Lithiumniobaten kristallen, enkelkristallige dunne films en hun toekomstige ontwikkeling in de fotonische chipindustrie.

Lithiumniobaten kristallen, enkelkristallige dunne films en hun toekomstige ontwikkeling in de fotonische chipindustrie.

Met de snelle ontwikkeling van toepassingen zoals 5G/6G-communicatietechnologie, big data en kunstmatige intelligentie neemt de vraag naar fotonische chips van de volgende generatie toeLithiumniobatenkristallen, met hun uitstekende elektro-optische, niet-lineaire optische en piezo-elektrische eigenschappen, zijn het kernmateriaal geworden voor fotonische chips en staan bekend als het "optische silicium" van het fotonische tijdperk.De laatste jaren, zijn doorbraken geboekt in de bereiding van eenkristallige dunne folies van lithiumniobate en in de technologieën voor de verwerking van apparaten, die voordelen vertonen, zoals kleinere afmetingen,hogere integratieDeze eigenschappen bieden brede toepassingsmogelijkheden op gebieden als hooggeschnelle elektro-optische modulatoren,geïntegreerde optica, en kwantumoptica.

Dit artikel introduceert de binnenlandse en internationale vooruitgang op het gebied van onderzoek en ontwikkeling op het gebied van lithiumniobaten kristallen van optische kwaliteit, technologieën voor het bereiden van dunne film met één kristal,en relevante beleidslijnenHet onderzoek toont aan hoe de technologieën in de telecommunicatiesector en de telecommunicatiesector in de toekomst kunnen worden toegepast.Lithiumniobate crystaDe Commissie heeft in haar verslag over de ontwikkeling van de industriële keten voor dunne filmapparatuur suggesties gedaan voor toekomstige ontwikkelingen.China staat op gelijke voet met het internationale geavanceerde niveau op het gebied van lithiumniobate-eenkristallige dunne films en op lithiumniobate gebaseerde opto-elektronica-apparatenIn het kader van de ontwikkeling van de industriële infrastructuur in de Lid-Staten is de ontwikkeling van de industriële infrastructuur van de Lid-Staten nog steeds een belangrijke uitdaging.Het is de bedoeling dat China een volledig industriële cluster van lithiumniobaten vormt., van de materiaalvoorbereiding tot het ontwerp, de vervaardiging en de toepassing van het apparaat.

Lithiumniobaten dunne films zijn een belangrijk kandidaatmateriaal geworden voor de volgende generatie multifunctionele geïntegreerde fotonische informatieverwerkingschipsubstraten.De marktcapaciteit voor optische modulatoren op basis van lithiumniobaten kristalmaterialen zal naar verwachting $36 miljoen bedragen.In vergelijking met siliciumfotonische modulatoren en indiumfosfide-modulatoren bieden dunnefilm-lithiumniobatenmodulatoren voordelen zoals een hoge bandbreedte, een laag invoegverlies,laag stroomverbruikDeze modules zijn ook geschikt voor miniaturisatie en voldoen aan de groeiende vraag naar kleinere coherente optische modules en optische modules voor gegevenscommunicatie.China heeft onafhankelijke controle over kristalmaterialen bereikt.In het verleden heeft de Europese Commissie een aantal oplossingen voor optische modules met een dunne film van lithiumniobate met een snelheid van 800 Gbps ontwikkeld.met downstream-klanten die de overeenkomstige producten al testenDe voordelen van 1.6 T-optische module toepassingen zullen in de toekomst steeds duidelijker worden.

1.Vooruitgang op het gebied van onderzoek op het gebied van lithiumniobatenkristallen en enkelkristallige dunne films

De fysische en chemische eigenschappen van lithiumniobaten enkelkristallen zijn grotendeels afhankelijk van de verhouding [Li]/[Nb] en de onzuiverheden.Lithiumniobaten (CLN) kristallen, die dezelfde samenstelling hebben, lithiumtekort hebben, een groot aantal lithiumvakanties (VLi) en anti-site niobium (Nb) puntdefecten bevatten.met een verhouding [Li]/[Nb] van bijna 1:1Lithiumniobaten enkelkristallen worden ingedeeld in akoestische en optische materialen.Relevante instellingen die actief zijn in de groei van lithiumniobate-kristallen worden weergegeven in tabel 1.In het kader van het onderzoek naar de ontwikkeling van de optische-technische technologieën heeft de Commissie een onderzoek uitgevoerd naar de mogelijkheden voor de ontwikkeling van de optische-technische technologieën.de binnenlandse productie van lithiumniobatenwafers van optische kwaliteit is minder dan 5%, waardoor het sterk afhankelijk is van invoer.

