Lityum Niobat Kristalleri, Tek Kristal İnce Filmler ve Gelecekteki Gelişimleri Fotonik Çip Endüstrisinde.

Lityum Niobat Kristalleri, Tek Kristal İnce Filmler ve Gelecekteki Gelişimleri Fotonik Çip Endüstrisinde.

5G / 6G iletişim teknolojisi, büyük veri ve yapay zeka gibi uygulamaların hızlı gelişmesiyle, bir sonraki nesil fotonik yongalara olan talep artıyor. Lityum niobat kristalleri, mükemmel elektro-optik, doğrusal olmayan optik ve piezoelektrik özellikleriyle fotonik yongalar için temel malzeme haline geldi ve fotonik çağın "optik silikon" olarak bilinir.Son yıllarda, daha küçük boyutlar gibi avantajlarını gösteren lityum niobat tek kristal ince filmlerin hazırlanması ve cihaz işleme teknolojilerinde atılımlar yapıldı.daha yüksek entegrasyon, ultra hızlı elektro-optik etkileri, geniş bant genişliği ve düşük güç tüketimi. Bu özellikler yüksek hızlı elektro-optik modülatörler gibi alanlarda geniş uygulama umutları sunar.Entegre optik, ve kuantum optik.

Bu makale, optik dereceli lityum niobat kristallerinin, tek kristal ince film hazırlama teknolojilerinin,ve ilgili politikalar, ayrıca fotonik yongalarda, entegre optik platformlarda ve kuantum optik cihazlarda en son uygulamalar.Lityum niobat krystal- ince film cihaz endüstri zinciri ve gelecekteki gelişme için öneriler sunar.Çin, lityum niobat tek kristal ince filmler ve lityum niobat bazlı optoelektronik cihazlar alanlarında uluslararası gelişmiş seviyeye eşit, ancak yüksek kaliteli lityum niobat kristal malzemelerinin endüstrileşmesinde hala önemli bir boşluk var.Çin'in tam bir lityum niobat endüstri klüstrü oluşturması bekleniyor., malzeme hazırlığından cihaz tasarımına, imalatına ve uygulamasına kadar.

Lityum niobat ince filmleri, bir sonraki nesil çok fonksiyonel entegre fotonik bilgi işleme çip substratları için önemli bir aday malzemesi haline geldi.Lityum niobat kristal malzemelerine dayalı optik modülatörler için piyasa kapasitesinin 36 $ 'a ulaşması öngörülüyorSilisyon fotonik modülatörleri ve indiyum fosfit modülatörleri ile karşılaştırıldığında, ince film lityum niobat modülatörleri yüksek bant genişliği, düşük yerleştirme kaybı,düşük güç tüketimiAyrıca, daha küçük tutarlı optik modüller ve veri iletişimi için optik modüller için artan talebi karşılamak için minyatürleşmeyi de mümkün kılarlar.Çin kristal malzemeler üzerinde bağımsız bir kontrol elde etti., kristal ince filmler, işleme yöntemleri, cihazlar ve sistemler.Aşağıda bulunan müşterilerle ilgili ürünleri zaten test ediyorlar1.6 T optik modül uygulamalarının avantajları gelecekte daha belirgin olacak.

1.Lityum Niobat Kristalleri ve Tek Kristal İnce Filmler Üzerine Araştırma İlerlemesi

Lityum niobat tek kristallerinin fiziksel ve kimyasal özellikleri büyük ölçüde [Li]/[Nb] oranına ve kirliliklere bağlıdır.Lityum Niobat (CLN) kristalleri, aynı bileşime sahip, büyük sayıda lityum boşluğu (VLi) ve anti-site niobium (Nb) nokta kusurları içeren lityum eksikliği vardır.1'e yakın bir [Li]/[Nb] oranı ile:1Lityum niobat tek kristalleri akustik ve optik kalite malzemelere sınıflandırılır.Lityum niobat kristal büyümesi ile ilgilenen ilgili kurumlar Tablo 1'de gösterilmiştir., Japon şirketleri optik dereceli lityum niobatin büyümesine başlıca katkıda bulunan şirketlerdir.optik kalitede lityum niobat levhalarının yerli üretim oranı % 5'ten azdır., bu da ülkeyi ithalata çok bağımlı kılıyor.

Japon şirketi Yamamoto Ceramics, 8 inçlik lityum niobat kristallerini ve levhalarını başarılı bir şekilde endüstrileştirdi (Şekil 1 ((a)).(Tiantong) ve China Electronics Technology Deqing Huaying Electronics Co.., Ltd. (Deqing Huaying) her ikisi de sırasıyla 2000 ve 2019'da 8 inç lityum niobat kristalleri ve levhalar üretti, ancak henüz endüstriyel seri üretime ulaşamadılar.Stoichiometrik ve optik dereceli lityum niobat açısından, yerli lityum niobat kristal büyütme şirketleri ile Japon şirketleri arasında yaklaşık 20 yıllık bir teknolojik fark var.Çin'de yüksek kaliteli optik dereceli lityum niobat kristallerinin büyüme teorisi ve işleme teknolojisinde atılımlara acil ihtiyaç var.

