Kryształy niobatu litowego, cienkie płyty jednokrystałowe i ich przyszły rozwój w przemyśle układów fotonicznych.

Kryształy niobatu litowego, cienkie płyty jednokrystałowe i ich przyszły rozwój w przemyśle układów fotonicznych.

Wraz z gwałtownym rozwojem zastosowań, takich jak technologia komunikacji 5G/6G, duże dane i sztuczna inteligencja, wzrasta zapotrzebowanie na chipy fotoniczne nowej generacji. kryształy niobatu litu, ze swoimi doskonałymi właściwościami elektrooptycznymi, nieliniowymi optycznymi i piezoelektrycznymi, stały się podstawowym materiałem do układów fotonicznych i są znane jako "krzemo optyczne" ery fotonicznej.Ostatnie lata, osiągnięto przełomowe osiągnięcia w dziedzinie przygotowania cienkich folii jednokrystalicznych niobatu litu oraz technologii przetwarzania urządzeń, które wykazują takie zalety, jak mniejsze rozmiary,większa integracja, ultraszybkie efekty elektrooptyczne, szeroka przepustowość i niskie zużycie energii.optyka zintegrowana, i optyki kwantowej.

Niniejszy artykuł przedstawia krajowe i międzynarodowe postępy w zakresie badań i rozwoju kryształów niobatu litu klasy optycznej, technologii przygotowywania cienkich folii jednokrystalicznych,i odpowiednich polityk, a także ich najnowsze zastosowania w układach fotonicznych, zintegrowanych platformach optycznych i urządzeniach kwantowych.krysta niobatu lituW tym celu Komisja opracowała i opracowała projekty w zakresie zarządzania i zarządzania bezpieczeństwem.Chiny są równe międzynarodowemu zaawansowanemu poziomowi w dziedzinie cienkich folii jednokrystalicznych z niobatem litu oraz optoelektronicznych urządzeń na bazie niobatu litu, jednak nadal istnieje znacząca luka w industrializacji wysokiej jakości kryształowych materiałów niobatowych litu.Oczekuje się, że Chiny utworzą kompletny klaster przemysłowy z niobatem litu, od przygotowania materiału po projektowanie, produkcję i zastosowanie urządzenia.

Cienkie folie z niobatu litu stały się ważnym materiałem kandydującym do nowej generacji wielofunkcyjnych zintegrowanych fotonicznych podłożeń do procesorów informacji.Przewiduje się, że potencjał rynkowy modulatorów optycznych opartych na materiałach krystalicznych z niobatu litu osiągnie 36 USD.W porównaniu z modulatorami fotonicznymi krzemu i modulatorami fosfidu indyjnego, modulatory niobatu litu z cienką warstwą oferują takie zalety, jak duża szerokość pasma, niska utrata wstawienia,niskie zużycie energiiPozwalają one również na miniaturyzację, zaspokajając rosnące zapotrzebowanie na mniejsze moduły optyczne spójne i moduły optyczne do komunikacji danych.Chiny osiągnęły niezależną kontrolę nad materiałami krystalicznymiObecnie kilku krajowych producentów wypuściło rozwiązania modułów optycznych litowego niobatu o cienkiej warstwie 800 Gbps.z klientami niższego szczebla, którzy już testują odpowiednie produktyZalety zastosowań modułów optycznych o pojemności 1,6 T będą w przyszłości coraz bardziej widoczne.

1.Postęp w badaniach nad kryształami niobatu litu i pojedynczymi krysztalami cienkich folii

Właściwości fizyczne i chemiczne pojedynczych kryształów niobatu litu w dużej mierze zależą od stosunku [Li]/[Nb] i zanieczyszczeń.Kryształy niobanu litu (CLN), które mają ten sam skład, są niedobór litu, zawierają dużą liczbę wolnych miejsc litu (VLi) i defektów punktów niobium (Nb) w miejscu przeciwnym.o stosunku [Li]/[Nb] zbliżonym do 1:1Niobaty litowe są klasyfikowane jako materiały akustyczne i optyczne.Odpowiednie instytucje zajmujące się rozwojem kryształów niobatu litu przedstawiono w tabeli 1., przy czym japońskie firmy są głównymi podmiotami przyczyniającymi się do wzrostu niobatu litu w klasie optycznej.krajowa stopa produkcji płytek niobatowych litowych klasy optycznej wynosi mniej niż 5%, co czyni ją silnie uzależnioną od importu.

Japońska firma Yamamoto Ceramics z powodzeniem uprzemysłowiła 8-calowe kryształy i płytki niobatu litu (rysunek 1 ((a)).(Tiantong) i China Electronics Technology Deqing Huaying Electronics Co.., Ltd. (Deqing Huaying) wytwarzały kryształy i płytki niobatu litu o średnicy 8 cali odpowiednio w 2000 r. i 2019 r., ale nie osiągnęły jeszcze masowej produkcji przemysłowej.Z punktu widzenia stochiometrycznego i optycznego niobatu lituW związku z tym w Japonii istnieje różnica technologiczna około 20 lat między krajowymi firmami zajmującymi się rozwojem kryształów niobatu litu a japońskimi firmami.w Chinach istnieje pilna potrzeba dokonania przełomów w teorii wzrostu i technologii procesów wysokiej jakości kryształów niobatu litu o optycznej jakości.