Het Japanse bedrijf Yamamoto Ceramics heeft met succes 8-inch lithiumniobaten kristallen en wafers geïndustrialiseerd (figuur 1 ((a)).(Tiantong) en China Electronics Technology Deqing Huaying Electronics Co.., Ltd. (Deqing Huaying) produceerde respectievelijk in 2000 en 2019 8 inch lithiumniobatkristallen en wafers, maar ze hebben nog geen industriële massaproductie bereikt.Lithiumniobate van stochiometrische en optische kwaliteitIn het kader van het onderzoek van de nieuwe methode voor het produceren van lithiumniobaten is een technologisch verschil van ongeveer 20 jaar tussen de binnenlandse bedrijven die het produceren van lithiumniobaten en de Japanse bedrijven.er is een dringende behoefte in China om doorbraken te maken in de groeitheorie en procestechnologie van hoogwaardige optische lithiumniobaten kristallen.

Internationale doorbraken in lithiumniobate fotonische structuren, fotonische chips en apparaten worden grotendeels toegeschreven aan de ontwikkeling en industrialisatie van lithiumniobate dunne filmmaterialen.Toch, is het vanwege de breekbaarheid van lithiumniobaten enkelkristallen zeer moeilijk om dunne folies van lage kwaliteit met een dikte van 100 tot 2000 nm te bereiden.Ionimplantatie- en directe bindingstechnologieën maken het mogelijk om grote enkelkristallen te scheiden in dunne, eenkristallige folies van lithiumniobate met een dikte van nanometerHet is de bedoeling van de Europese Commissie om de ontwikkeling van de elektronische technologieën in de Europese Unie te bevorderen.de productietechnologie voor lithiumniobate-eenkristallige dunne folies hebben beheerdJinan Jingzheng, met behulp van ionenstraal snijden en directe binding kern technologieën, was de eerste om deze processen te industrialiseren,de oprichting van een wereldwijd toonaangevend merk van lithiumniobaten dunne folies (NanoLN), dat meer dan 90% van het wereldwijde basisonderzoek en O&O in lithiumniobaten dunne filmapparaten ondersteunt. In 2023 introduceerde Jinan Jingzheng 8-inch lithiumniobaten dunne films van optische kwaliteit (figuur 1 ((b))),het eerste bedrijf in de industrie om lithiumniobate dunne films te produceren van 8-inch X-as lithiumniobate kristallenDe belangrijkste indicatoren van de Jinan Jingzheng-productserie, waaronder fysieke prestaties, uniformiteit van de dikte, onderdrukking van gebreken en eliminatie, staan in de voorhoede van internationale normen.

2.Geavanceerde toepassingen van lithiumniobaat

In vergelijking met traditionele lithiumniobaten met enkelkristalliën biedt dunne film lithiumniobaten een kleinere afmeting, lagere kosten, hogere integratie,en het vermogen om stabiel te werken onder een breder temperatuurbereik en elektrische veldomstandighedenDeze voordelen maken het zeer toepasbaar op gebieden zoals 5G-communicatie, quantum computing, glasvezelcommunicatie en sensoren.met name in elektro-optische modulatie, optische signaalverwerking en hogesnelheidsgegevensoverdracht (tabel 1).

2.1 Elektroptische modulatoren voor hoge snelheid Lithiumniobatenmodulatoren

met hun voordelen van hoge snelheid, laag stroomverbruik en een hoge signaal-geluidsverhouding, worden ze veel gebruikt in ultra-hoge snelheid backbone-optische communicatienetwerken,onderzeese optische communicatienetwerkenDe belangrijkste technologieën zijn bijvoorbeeld grootformatige fotolithografie, ultra-laagverliesgolfgeleiderfabricage,De ontwikkeling van de nieuwe lithium-niobaten modulatoren met dunne film is vooral te danken aan de verscheidenheid van modulatoren en de heterogene integratieIn vergelijking met materialen als indiumfosfide, siliciumfotonica en traditioneel lithiumniobaat, is de optische modulatie in de meeste gevallen niet zo eenvoudig als de optische modulatie.Lithiumniobate met dunne film biedt uitstekende eigenschappen zoals ultra-hoge bandbreedte., laag stroomverbruik, laag verlies, kleine afmetingen en de mogelijkheid om massaproductie op waferniveau te bereiken, waardoor het een ideaal materiaal is voor elektro-optische modulatoren.De wereldwijde markt voor dunnefilm-lithiumniobatenmodulatoren groeit gestaag, waarbij naar verwachting de wereldwijde marktomvang in 2029 2 miljard dollar zal bereiken, met een samengestelde jaarlijkse groeipercentage van 41,0%.

Internationaal, 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 2018, terwijl Fujitsu Optical Devices Ltd. in 2021 de eerste commerciële 200 GBaud-dunnefilm-lithiumniobatenmodulator ter wereld lanceerde. Er is ook aanzienlijke vooruitgang geboekt in China.