Lityum niobat fotonik yapıları, fotonik çipler ve cihazlarda uluslararası atılımlar büyük ölçüde lityum niobat ince film malzemelerinin geliştirilmesine ve sanayileşmesine bağlanır.Ancak, lityum niobat tek kristallerinin kırılganlığı nedeniyle, nanometre aralığında (100-2.000 nm) kalınlıklarda düşük kusurlu, yüksek kaliteli ince filmler hazırlamak çok zor.İyon ekimi ve doğrudan bağlama teknolojileri, toplu tek kristallerin nanometre kalınlığında lityum niobat tek kristal ince filmlere ayrılması için izin verir, büyük ölçekli lityum niobat fotonik entegrasyonunu mümkün kılıyor.Lityum niobat tek kristal ince filmlerin üretim teknolojisine hakim olmuşlarJinan Jingzheng, iyon ışını kesimi ve doğrudan bağlanma çekirdek teknolojilerini kullanarak bu süreçleri sanayileştiren ilk kişi oldu.Lityum niobat ince filmlerinin (NanoLN) dünya çapında önde gelen bir markasını oluşturmak, 2023 yılında Jinan Jingzheng, 8 inç optik dereceli lityum niobat ince filmler tanıttı (Şekil 1 ((b))),endüstrideki ilk 8 inçlik X eksenli lityum niobat kristallerinden lityum niobat ince filmleri üreten şirket olduJinan Jingzheng'in ürün serisinin temel göstergeleri, fiziksel performans, kalınlık eşitliği, kusur bastırma ve ortadan kaldırma dahil olmak üzere, uluslararası standartların ön saflarında.

2.Lityum Niobat'ın Gelişmiş Uygulamalar

Geleneksel lityum niobat tek kristal malzemelerle karşılaştırıldığında, ince filmli lityum niobat daha küçük boyut, daha düşük maliyet, daha yüksek entegrasyon,ve daha geniş bir sıcaklık aralığı ve elektrik alanı koşullarında istikrarlı çalışabilme yeteneğiBu avantajlar, 5G iletişim, kuantum bilişim, fiber optik iletişim ve sensörler gibi alanlarda çok uygulanabilir kılar.Özellikle elektro-optik modülasyonda, optik sinyal işleme ve yüksek hızlı veri aktarımı (Tablo 1).

2.1 Yüksek Hızlı Elektro-Optik Modülatör Lityum Niobat Modülatörleri

Yüksek hız, düşük güç tüketimi ve yüksek sinyal-gürültü oranı avantajlarıyla ultra yüksek hızlı omurilik optik iletişim ağlarında yaygın olarak kullanılırlar.Denizaltı optik iletişim ağlarıBüyük boyutlu fotolitografi, ultra düşük kayıp dalga kılavuzu imalatı gibi anahtar teknolojiler,ve heterojen entegrasyon ince film lityum niobat modülatörlerinin geliştirilmesine yol açtı, 800 Gbps ve 1.6 T yüksek hızlı optik modül uygulamalarını desteklemelerini sağlar.ince filmli lityum niobat, ultra yüksek bant genişliği gibi olağanüstü özellikler sunar., düşük güç tüketimi, düşük kayıp, küçük boyut ve wafer düzeyinde kitlesel üretime ulaşma yeteneği, onu elektro-optik modülatörler için ideal bir malzeme haline getiriyor.İnce filmli lityum niobat modülatörleri için küresel pazar istikrarlı bir şekilde büyüyor, küresel piyasa büyüklüğünün 2029 yılına kadar% 41.0'luk bir yıllık büyüme oranı ile 2 milyar dolara ulaşması bekleniyor.

Uluslararası olarak, 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, Fujitsu Optical Devices Ltd. ise 2021 yılında dünyanın ilk ticari 200 GBaud ince filmli lityum niobat modülatörünü piyasaya sürdü.

2.2 Lityum Niobat Entegre Optik Platform

Lityum niobat entegre optik platformda, frekans karıştırıcılarından frekans dönüştürücülerine ve modülatörlerine kadar uygulamalar elde edildi.Lityum niobat çiplerine lazerlerin entegre edilmesi hala önemli bir zorluk2022'de, Harvard Üniversitesi'nden bir araştırma ekibi HyperLight ve Freedom Photonics ile işbirliği içinde,Çip düzeyinde bir femtosaniye darbe kaynağı ve dünyanın ilk tamamen entegre yüksek güçlü lazerini bir lityum niobat çipinde başarılı bir şekilde gösterdi (Şekil 2 ((a))Bu lityum niobate lazerler yüksek performanslı, plug-and-play lazerlerle birleştiriliyor.ve gelecekteki iletişim sistemlerinin güç tüketimiAyrıca daha büyük optik sistemlere de entegre edilebilirler ve algılama, atom saatleri, lidar, kuantum bilgileri ve veri telekomünikasyonları gibi alanlarda geniş uygulamalara sahiptirler.Dar çizgi genişliğine sahip entegre lazerlerin daha fazla geliştirilmesiETH Zürih ve IBM araştırmacıları 2023 yılında düşük kayıplı, dar hat genişliğine sahipYüksek modülasyon oranı, yaklaşık 10 GHz tekrar hızı, 1.065 nm'de 4,8 ps optik darbeleri ile, bir lityum niobat-silikon nitrit heterogen entegre optik platformda sabit lazer çıkışı,2'yi aşan enerji0,6 pJ ve 0,5 W'dan fazla bir en yüksek güç.

