng dựa trên lithium niobate thường tập trung vào băng tần C truyền thông quang học (1525-1565nm). Về mặt chức năng, LN chủ yếu đóng vai trò là sóng dẫn, trong khi chức năng phát hiện quang điện tử chủ yếu dựa vào các chất bán dẫn như silicon, chất bán dẫn có khoảng cách dải hẹp nhóm III-V và vật liệu hai chiều. Trong kiến ​​trúc như vậy, ánh sáng được truyền qua ống dẫn sóng quang lithium niobate với tổn thất thấp, sau đó được hấp thụ bởi các vật liệu bán dẫn khác dựa trên hiệu ứng quang điện (như hiệu ứng quang dẫn hoặc quang điện) để tăng nồng độ hạt mang và chuyển đổi thành tín hiệu điện để đưa ra. Ưu điểm là băng thông hoạt động cao (~GHz), điện áp hoạt động thấp, kích thước nhỏ và khả năng tương thích với tích hợp chip quang tử. Tuy nhiên, do sự tách biệt về mặt không gian của lithium niobate và vật liệu bán dẫn, mặc dù mỗi vật liệu đều thực hiện các chức năng riêng, LN chỉ đóng vai trò là sóng dẫn và các đặc tính ngoại lai tuyệt vời khác vẫn chưa được tận dụng tốt. Vật liệu bán dẫn chỉ đóng vai trò trong chuyển đổi quang điện và thiếu sự ghép nối bổ sung với nhau, dẫn đến băng tần hoạt động tương đối hạn chế. Về mặt triển khai cụ thể, việc ghép nối ánh sáng từ nguồn sáng với ống dẫn sóng quang lithium niobate dẫn đến tổn thất đáng kể và yêu cầu quy trình nghiêm ngặt. Ngoài ra, công suất quang thực tế của ánh sáng chiếu vào kênh thiết bị bán dẫn trong vùng ghép nối rất khó hiệu chuẩn, điều này hạn chế hiệu suất phát hiện của nó.
Truyền thốngbộ tách sóng quangđược sử dụng cho các ứng dụng hình ảnh thường dựa trên vật liệu bán dẫn. Do đó, đối với lithium niobate, tỷ lệ hấp thụ ánh sáng thấp và tính chất cách điện của nó khiến nó chắc chắn không được các nhà nghiên cứu máy dò quang ưa chuộng và thậm chí là một điểm khó trong lĩnh vực này. Tuy nhiên, sự phát triển của công nghệ heterojunction trong những năm gần đây đã mang lại hy vọng cho nghiên cứu về máy dò quang dựa trên lithium niobate. Các vật liệu khác có khả năng hấp thụ ánh sáng mạnh hoặc độ dẫn điện tuyệt vời có thể được tích hợp không đồng nhất với lithium niobate để bù đắp cho những thiếu sót của nó. Đồng thời, các đặc tính nhiệt điện do phân cực tự phát gây ra của lithium niobate do tính dị hướng về cấu trúc của nó có thể được kiểm soát bằng cách chuyển đổi thành nhiệt dưới sự chiếu xạ ánh sáng, do đó thay đổi các đặc tính nhiệt điện để phát hiện quang điện tử. Hiệu ứng nhiệt này có ưu điểm là băng thông rộng và tự lái, và có thể được bổ sung và hợp nhất tốt với các vật liệu khác. Việc sử dụng đồng bộ các hiệu ứng nhiệt và quang điện đã mở ra một kỷ nguyên mới cho máy dò quang dựa trên lithium niobate, cho phép các thiết bị kết hợp các ưu điểm của cả hai hiệu ứng. Và để bù đắp cho những thiếu sót và đạt được sự tích hợp bổ sung các ưu điểm, Đây là một điểm nóng nghiên cứu trong những năm gần đây. Ngoài ra, việc sử dụng cấy ion, kỹ thuật băng và kỹ thuật khuyết tật cũng là một lựa chọn tốt để giải quyết khó khăn trong việc phát hiện lithium niobate. Tuy nhiên, do độ khó xử lý cao của lithium niobate, lĩnh vực này vẫn phải đối mặt với những thách thức lớn như tích hợp thấp, thiết bị và hệ thống hình ảnh mảng và hiệu suất không đủ, có giá trị nghiên cứu và không gian lớn.

Hình 1, sử dụng các trạng thái năng lượng khuyết tật trong khoảng cách dải LN làm trung tâm cho electron, các hạt mang điện tích tự do được tạo ra trong dải dẫn dưới sự kích thích của ánh sáng khả kiến. So với các máy dò quang LN nhiệt điện trước đây, thường bị giới hạn ở tốc độ phản hồi khoảng 100Hz, thìMáy dò quang LNcó tốc độ phản hồi nhanh hơn lên đến 10kHz. Trong khi đó, trong công trình này, người ta đã chứng minh rằng LN pha tạp ion magiê có thể đạt được điều chế ánh sáng bên ngoài với phản hồi lên đến 10kHz. Công trình này thúc đẩy nghiên cứu về hiệu suất cao vàmáy dò quang LN tốc độ caotrong việc xây dựng các chip quang tử LN tích hợp đơn chip có chức năng đầy đủ.
Tóm lại, lĩnh vực nghiên cứu củamáy dò quang lithium niobate màng mỏngcó ý nghĩa khoa học quan trọng và tiềm năng ứng dụng thực tế to lớn. Trong tương lai, với sự phát triển của công nghệ và sự đào sâu nghiên cứu, các bộ tách sóng quang màng mỏng lithium niobate (LN) sẽ phát triển theo hướng tích hợp cao hơn. Kết hợp các phương pháp tích hợp khác nhau để đạt được các bộ tách sóng quang màng mỏng lithium niobate hiệu suất cao, phản ứng nhanh và băng thông rộng ở mọi khía cạnh sẽ trở thành hiện thực, điều này sẽ thúc đẩy đáng kể sự phát triển của tích hợp trên chip và trường cảm biến thông minh, đồng thời cung cấp nhiều khả năng hơn cho thế hệ ứng dụng quang tử mới.