סרט דק ליתיום ניובייט (LN)

סרט דק ליתיום ניובייט (LN)

ליתיום ניובאט (LN) יש מבנה גביש ייחודי והשפעות פיזיות עשירות, כמו השפעות לא לינאריות, השפעות אלקטרו-אופטיות, השפעות פיירואלקטריות והשפעות פיזואלקטריות. יחד עם זאת, יש לו את היתרונות של חלון שקיפות אופטי רחבה ויציבות לטווח הארוך. מאפיינים אלה הופכים את LN לפלטפורמה חשובה לדור החדש של פוטוניקה משולבת. במכשירים אופטיים ובמערכות אופטו -אלקטרוניות, המאפיינים של LN יכולים לספק פונקציות וביצועים עשירים, ולקידום פיתוח תקשורת אופטית, מחשוב אופטי ושדות חישה אופטיים. עם זאת, בשל תכונות הקליטה והבידוד החלשות של ליתיום ניובאט, היישום המשולב של ליתיום ניובאט עדיין עומד בפני בעיית הגילוי הקשה. בשנים האחרונות, הדיווחים בתחום זה כוללים בעיקר מגזרי פוטו -גלאי גלגלי גל ומגני פוטו -גטורי פוטו.
גלאי הצילום המשולב של מוליך הגל המבוסס על ליתיום ניובאט מתמקד בדרך כלל בפס C של התקשורת האופטית (1525-1565nm). מבחינת התפקוד, LN ממלאת בעיקר את התפקיד של גלים מודרכים, ואילו פונקציית הגילוי האופטואלקטרונית נשענת בעיקר על מוליכים למחצה כמו סיליקון, III-V קבוצת מוליכים למחצה צרים של מוליכים למחצה, וחומרים דו ממדיים. בארכיטקטורה כזו, האור מועבר באמצעות מדריכי גל אופטיים ליתיום ניובאט עם אובדן נמוך, ואז נספג על ידי חומרים מוליכים למחצה אחרים המבוססים על השפעות פוטו -אלקטרוניות (כמו מוליכות פוטו או השפעות פוטו -וולטאיות) כדי להגביר את ריכוז המנשא ולהמירו לאותות חשמליים לתפוקה. היתרונות הם רוחב פס הפעלה גבוהה (~ GHz), מתח הפעלה נמוך, גודל קטן ותאימות לשילוב שבבים פוטוניים. עם זאת, בשל ההפרדה המרחבית של חומרים ליתיום ניובאט ומוליכים למחצה, אם כי כל אחד מהם מבצע פונקציות משלהם, LN ממלא רק תפקיד בהנחיית גלים ותכונות זרות מצוינות אחרות לא נעשה שימוש היטב. חומרי מוליכים למחצה ממלאים רק תפקיד בהמרה פוטו -אלקטרונית וחסרי צימוד משלים זה עם זה, וכתוצאה מכך פס הפעלה מוגבל יחסית. מבחינת היישום הספציפי, צימוד האור ממקור האור לליטיום ניובאט מוליד גל אופטי מביא להפסדים משמעותיים ודרישות תהליכים קפדניים. בנוסף, קשה לכיול את הכוח האופטי בפועל של האור המוקרן על ערוץ המכשיר של המוליכים למחצה באזור הצימוד, מה שמגביל את ביצועי הגילוי שלו.
המסורתיפוטו -גטוריםמשמש ליישומי הדמיה מבוסס בדרך כלל על חומרים מוליכים למחצה. לפיכך, עבור ליתיום ניובאט, קצב ספיגת האור הנמוך שלו ותכונות הבידוד הופכים אותו ללא ספק לא מועדף על ידי חוקרי גלאי פוטו, ואפילו נקודה קשה בתחום. עם זאת, פיתוח טכנולוגיית הטרוג'ונקונטינג בשנים האחרונות הביא את התקווה למחקר של פוטו -גטורים מבוססי ליתיום ניובאט. ניתן לשלב חומרים אחרים עם ספיגת אור חזק או מוליכות מעולה באופן הטרוגני עם ליתיום ניובאט כדי לפצות על חסרונותיה. יחד עם זאת, הקיטוב הספונטני גרם למאפיינים פיירואלקטריים של ליתיום ניובאט בגלל האניסוטרופיה המבנית שלו ניתן לשלוט על ידי המרת חום תחת הקרנת אור, ובכך לשנות את המאפיינים הפירואלקטריים לגילוי אופטואלקטרוני. לאפקט תרמי זה יש יתרונות של נהיגה רחבה ונהיגה עצמית, ויכול להיות משלים היטב ולהתמזג עם חומרים אחרים. השימוש הסינכרוני של השפעות תרמיות ופוטו -אלקטרוניות פתח עידן חדש עבור גזורי פוטו -גטורי פוטו מבוססי ליתיום ניובאט, מה שמאפשר למכשירים לשלב את היתרונות של שתי ההשפעות. וכדי לפצות על החסרונות ולהשיג שילוב משלים של היתרונות, זהו נקודה חמה מחקרית בשנים האחרונות. בנוסף, השימוש בהשתלת יונים, הנדסת להקות והנדסת פגמים הוא גם בחירה טובה לפתור את הקושי באיתור ליתיום ניובאט. עם זאת, בשל קושי העיבוד הגבוה של ליתיום ניובאט, תחום זה עדיין עומד בפני אתגרים גדולים כמו שילוב נמוך, מכשירי הדמיה ומערכות מערך וביצועים לא מספקים, שיש להם ערך מחקרי ומרחב רב.

איור 1, תוך שימוש במצבי אנרגיית הפגמים בתוך ה- LN Bandgap כמרכזי תורמים אלקטרונים, נוצרים נשאי מטען חופשי ברצועת ההולכה תחת עירור אור גלוי. בהשוואה לפוטו -גטורי פוטו של Pyroelectric קודמים, שהיו מוגבלים בדרך כלל למהירות תגובה של בערך 100 הרץ, זהLN פוטו -גלאייש מהירות תגובה מהירה יותר של עד 10kHz. בינתיים, בעבודה זו, הוכח כי יון מגנזיום מסומם LN יכול להשיג אפנון אור חיצוני עם תגובה של עד 10 קילו הרץ. עבודה זו מקדמת את המחקר על ביצועים גבוהים ופוטו-גטורי פוטו במהירות גבוההבבניית שבבים פוטוניים משולבים עם שבב יחיד משולב לחלוטין.
לסיכום, תחום המחקר שלסרט דק ליתיום ניובאטיש משמעות מדעית חשובה ופוטנציאל יישום מעשי עצום. בעתיד, עם פיתוח טכנולוגיה והעמקת המחקר, יתפתחו פוטו -גלאי פוטו -סרטי דק ליתיום ניובאט (LN) לקראת שילוב גבוה יותר. שילוב שיטות אינטגרציה שונות להשגת ביצועים גבוהים, תגובה מהירה וסרט דק לרוחב לרוחב ליתיום ניובאט פוטו-גזורים בכל ההיבטים יהפכו למציאות, שתעוד מאוד את פיתוח השילוב של השילוב והחלישה החכמה, ויספקו אפשרויות נוספות לפיתוח דור חדש של יישומי פוטוניקה.