Amerika Birleşik Devletleri Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü'nden (NIST) araştırmacılar,çok segmentli nanophotonic entegre ince filmli lityum niobat dalga kılavuzlarının kullanılmasına dayalı, mühendislik dispersiyonu ve çırpılmış yarı faz eşleşmesini birleştirerek ultraviyoleten görünür spektrumuna kadar uzanan sürekli bir frekans tarama yelpazesi üretti. 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, geleneksel elektronik işlemcilerden 1000 kat daha hızlı hızlar elde ederek, 67 GHz ultra geniş işlem bant genişliği ve mükemmel hesaplama doğruluğu ile.Nankai Üniversitesi ve Hong Kong Şehir Üniversitesi arasındaki bir işbirliği, dünyanın ilk entegre ince film lityum niobat fotonik milimetre dalga radarının başarılı bir şekilde geliştirilmesine yol açtı., 4 inçlik ince filmli lityum niobat platformuna dayanan, santimetre düzeyinde mesafe ve hız algılama çözünürlüğünde atılımcı bir ilerleme sağlayan,ve ters sentetik diyafram radarı (ISAR) iki boyutlu görüntüleme (Şekil 2 ((b))Geleneksel milimetre dalga radarları genellikle birlikte çalışmak için birden fazla ayrı bileşene ihtiyaç duyar.Radarın tüm temel fonksiyonları tek bir 15 mm × 1'e entegre edilmiştir..5 mm × 0.5 mm çip, sistem karmaşıklığını önemli ölçüde azaltır. Bu teknoloji, 6G çağı araç radarları, hava üzerindeki radarlar ve akıllı ev sistemleri gibi alanlarda uygulanacak.

2.3 Kuantum Optik Uygulamalar, ince filmli lityum niobat üzerine çeşitli işlevsel cihazları entegre etmiştir.

örneğin karışık ışık kaynakları, elektro-optik modülatörler, dalga kılavuzu ışın bölücüler vb.Bu entegre tasarım, çip üzerindeki optik kuantum durumlarının verimli üretilmesini ve yüksek hızlı manipülasyonunu sağlar., kuantum çiplerinin işlevselliğini ve gücünü arttırarak, kuantum bilgi işleme ve aktarımı için daha verimli çözümler sağlıyor.Stanford Üniversitesi'ndeki araştırmacılar elmas ve lityum niobatı tek bir çiple birleştirdiler, elmasın moleküler yapısı manipüle edilebilir ve sabit kuantum bitlerini barındırabilirken, lityum niobat içinden geçen ışığın frekansını değiştirebilir.Optik modülasyon sağlayanBu malzeme kombinasyonu, kuantum yongalarının performansını iyileştirmek ve işlevselliğini genişletmek için yeni fikirler sunuyor.Sıkıştırılmış optik kuantum durumlarının oluşturulması ve manipüle edilmesi, kuantum geliştirilmiş teknolojilerin temel temelidir.Caltech'deki bir araştırma ekibi, lityum niobate tabanlı entegre bir nanophotonics platformu geliştirdi.aynı optik çip üzerinde sıkıştırılmış durumların üretilmesini ve ölçülmesini sağlayan. 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、 Gelişim Eğilimleri ve Zorlukları: Yapay zeka ve büyük modellerin gelişimiyle

Gelecekte lityum niobat için büyüme noktaları esas olarak yüksek kaliteli optik yonga alanına odaklanacak (Tablo 5),Özellikle yüksek hızlı optik modülatörler gibi çekirdek optik yonga teknolojilerindeki atılımları içeren, lazerler ve dedektörler; cihaz performansını artırmak için optik yongalarda ince filmli lityum niobatın uygulanmasını teşvik etmek;Yüksek kaliteli filmlerin büyük ölçekli üretimine ulaşmak için lityum niobat ince film üretim teknolojilerinin araştırılmasını ve geliştirilmesini güçlendirmek; ve maliyetleri düşürmek için ince film lityum niobatin silikon bazlı optoelektronik cihazlarla entegrasyonunu teşvik etmek.

İlgili ürün önerisi

2 inç 3 inç 4 inç LNOI LiNbO3 Wafer Lityum Niobate Thin Films Layer On Silicon Substrate