גלאי פוטו ליתיום ניובט (LN) דק

גלאי פוטו ליתיום ניובט (LN) דק

לליתיום ניובט (LN) מבנה גבישי ייחודי ואפקטים פיזיקליים עשירים, כגון אפקטים לא ליניאריים, אפקטים אלקטרו-אופטיים, אפקטים פירואלקטריים ואפקטים פיזואלקטריים. יחד עם זאת, יש לו יתרונות של חלון שקיפות אופטי רחב פס ויציבות ארוכת טווח. מאפיינים אלה הופכים את LN לפלטפורמה חשובה לדור החדש של פוטוניקה משולבת. במכשירים אופטיים ובמערכות אופטואלקטרוניות, המאפיינים של LN יכולים לספק פונקציות וביצועים עשירים, ולקדם את פיתוח תחומי התקשורת האופטית, המחשוב האופטי ותחומי החישה האופטית. עם זאת, בשל תכונות הבליעה והבידוד החלשות של ליתיום ניובט, היישום המשולב של ליתיום ניובט עדיין מתמודד עם בעיית זיהוי קשה. בשנים האחרונות, דיווחים בתחום זה כוללים בעיקר גלאי פוטו משולבים של מוליכי גל וגלאי פוטו הטרוצונקציה.
גלאי הפוטואלקטרוני המשולב של מוליך גלים המבוסס על ליתיום ניובט מתמקד בדרך כלל בפס C של תקשורת אופטית (1525-1565 ננומטר). מבחינת תפקוד, LN ממלא בעיקר את תפקיד הגלים המודרכים, בעוד שתפקוד הגילוי האופטואלקטרוני מסתמך בעיקר על מוליכים למחצה כמו סיליקון, מוליכים למחצה בעלי פער פס צר מקבוצת III-V וחומרים דו-ממדיים. בארכיטקטורה כזו, אור מועבר דרך מוליכי גל אופטיים של ליתיום ניובט עם הפסדים נמוכים, ולאחר מכן נספג על ידי חומרי מוליכים למחצה אחרים המבוססים על אפקטים פוטואלקטריים (כגון מוליכות פוטואלקטרית או אפקטים פוטו-וולטאיים) כדי להגדיל את ריכוז הנושא ולהמיר אותו לאותות חשמליים לפלט. היתרונות הם רוחב פס פעולה גבוה (~GHz), מתח פעולה נמוך, גודל קטן ותאימות עם שילוב שבבים פוטוניים. עם זאת, בשל ההפרדה המרחבית של חומרי ליתיום ניובט וחומרי מוליכים למחצה, למרות שכל אחד מהם מבצע את הפונקציות שלו, LN ממלא תפקיד רק בהנחיית גלים ותכונות זרות מצוינות אחרות לא נוצלו היטב. חומרי מוליכים למחצה ממלאים תפקיד רק בהמרה פוטואלקטרית וחסרים צימוד משלים זה עם זה, וכתוצאה מכך פס פעולה מוגבל יחסית. מבחינת יישום ספציפי, צימוד האור ממקור האור למוליך הגל האופטי של ליתיום ניובט גורם להפסדים משמעותיים ולדרישות תהליך מחמירות. בנוסף, קשה לכייל את ההספק האופטי בפועל של האור המוקרן על ערוץ התקן המוליך למחצה באזור הצימוד, דבר המגביל את ביצועי הגילוי שלו.
המסורתיגלאי צילוםהמשמשים ליישומי הדמיה מבוססים בדרך כלל על חומרים מוליכים למחצה. לכן, עבור ליתיום ניובט, קצב ספיגת האור הנמוך שלו ותכונות הבידוד שלו הופכים אותו ללא ספק ללא מועדף על ידי חוקרי גלאי פוטו, ואף לנקודה קשה בתחום. עם זאת, פיתוח טכנולוגיית ההטרוגאנצ'ן בשנים האחרונות הביא תקווה למחקר של גלאי פוטו מבוססי ליתיום ניובט. חומרים אחרים בעלי ספיגת אור חזקה או מוליכות מצוינת ניתנים לשילוב הטרוגני עם ליתיום ניובט כדי לפצות על חסרונותיו. במקביל, המאפיינים הפירואלקטריים המושרים על ידי קיטוב ספונטני עקב האניסוטרופיה המבנית שלו ניתנים לשליטה על ידי המרה לחום תחת קרינת אור, ובכך לשנות את המאפיינים הפירואלקטריים לגילוי אופטואלקטרוני. לאפקט תרמי זה יש יתרונות של נהיגה רחבת פס ועצמאית, וניתן להשלים אותו ולמזג אותו היטב עם חומרים אחרים. השימוש הסינכרוני באפקטים תרמיים ופוטואלקטריים פתח עידן חדש עבור גלאי פוטו מבוססי ליתיום ניובט, המאפשר למכשירים לשלב את היתרונות של שני האפקטים. וכדי לפצות על החסרונות ולהשיג שילוב משלים של יתרונות, זהו מוקד מחקר בשנים האחרונות. בנוסף, השימוש בהשתלת יונים, הנדסת פסים והנדסת פגמים גם הוא בחירה טובה לפתרון הקושי בזיהוי ליתיום ניובט. עם זאת, עקב קושי העיבוד הגבוה של ליתיום ניובט, תחום זה עדיין מתמודד עם אתגרים גדולים כגון אינטגרציה נמוכה, התקני ומערכות הדמיה של מערכים וביצועים לא מספקים, אשר בעלי ערך ומרחב מחקרי גדולים.

איור 1, תוך שימוש במצבי אנרגיית הפגם בתוך פער האנרגיה של LN כמרכזי תורמי אלקטרונים, נוצרים נושאי מטען חופשיים בפס ההולכה תחת עירור אור נראה. בהשוואה לגלאי פוטואלקטריים פירואלקטריים קודמים של LN, אשר בדרך כלל היו מוגבלים למהירות תגובה של כ-100 הרץ, זהגלאי פוטואידקטור LNבעל מהירות תגובה מהירה יותר של עד 10 קילו-הרץ. בינתיים, בעבודה זו, הודגם כי LN מסומם ביוני מגנזיום יכול להשיג אפנון אור חיצוני עם תגובה של עד 10 קילו-הרץ. עבודה זו מקדמת את המחקר על ביצועים גבוהים וגלאי פוטו LN במהירות גבוההבבניית שבבי פוטוניקה LN משולבים בעלי שבב יחיד פונקציונליים לחלוטין.
לסיכום, תחום המחקר שלגלאי פוטו ליתיום ניובט דקבעל משמעות מדעית חשובה ופוטנציאל יישום מעשי עצום. בעתיד, עם התפתחות הטכנולוגיה והעמקת המחקר, גלאי פוטואלקטריים בעלי שכבה דקה של ליתיום ניובט (LN) יתפתחו לכיוון אינטגרציה גבוהה יותר. שילוב שיטות אינטגרציה שונות להשגת גלאי פוטואלקטריים בעלי ביצועים גבוהים, תגובה מהירה ופס רחב בכל ההיבטים יהפוך למציאות, מה שיקדם מאוד את פיתוח האינטגרציה על השבב ותחומי החישה החכמים, ויספק אפשרויות נוספות לדור החדש של יישומי פוטוניקה.