Międzynarodowe przełomy w zakresie struktur fotonicznych, chipów i urządzeń fotonicznych niobatu litu są w dużej mierze przypisywane rozwojowi i industrializacji materiałów z cienkiej folii niobatu litu.Jednakże, ze względu na kruchość pojedynczych kryształów niobatu litu, bardzo trudne jest przygotowanie nisko wadliwych, wysokiej jakości cienkich folii o grubości w zakresie nanometrów (100-2000 nm).Technologie implantacji jonów i bezpośredniego wiązania umożliwiają oddzielenie masowych pojedynczych kryształów na cienkie folie jednokrystaliczne niobatu litu o grubości nanometrówObecnie tylko kilka firm na całym świecie, w tym Jinan Jingzheng, Soitec SA z Francji i Kyocera Corporation z Japonii,opanować technologię produkcji cienkich folii jednokrystalicznych z niobatu lituJinan Jingzheng, wykorzystując technologię cięcia wiązki jonowej i bezpośredniego wiązania, był pierwszym, który uprzemysłowił te procesy.tworzenie wiodącej na świecie marki cienkich folii niobatu litu (NanoLN), który wspiera ponad 90% światowych badań podstawowych i badań i rozwoju w zakresie urządzeń z cienką warstwą niobatu litu. W 2023 r. Jinan Jingzheng wprowadził 8-calowe cienkie folie niobatu litu o optycznej jakości (rysunek 1 ((b))),stając się pierwszą firmą w branży produkującą cienkie folie niobatu litu z 8-calowych kryształów niobatu litu o osi XKluczowe wskaźniki serii produktów Jinan Jingzheng, w tym wydajność fizyczna, jednolitość grubości, tłumienie wad i wyeliminowanie, znajdują się na czele międzynarodowych standardów.

2.Zaawansowane zastosowania niobatu litu

W porównaniu z tradycyjnymi materiałami jednokrystalicznymi niobatu litu, niobat litu z cienkim filmem oferuje mniejsze rozmiary, niższe koszty, wyższą integrację,i zdolność do stabilnej pracy w szerszym zakresie warunków temperatury i pola elektrycznegoZalety te sprawiają, że jest on bardzo stosowany w dziedzinach takich jak komunikacja 5G, obliczenia kwantowe, komunikacja światłowodowa i czujniki.w szczególności w modulacji elektrooptycznej, przetwarzania sygnałów optycznych i szybkiej transmisji danych (tabela 1).

2.1 Modulator elektrooptyczny dużych prędkości Modulatory niobatu litu

z ich zaletami wysokiej prędkości, niskiego zużycia energii i wysokiego współczynnika sygnału do hałasu, są szeroko stosowane w ultrawyższej prędkości sieciach łączności optycznej,podwodne sieci łączności optycznejTechnologie kluczowe, takie jak duża fotolitografia, wytwarzanie przewodników fal o bardzo niskiej stratzie,i heterogeniczna integracja przyczyniły się do opracowania modulatorów niobatu litu z cienką warstwąW porównaniu z materiałami takimi jak fosforek indyju, fotonika krzemu i tradycyjny niobat lituCienkopłasowy niobat litowy oferuje wyjątkowe cechy, takie jak bardzo duża przepustowość., niskie zużycie energii, niskie straty, niewielkie rozmiary i zdolność do masowej produkcji płytek, co czyni go idealnym materiałem do modulatorów elektrooptycznych.Światowy rynek modulatorów niobatu litu z cienką warstwą stale rośnie, przy czym globalna wielkość rynku ma osiągnąć 2 miliardy USD do 2029 r., przy rocznym tempie wzrostu o 41,0%.

Na arenie międzynarodowej a research team from Harvard University successfully developed a 100 GHz bandwidth complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS)-compatible integrated Mach-Zehnder interferometer (MZI) electro-optic modulator in 2018Fujitsu Optical Devices Ltd. uruchomiło pierwszy na świecie komercyjny 200 GBaud cienkofilmowy modulator niobatu litowego w 2021 r.

