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 nhiều hiệu ứng vật lý phong phú, chẳng hạn như hiệu ứng phi tuyến, hiệu ứng điện quang, hiệu ứng nhiệt điện và hiệu ứng áp điện. Đồng thời, nó có ưu điểm là cửa sổ truyền dẫn quang băng rộng và độ ổn định lâu dài. Những đặc điểm này làm cho LN trở thành một 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 tính của LN có thể cung cấp nhiều chức năng và hiệu suất, thúc đẩy sự phát triển của các lĩnh vực truyền thông quang học, điện toán quang học và cảm biến quang học. Tuy nhiên, do tính chất hấp thụ và cách điện yếu của lithium niobate, việc ứng dụng tích hợp lithium niobate vẫn gặp khó khăn trong việc 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 thể.
Bộ tách sóng quang tích hợp dựa trên niobat lithi thường tập trung vào băng tần C (1525-1565nm) trong truyền thông quang học. Về chức năng, niobat lithi chủ yếu đóng vai trò dẫn sóng, trong khi chức năng phát hiện quang điện chủ yếu dựa vào các chất bán dẫn như silic, chất bán dẫn có dải năng lượng hẹp nhóm III-V và vật liệu hai chiều. Trong kiến ​​trúc này, ánh sáng được truyền qua các ống dẫn sóng quang niobat lithi với tổn hao thấp, sau đó được hấp thụ bởi các vật liệu bán dẫn khác dựa trên hiệu ứng quang điện (như quang dẫn hoặc hiệu ứng quang điện) để tăng nồng độ hạt tải điện và chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện để xuất ra. Ưu điểm là băng thông hoạt động cao (~GHz), điện áp hoạt động thấp, kích thước nhỏ và tương thích với việc tích hợp chip quang tử. Tuy nhiên, do sự tách biệt về không gian giữa niobat lithi và các vật liệu bán dẫn, mặc dù mỗi loại đều thực hiện các chức năng riêng, niobat lithi chỉ đóng vai trò dẫn sóng và các đặc tính ưu việt khác chưa được tận dụng tốt. Các vật liệu bán dẫn chỉ đóng vai trò chuyển đổi quang điện và thiếu sự ghép nối bổ sung với nhau, dẫn đến băng thông hoạt động tương đối hạn chế. Về mặt triển khai cụ thể, việc ghép nối ánh sáng từ nguồn sáng vào 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 chỉnh, điều này hạn chế hiệu suất phát hiện của nó.
Truyền thốngbộ tách sóng quangCác vật liệu được sử dụng trong ứng dụng hình ảnh thường dựa trên vật liệu bán dẫn. Do đó, đối với niobat lithi, tỷ lệ hấp thụ ánh sáng thấp và tính chất cách điện khiến nó không được các nhà nghiên cứu về cảm biến quang ưa chuộng, thậm chí còn là một điểm khó khăn trong lĩnh vực này. Tuy nhiên, sự phát triển của công nghệ dị thể trong những năm gần đây đã mang lại hy vọng cho nghiên cứu về cảm biến quang dựa trên niobat lithi. Các vật liệu khác có khả năng hấp thụ ánh sáng mạnh hoặc độ dẫn điện tuyệt vời có thể được tích hợp dị thể với niobat lithi để bù đắp những nhược điểm của nó. Đồng thời, đặc tính nhiệt điện do phân cực tự phát của niobat lithi do tính dị hướng cấu trúc của nó có thể được kiểm soát bằng cách chuyển đổi thành nhiệt dưới tác động của ánh sáng, từ đó thay đổi đặc tính nhiệt điện cho việc phát hiện quang điện tử. Hiệu ứng nhiệt này có ưu điểm là băng thông rộng và tự điều khiển, và có thể được bổ sung và kết hợp tốt với các vật liệu khác. Việc sử dụng đồng thời hiệu ứng nhiệt và quang điện đã mở ra một kỷ nguyên mới cho cảm biến quang dựa trên niobat lithi, cho phép các thiết bị kết hợp những ưu điểm của cả hai hiệu ứng. Và để bù đắp những nhược điểm 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 dải năng lượng và kỹ thuật khuyết tật cũng là một lựa chọn tốt để giải quyết khó khăn trong việc phát hiện niobat lithi. Tuy nhiên, do độ khó xử lý cao của niobat lithi, lĩnh vực này vẫn còn đối mặt với nhiều thách thức lớn như tính tích hợp thấp, thiết bị và hệ thống hình ảnh mảng, và hiệu năng chưa đủ, do đó vẫn còn giá trị và tiềm năng nghiên cứu rất lớn.

Hình 1, sử dụng các trạng thái năng lượng khuyết tật trong khe năng lượng LN làm trung tâm cho electron, các hạt tải điện tự do được tạo ra trong dải dẫn dưới kích thích ánh sáng nhìn thấy. So với các bộ tách sóng quang LN nhiệt điện trước đây, thường bị giới hạn ở tốc độ phản hồi khoảng 100Hz, bộ tách sóng quang này...Bộ tách sóng quang LNcó tốc độ phản hồi nhanh hơn, lên đến 10kHz. Trong khi đó, trong nghiên cứu này, đã chứng minh rằng LN pha tạp ion magiê có thể đạt được khả năng điều biến ánh sáng bên ngoài với tốc độ phản hồi lên đến 10kHz. Nghiên cứu này thúc đẩy nghiên cứu về hiệu suất cao vàđầu dò quang LN tốc độ caotrong việc chế tạo các chip quang tử LN tích hợp đơn chip hoàn chỉnh.
Tóm lại, lĩnh vực nghiên cứu củabộ tách sóng quang màng mỏng lithium niobateNó có ý nghĩa khoa học quan trọng và tiềm năng ứng dụng thực tiễn to lớn. Trong tương lai, với sự phát triển của công nghệ và việc nghiên cứu ngày càng sâu rộng, các bộ tách sóng quang lithium niobate (LN) màng mỏng sẽ phát triển theo hướng tích hợp cao hơn. Việc kết hợp các phương pháp tích hợp khác nhau để đạt được các bộ tách sóng quang lithium niobate màng mỏng hiệu suất cao, phản hồi nhanh và băng thông rộng trên mọi khía cạnh sẽ trở thành hiện thực, điều này sẽ thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển của lĩnh vực tích hợp trên chip và cảm biến thông minh, đồng thời cung cấp nhiều khả năng hơn cho thế hệ ứng dụng quang tử mới.