2.2 geïntegreerd optisch platform met lithiumniobaat

Op het geïntegreerde optische platform van lithiumniobate zijn toepassingen bereikt, variërend van frequentiekamen tot frequentieomzetters en modulatoren.De integratie van lasers in lithiumniobatenchips blijft een grote uitdagingIn 2022, een onderzoeksteam van Harvard University, in samenwerking met HyperLight en Freedom Photonics,Het bedrijf heeft met succes een femtoseconde pulsbron op chipniveau en's werelds eerste volledig geïntegreerde high-power laser op een lithiumniobate-chip gedemonstreerd (figuur 2 ((a))Deze lithium-niobaten-chiplasers zijn geïntegreerd met hoogwaardige, plug-and-play lasers, die de kosten, complexiteit,en energieverbruik van toekomstige communicatiesystemenZe kunnen ook worden geïntegreerd in grotere optische systemen en hebben brede toepassingen op gebieden als sensoren, atoomklokken, lidar, quantuminformatie en data-telecommunicatie.Verdere ontwikkeling van geïntegreerde lasers met smalle lijnbreedtenIn 2023 bereikten onderzoekers van ETH Zurich en IBM een laagverlies, smalle lijnbreedte, en een hoge snelheid.hoog modulatiepercentage, een stabiele laseruitgang op een heterogeen geïntegreerd optisch platform van lithiumniobate-siliciumnitride, met een herhalingsfrequentie van ongeveer 10 GHz, een optische puls van 4,8 ps bij 1,065 nm,energie van meer dan 20,6 pJ en een piekvermogen van meer dan 0,5 W.

Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) in de Verenigde Staten,op basis van de invoering van geïntegreerde, meersegment nanophotonic thin-film lithiumniobate golfleiders, heeft met succes een continu frequentiekamp spectrum gegenereerd dat zich uitstrekt van het ultraviolette tot het zichtbare spectrum door het combineren van ingenieurdispersie en gechirpte quasi-fase-matching. 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, met een snelheid van 1000 keer sneller dan traditionele elektronische processors, met een ultrabreed verwerkingsbandbreedte van 67 GHz en een uitstekende berekeningsnauwkeurigheid.een samenwerking tussen de Universiteit van Nankai en de City University of Hong Kong heeft geleid tot de succesvolle ontwikkeling van's werelds eerste geïntegreerde dunnefilm lithiumniobaten fotonische millimetergolfradar, gebaseerd op een 4-inch dunne-film lithiumniobatenplatform, met een doorbraak in afstands- en snelheidsopsporingsresolutie op centimeterniveau,evenals tweedimensionale afbeeldingen van radar met omgekeerd synthetisch diafragma (ISAR) (figuur 2 ((b))Traditionele millimetergolfradars vereisen meestal meerdere discrete componenten om samen te werken.alle kernfuncties van de radar zijn geïntegreerd in een enkele 15 mm × 1Deze technologie zal worden toegepast op gebieden zoals voertuigradars van het 6G-tijdperk, luchtradars en slimme thuissystemen.

2.3 Quantum Optical Applications heeft verschillende functionele apparaten geïntegreerd op dunne film lithiumniobate

zoals verstrengelde lichtbronnen, elektro-optische modulatoren, golfgeleide straalsplitters, enz.Dit geïntegreerde ontwerp maakt een efficiënte generatie en hoge snelheid manipulatie van optische quantumtoestanden op de chip mogelijk, waardoor de functionaliteit en het vermogen van quantumchips worden verbeterd en efficiëntere oplossingen voor quantuminformatieverwerking en -overdracht worden geboden.Onderzoekers van de Stanford Universiteit hebben diamant en lithiumniobate gecombineerd in één chip, waarbij de moleculaire structuur van de diamant gemakkelijk te manipuleren is en vaste kwantumbits kan bevatten, terwijl lithiumniobate de frequentie van het licht dat er doorheen gaat kan veranderen,met optische modulatieDeze combinatie van materialen biedt nieuwe ideeën voor het verbeteren van de prestaties en het uitbreiden van de functionaliteit van quantumchips.Het genereren en manipuleren van gecomprimeerde optische quantumtoestanden is de basis van quantumtechnologieën.Een onderzoeksteam van Caltech heeft met succes een geïntegreerd nanophotonics-platform ontwikkeld op basis van lithiumniobate.met een vermogen van meer dan 50 W,. 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、Ontwikkelingstrends en uitdagingen: met de ontwikkeling van kunstmatige intelligentie en grote modellen

De groeipunten voor de toekomst van lithiumniobate zullen zich voornamelijk richten op het gebied van high-end optische chips (tabel 5),met name doorbraken in kernoptische chiptechnologieën, zoals hogesnelheidsoptische modulatoren, lasers en detectoren; bevordering van de toepassing van dunnefilm lithiumniobate in optische chips om de prestaties van apparaten te verbeteren;versterking van het onderzoek en de ontwikkeling van technologieën voor het vervaardigen van dunne folies van lithiumniobaat om een grootschalige productie van hoogwaardige folies te realiserenDe Commissie heeft de Commissie verzocht om een verslag uit te brengen over de resultaten van de evaluatie van de resultaten van het onderzoek.

Gerelateerde product aanbeveling

2 inch 3 inch 4 inch LNOI LiNbO3 Wafer Lithium Niobate Thin Films Layer Op Silicium Substraat