آشکارساز نوری لایه نازک لیتیوم نیوبات (LN)
لیتیوم نیوبات (LN) دارای ساختار کریستالی منحصر به فرد و اثرات فیزیکی غنی مانند اثرات غیرخطی، اثرات الکترواپتیکی، اثرات پیروالکتریک و اثرات پیزوالکتریک است. در عین حال، از مزایای پنجره شفافیت نوری پهن باند و پایداری طولانی مدت برخوردار است. این ویژگی‌ها، LN را به بستری مهم برای نسل جدید فوتونیک مجتمع تبدیل می‌کند. در دستگاه‌های نوری و سیستم‌های اپتوالکترونیکی، ویژگی‌های LN می‌تواند عملکرد و کارایی غنی‌ای را ارائه دهد و توسعه ارتباطات نوری، محاسبات نوری و میدان‌های حسگر نوری را ارتقا دهد. با این حال، به دلیل خواص جذب و عایق ضعیف لیتیوم نیوبات، کاربرد مجتمع لیتیوم نیوبات هنوز با مشکل تشخیص دشوار روبرو است. در سال‌های اخیر، گزارش‌ها در این زمینه عمدتاً شامل آشکارسازهای نوری مجتمع موجبر و آشکارسازهای نوری ناهمگون است.
آشکارساز نوری یکپارچه موجبر مبتنی بر لیتیوم نیوبات معمولاً بر باند C ارتباطات نوری (1525-1565 نانومتر) متمرکز است. از نظر عملکرد، LN عمدتاً نقش امواج هدایت‌شده را ایفا می‌کند، در حالی که عملکرد تشخیص اپتوالکترونیکی عمدتاً به نیمه‌رساناهایی مانند سیلیکون، نیمه‌رساناهای با شکاف باند باریک گروه III-V و مواد دوبعدی متکی است. در چنین معماری، نور از طریق موجبرهای نوری لیتیوم نیوبات با تلفات کم منتقل می‌شود و سپس توسط سایر مواد نیمه‌رسانا بر اساس اثرات فوتوالکتریک (مانند اثرات فوتورسانایی یا فتوولتائیک) جذب می‌شود تا غلظت حامل را افزایش داده و آن را به سیگنال‌های الکتریکی برای خروجی تبدیل کند. مزایای آن پهنای باند عملیاتی بالا (~ گیگاهرتز)، ولتاژ عملیاتی پایین، اندازه کوچک و سازگاری با ادغام تراشه فوتونی است. با این حال، به دلیل جدایی مکانی لیتیوم نیوبات و مواد نیمه‌رسانا، اگرچه هر کدام وظایف خود را انجام می‌دهند، LN فقط در هدایت امواج نقش دارد و سایر خواص عالی خارجی به خوبی مورد استفاده قرار نگرفته‌اند. مواد نیمه‌رسانا فقط در تبدیل فوتوالکتریک نقش دارند و فاقد کوپلینگ مکمل با یکدیگر هستند که منجر به باند عملیاتی نسبتاً محدودی می‌شود. از نظر پیاده‌سازی خاص، اتصال نور از منبع نور به موجبر نوری لیتیوم نیوبات منجر به تلفات قابل توجه و الزامات فرآیندی سختگیرانه‌ای می‌شود. علاوه بر این، کالیبراسیون توان نوری واقعی نور تابیده شده به کانال دستگاه نیمه‌هادی در ناحیه اتصال دشوار است، که عملکرد تشخیص آن را محدود می‌کند.
