เครื่องตรวจจับแสงลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง (LN)

เครื่องตรวจจับแสงลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง (LN)

ลิเธียมไนโอเบต (LN) มีโครงสร้างผลึกที่เป็นเอกลักษณ์และเอฟเฟกต์ทางกายภาพที่หลากหลาย เช่น เอฟเฟกต์แบบไม่เชิงเส้น เอฟเฟกต์อิเล็กโทรออปติก เอฟเฟกต์ไพโรอิเล็กทริก และเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริก ในขณะเดียวกันก็มีข้อได้เปรียบของหน้าต่างความโปร่งใสของแสงแบบแบนด์วิดท์กว้างและความเสถียรในระยะยาว ลักษณะเฉพาะเหล่านี้ทำให้ LN เป็นแพลตฟอร์มที่สำคัญสำหรับโฟโตนิกส์แบบบูรณาการรุ่นใหม่ ในอุปกรณ์ออปติกและระบบออปโตอิเล็กทรอนิกส์ คุณสมบัติของ LN สามารถให้ฟังก์ชันและประสิทธิภาพที่หลากหลาย ส่งเสริมการพัฒนาของการสื่อสารด้วยแสง การคำนวณด้วยแสง และสนามการตรวจจับด้วยแสง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากลิเธียมไนโอเบตมีคุณสมบัติในการดูดซับและเป็นฉนวนที่อ่อนแอ การใช้งานลิเธียมไนโอเบตแบบบูรณาการจึงยังคงเผชิญกับปัญหาในการตรวจจับที่ยาก ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา รายงานในสาขานี้ส่วนใหญ่รวมถึงเครื่องตรวจจับโฟโตแบบบูรณาการแบบเวฟไกด์และเครื่องตรวจจับโฟโตแบบเฮเทอโรจันก์ชั่น
เครื่องตรวจจับแสงแบบบูรณาการที่ใช้ลิเธียมไนโอเบตนั้นมักจะมุ่งเน้นไปที่แบนด์ C ของการสื่อสารด้วยแสง (1525-1565nm) ในแง่ของการทำงาน LN มีบทบาทหลักในการเป็นคลื่นนำทาง ในขณะที่ฟังก์ชันการตรวจจับออปโตอิเล็กทรอนิกส์นั้นอาศัยเซมิคอนดักเตอร์เป็นหลัก เช่น ซิลิกอน เซมิคอนดักเตอร์แบนด์แก็ปแคบกลุ่ม III-V และวัสดุสองมิติ ในสถาปัตยกรรมดังกล่าว แสงจะถูกส่งผ่านท่อนำแสงลิเธียมไนโอเบตด้วยการสูญเสียต่ำ จากนั้นจึงถูกดูดซับโดยวัสดุเซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ ที่ใช้เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก (เช่น โฟโตคอนดักติวิตี้หรือโฟโตโวลตาอิก) เพื่อเพิ่มความเข้มข้นของพาหะและแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้าสำหรับเอาต์พุต ข้อดีคือแบนด์วิดท์การทำงานสูง (~GHz) แรงดันไฟฟ้าในการทำงานต่ำ ขนาดเล็ก และความเข้ากันได้กับการรวมชิปโฟโตนิก อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการแยกพื้นที่ของลิเธียมไนโอเบตและวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ แม้ว่าวัสดุแต่ละชนิดจะทำหน้าที่ของตัวเอง แต่ LN มีบทบาทในการเป็นคลื่นนำทางเท่านั้น และคุณสมบัติภายนอกที่ยอดเยี่ยมอื่นๆ ยังไม่ได้รับการใช้ประโยชน์อย่างเต็มที่ วัสดุเซมิคอนดักเตอร์มีบทบาทเฉพาะในการแปลงไฟฟ้าแสงและขาดการเชื่อมโยงที่เสริมซึ่งกันและกัน ส่งผลให้แบนด์การทำงานจำกัด ในแง่ของการใช้งานเฉพาะ การเชื่อมโยงแสงจากแหล่งกำเนิดแสงไปยังท่อนำแสงลิเธียมไนโอเบตส่งผลให้เกิดการสูญเสียอย่างมีนัยสำคัญและข้อกำหนดกระบวนการที่เข้มงวด นอกจากนี้ กำลังแสงจริงของแสงที่ฉายลงบนช่องอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ในบริเวณการเชื่อมโยงนั้นยากต่อการปรับเทียบ ซึ่งทำให้ประสิทธิภาพการตรวจจับมีจำกัด
แบบดั้งเดิมเครื่องตรวจจับแสงการใช้งานสำหรับการถ่ายภาพนั้นมักจะใช้สารกึ่งตัวนำ ดังนั้น สำหรับลิเธียมไนโอเบต อัตราการดูดกลืนแสงต่ำและคุณสมบัติในการเป็นฉนวนทำให้ไม่เป็นที่นิยมในหมู่นักวิจัยด้านเครื่องตรวจจับแสง และยังเป็นจุดที่ยากในสาขานี้ด้วย อย่างไรก็ตาม การพัฒนาเทคโนโลยีเฮเทอโรจันก์ชั่นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาได้นำความหวังมาสู่การวิจัยเครื่องตรวจจับแสงที่ใช้ลิเธียมไนโอเบต วัสดุอื่นๆ ที่มีการดูดกลืนแสงสูงหรือสภาพนำไฟฟ้าดีเยี่ยมสามารถผสานเข้ากับลิเธียมไนโอเบตในลักษณะที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกันเพื่อชดเชยข้อบกพร่องของมัน ในขณะเดียวกัน สามารถควบคุมลักษณะไพโรอิเล็กทริกที่เหนี่ยวนำโดยโพลาไรเซชันโดยธรรมชาติของลิเธียมไนโอเบตเนื่องจากความแอนไอโซทรอปีของโครงสร้างได้โดยการแปลงเป็นความร้อนภายใต้การฉายแสง จึงเปลี่ยนลักษณะไพโรอิเล็กทริกสำหรับการตรวจจับด้วยแสงแบบออปโตอิเล็กทรอนิกส์ เอฟเฟกต์ความร้อนนี้มีข้อดีคือแบนด์วิดท์กว้างและการขับเคลื่อนด้วยตนเอง และสามารถเสริมและหลอมรวมกับวัสดุอื่นๆ ได้ดี การใช้ประโยชน์จากเอฟเฟกต์ความร้อนและโฟโตอิเล็กทริกแบบซิงโครนัสได้เปิดศักราชใหม่สำหรับเครื่องตรวจจับโฟโตที่ใช้ลิเธียมไนโอเบต ทำให้สามารถรวมข้อดีของเอฟเฟกต์ทั้งสองเข้าด้วยกันได้ และเพื่อชดเชยข้อบกพร่องและบูรณาการข้อดีต่างๆ เข้าด้วยกัน จึงกลายเป็นจุดศูนย์กลางของการวิจัยในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นอกจากนี้ การใช้การฝังไอออน วิศวกรรมแบนด์ และวิศวกรรมข้อบกพร่องยังเป็นทางเลือกที่ดีในการแก้ปัญหาความยากในการตรวจจับลิเธียมไนโอเบต อย่างไรก็ตาม เนื่องจากลิเธียมไนโอเบตมีการประมวลผลที่ยาก สาขานี้จึงยังคงเผชิญกับความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ เช่น การบูรณาการต่ำ อุปกรณ์และระบบสร้างภาพแบบอาร์เรย์ และประสิทธิภาพที่ไม่เพียงพอ ซึ่งมีมูลค่าและพื้นที่ในการวิจัยมาก