2.2 Zintegrowana platforma optyczna z niobatem litu

Na zintegrowanej platformie optycznej z niobatem litu osiągnięto zastosowania od grzebieni częstotliwości po konwertery i modulatory częstotliwości.Integracja laserów na chipach niobatowych litowych pozostaje dużym wyzwaniemW 2022 roku, zespół naukowców z Uniwersytetu Harvarda, we współpracy z HyperLight i Freedom Photonics,Z powodzeniem zademonstrowano źródło impulsu femtosekundowego na poziomie chipa oraz pierwszy na świecie w pełni zintegrowany laser o dużej mocy na chipie niobatowym litowym (rysunek 2 ((a))Te lasery na chipach litowego niobatu są zintegrowane z wysokiej wydajności, plug-and-play lasery, które mogą znacznie zmniejszyć koszty, złożoność,i zużycia energii w przyszłych systemach łącznościMogą one być również zintegrowane z większymi systemami optycznymi i mają szerokie zastosowania w takich dziedzinach, jak czujniki, zegary atomowe, lidar, informacje kwantowe i telekomunikacja danych.Dalszy rozwój zintegrowanych laserów o wąskiej szerokości liniiW 2023 roku naukowcy z ETH Zurych i IBM osiągnęli nisko straty, wąską szerokość linii,wysokiej modulacji, stabilna moc laserowa na heterogenicznej zintegrowanej platformie optycznej niobatu litu i azotu krzemu, z częstotliwością powtarzania około 10 GHz, impulsem optycznym 4,8 ps przy 1,065 nm,energia przekraczająca 20,6 pJ i moc szczytowa przekraczająca 0,5 W.

Naukowcy z National Institute of Standards and Technology (NIST) w Stanach Zjednoczonych,oparte na wprowadzeniu wielosegmentowych nanofotonicznych zintegrowanych przewodników fal niobatowych litu z cienką warstwą, z powodzeniem wygenerował ciągłe spektrum częstotliwości, obejmujące ultrafioletowe do widzialnego spektrum, łącząc inżynieryjną dyspersję i ćwierknięte dopasowywanie kwasifazowe. The research team from City University of Hong Kong developed an integrated lithium niobate microwave photonic chip that can use optics for ultrafast simulation of electronic signal processing and computation, osiągając prędkości 1000 razy szybsze niż tradycyjne procesory elektroniczne, z ultraszeroką przepustowością przetwarzania 67 GHz i doskonałą dokładnością obliczeniową.Współpraca pomiędzy Uniwersytetem Nankai a City University of Hong Kong doprowadziła do pomyślnego opracowania pierwszego na świecie zintegrowanego radaru fal milimetrowych z cienką warstwą niobatu litowego, oparta na 4-calowej platformie niobatowej litia o cienkiej warstwie, osiągając przełomowy postęp w rozdzielczości wykrywania odległości i prędkości na poziomie centymetrów,oraz dwuwymiarowe obrazowanie radarem o odwrotnej sztucznej przysłonie (ISAR) (rysunek 2 ((b))Tradycyjne radary fal milimetrowych zazwyczaj wymagają wielu oddzielnych komponentów do pracy razem, ale dzięki technologii integracji na układzie,wszystkie podstawowe funkcje radaru są zintegrowane w jednym 15 mm × 1Technologia ta zostanie zastosowana w dziedzinach takich jak radary pojazdów ery 6G, radary lotnicze i inteligentne systemy domowe.

2.3 Quantum Optical Applications zintegrowało różne urządzenia funkcjonalne na cienkiego filmu niobatu litu

takie jak splątane źródła światła, modulatory elektrooptyczne, rozdzielacze wiązki przewodzącej falą itp.Ta zintegrowana konstrukcja umożliwia wydajne generowanie i szybką manipulację stanami optycznymi na chipie, zwiększając funkcjonalność i moc chipów kwantowych, zapewniając bardziej wydajne rozwiązania do przetwarzania i przesyłania informacji kwantowych.Naukowcy z Uniwersytetu Stanforda połączyli diament z niobatem litowym na jednym chipie, gdzie molekularna struktura diamentu jest łatwa do manipulowania i może pomieścić stałe bity kwantowe, podczas gdy niobat litu może zmieniać częstotliwość światła przechodzącego przez niego,umożliwiające modulację optycznąTo połączenie materiałów oferuje nowe pomysły na poprawę wydajności i rozszerzenie funkcjonalności chipów kwantowych.Generowanie i manipulowanie skompresowanymi optycznymi stanami kwantowymi jest podstawowym fundamentem technologii kwantowychZespół badawczy z Caltech z powodzeniem opracował zintegrowaną platformę nanofotoniczną opartą na niobanie litu.umożliwiające generowanie i pomiar stanów sprężonych na tym samym układzie optycznym. This technique for preparing and characterizing sub-optical period compressed states in the nanophotonics system provides an important technological path for the development of scalable quantum information systems.

3、Tendencje i wyzwania rozwojowe: Wraz z rozwojem sztucznej inteligencji i dużych modeli

Punkty wzrostu w przyszłości niobatu litu będą koncentrować się głównie na zaawansowanych układach optycznych (tabela 5),w szczególności włączając przełomy w podstawowych technologiach chipów optycznych, takich jak modulatory optyczne dużych prędkości, laserów i detektorów; promowanie stosowania cienkofylu niobatu litu w układach optycznych w celu zwiększenia wydajności urządzenia;wzmocnienie badań i rozwoju technologii wytwarzania cienkich folii niobatu litu w celu osiągnięcia produkcji wysokiej jakości folii na dużą skalę; oraz promowanie integracji cienkofylu niobatu litu z urządzeniami optoelektronicznymi na bazie krzemu w celu obniżenia kosztów.

Zalecenia dotyczące produktu

2-calowy 3-calowy 4-calowy LNOI LiNbO3 Wafer Litium Niobate Cienkie filmy warstwy na podłożu krzemowym