سنتیآشکارسازهای نوریمواد مورد استفاده برای کاربردهای تصویربرداری معمولاً مبتنی بر مواد نیمه‌هادی هستند. بنابراین، برای لیتیوم نیوبات، میزان جذب نور کم و خواص عایق آن بدون شک مورد توجه محققان آشکارساز نوری قرار نمی‌گیرد و حتی به نقطه‌ای دشوار در این زمینه تبدیل می‌شود. با این حال، توسعه فناوری اتصال ناهمگن در سال‌های اخیر، امیدهایی را برای تحقیقات آشکارسازهای نوری مبتنی بر لیتیوم نیوبات به ارمغان آورده است. سایر مواد با جذب نور قوی یا رسانایی عالی می‌توانند به صورت ناهمگن با لیتیوم نیوبات ادغام شوند تا کاستی‌های آن را جبران کنند. در عین حال، ویژگی‌های پیروالکتریک ناشی از قطبش خود به خودی لیتیوم نیوبات به دلیل ناهمسانگردی ساختاری آن را می‌توان با تبدیل به گرما تحت تابش نور کنترل کرد و در نتیجه ویژگی‌های پیروالکتریک را برای تشخیص نوری-الکترونیکی تغییر داد. این اثر حرارتی مزایای پهنای باند و خودگردانی را دارد و می‌تواند به خوبی با سایر مواد تکمیل و ترکیب شود. استفاده همزمان از اثرات حرارتی و فوتوالکتریک، عصر جدیدی را برای آشکارسازهای نوری مبتنی بر لیتیوم نیوبات گشوده است و دستگاه‌ها را قادر می‌سازد تا مزایای هر دو اثر را با هم ترکیب کنند. و برای جبران کاستی‌ها و دستیابی به ادغام مکمل مزایا، این حوزه در سال‌های اخیر به یک کانون تحقیقاتی تبدیل شده است. علاوه بر این، استفاده از کاشت یون، مهندسی باند و مهندسی نقص نیز انتخاب خوبی برای حل مشکل تشخیص لیتیوم نیوبات است. با این حال، به دلیل دشواری بالای پردازش لیتیوم نیوبات، این حوزه هنوز با چالش‌های بزرگی مانند ادغام کم، دستگاه‌ها و سیستم‌های تصویربرداری آرایه‌ای و عملکرد ناکافی روبرو است که ارزش و فضای تحقیقاتی زیادی دارد.
شکل 1، با استفاده از حالت‌های انرژی نقص در شکاف باند LN به عنوان مراکز دهنده الکترون، حامل‌های بار آزاد در باند رسانش تحت تحریک نور مرئی تولید می‌شوند. در مقایسه با آشکارسازهای نوری LN پیروالکتریک قبلی، که معمولاً به سرعت پاسخ حدود 100 هرتز محدود می‌شدند، اینآشکارساز نوری LNسرعت پاسخ‌دهی سریع‌تری تا 10 کیلوهرتز دارد. در همین حال، در این کار نشان داده شد که LN آلاییده شده با یون منیزیم می‌تواند به مدولاسیون نور خارجی با پاسخی تا 10 کیلوهرتز دست یابد. این کار تحقیقات روی عملکرد بالا وآشکارسازهای نوری LN پرسرعتدر ساخت تراشه‌های فوتونیک LN یکپارچه تک تراشه‌ای کاملاً کاربردی.
به طور خلاصه، زمینه تحقیقاتیآشکارسازهای نوری لایه نازک لیتیوم نیوباتاهمیت علمی مهم و پتانسیل کاربرد عملی عظیمی دارد. در آینده، با توسعه فناوری و تعمیق تحقیقات، آشکارسازهای نوری لیتیوم نیوبات (LN) لایه نازک به سمت ادغام بالاتر توسعه خواهند یافت. ترکیب روش‌های مختلف ادغام برای دستیابی به آشکارسازهای نوری لیتیوم نیوبات لایه نازک با عملکرد بالا، پاسخ سریع و پهنای باند وسیع در همه جنبه‌ها، به یک واقعیت تبدیل خواهد شد که توسعه یکپارچه‌سازی روی تراشه و زمینه‌های حسگری هوشمند را تا حد زیادی ارتقا خواهد داد و امکانات بیشتری را برای نسل جدید کاربردهای فوتونیک فراهم می‌کند.
زمان ارسال: ۱۷ فوریه ۲۰۲۵