Bộ tách sóng quang màng mỏng lithium niobate (LN)

Bộ tách sóng quang màng mỏng lithium niobate (LN)

Liti niobat (LN) có cấu trúc tinh thể độc đáo và các hiệu ứng vật lý phong phú, chẳng hạn như hiệu ứng phi tuyến tính, hiệu ứng điện quang, hiệu ứng nhiệt điện và hiệu ứng áp điện. Đồng thời, nó có ưu điểm là cửa sổ trong suốt quang học băng rộng và độ ổn định lâu dài. Những đặc điểm này khiến 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 tính của LN có thể cung cấp các chức năng và hiệu suất phong phú, thúc đẩy sự phát triển của truyền thông quang học, tính toán quang học và các lĩnh vực cảm biến quang học. Tuy nhiên, do đặc tính hấp thụ và cách điện yếu của Liti niobat, ứng dụng tích hợp của Liti niobat vẫn gặp phải 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 tiếp giáp.
Bộ tách sóng quang tích hợp ống dẫn sóng dựa trên lithium niobate thường tập trung vào dải C truyền thông quang học (1525-1565nm). Về chức năng, LN chủ yếu đóng vai trò 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 khe hẹp nhóm III-V và vật liệu hai chiều. Trong kiến ​​trúc này, ánh sáng được truyền qua ống dẫn sóng quang lithium niobate với tổn hao 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 xuất 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 không gian giữa lithium niobate và vật liệu bán dẫn, mặc dù mỗi vật liệu đều thực hiện các chức năng riêng, LN chỉ đóng vai trò sóng dẫn và các đặc tính ngoại lai tuyệt vời khác chưa được khai thác hiệu quả. Vật liệu bán dẫn chỉ đóng vai trò chuyển đổi quang điện và thiếu sự ghép nối bổ sung với nhau, dẫn đến dải 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 gây ra 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 quangCác 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 đặc tính cách điện của nó chắc chắn không được các nhà nghiên cứu 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 heterojunction trong những năm gần đây đã mang lại hy vọng cho việc nghiên cứu cảm biến 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 những thiếu sót của nó. Đồng thời, đặc tính nhiệt điện do phân cực tự phát 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 đặc tính nhiệt điện cho phát hiện quang điện tử. Hiệu ứng nhiệt này có ưu điểm là băng thông rộng và tự lái, đồng thời có thể được bổ sung và hợp nhất tốt với các vật liệu khác. Việc sử dụng đồng bộ hiệu ứng nhiệt và quang điện đã mở ra một kỷ nguyên mới cho cảm biến quang dựa trên lithium niobate, cho phép các thiết bị kết hợp ưu điểm của cả hai hiệu ứng. Và để bù đắp 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 kỹ thuật cấy ion, kỹ thuật dải 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 độ tích hợp thấp, thiết bị và hệ thống hình ảnh mảng, và hiệu suất không đủ, vốn có giá trị nghiên cứu và không gian nghiên cứu lớn.

Hình 1, sử dụng các trạng thái năng lượng khuyết tật trong vùng cấm LN làm tâm cho electron, các hạt mang điện tự do được tạo ra trong vùng dẫn dưới sự kích thích của ánh sáng khả kiến. So với các bộ tách sóng quang LN nhiệt điện trước đây, thường bị giới hạn ở tốc độ phản hồi khoảng 100Hz, thì bộ tách sóng nàyBộ tách sóng quang LNcó tốc độ phản hồi nhanh hơn, lên đến 10kHz. Đồng thời, trong nghiên cứu này, người ta đã chứng minh rằng LN pha tạp ion magiê có thể đạt được điều chế ánh sáng ngoài với đáp ứng lên đến 10kHz. Nghiên cứu 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 đầy đủ chức năng.
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 tiễn to lớn. Trong tương lai, với sự phát triển của công nghệ và việc đào sâu nghiên cứu, bộ tách sóng quang màng mỏng lithium niobate (LN) sẽ được phát triển theo hướng tích hợp cao hơn. Việc kết hợp các phương pháp tích hợp khác nhau để đạt được hiệu suất cao, phản ứng nhanh và băng thông rộng của bộ tách sóng quang màng mỏng lithium niobate trên mọi phương diện sẽ trở thành hiện thực, thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển của tích hợp trên chip và trường cảm biến thông minh, đồng thời mở ra nhiều khả năng hơn cho thế hệ ứng dụng quang tử mới.