รูปที่ 1 โดยใช้สถานะพลังงานของข้อบกพร่องภายในแบนด์แก็ป LN เป็นศูนย์กลางของอิเล็กตรอน ตัวพาประจุอิสระจะถูกสร้างขึ้นในแบนด์การนำไฟฟ้าภายใต้การกระตุ้นด้วยแสงที่มองเห็นได้ เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องตรวจจับโฟโต LN แบบไพโรอิเล็กทริกรุ่นก่อน ซึ่งโดยทั่วไปจำกัดความเร็วการตอบสนองไว้ที่ประมาณ 100 เฮิรตซ์ เครื่องตรวจจับโฟโตนี้เครื่องตรวจจับแสง LNมีความเร็วในการตอบสนองที่เร็วขึ้นถึง 10kHz ในขณะเดียวกัน ในงานนี้ ได้มีการสาธิตให้เห็นว่า LN ที่เจือด้วยไอออนแมกนีเซียมสามารถบรรลุการปรับแสงภายนอกด้วยการตอบสนองสูงถึง 10kHz งานนี้ส่งเสริมการวิจัยเกี่ยวกับประสิทธิภาพสูงและเครื่องตรวจจับแสง LN ความเร็วสูงในการสร้างชิปโฟโตนิก LN แบบบูรณาการชิปเดียวที่มีฟังก์ชันครบถ้วน
โดยสรุปแล้ว สาขาการวิจัยของเครื่องตรวจจับแสงลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางมีความสำคัญทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญและมีศักยภาพในการใช้งานจริงมหาศาล ในอนาคต ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีและการวิจัยที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้น เครื่องตรวจจับแสงลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง (LN) จะพัฒนาไปสู่การผสานรวมที่สูงขึ้น การรวมวิธีการผสานรวมที่แตกต่างกันเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูง การตอบสนองที่รวดเร็ว และเครื่องตรวจจับแสงลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางแบนด์กว้างในทุกแง่มุมจะกลายเป็นความจริง ซึ่งจะส่งเสริมการพัฒนาการผสานรวมบนชิปและฟิลด์การตรวจจับอัจฉริยะอย่างมาก และมอบความเป็นไปได้เพิ่มเติมสำหรับแอปพลิเคชันโฟโตนิกส์รุ่นใหม่