Кристаллы ниобата лития, однокристаллические тонкие пленки и их будущее развитие в индустрии фотонических чипов.

Кристаллы ниобата лития, однокристаллические тонкие пленки и их будущее развитие в индустрии фотонических чипов.

С быстрым развитием таких приложений, как технология связи 5G/6G, большие данные и искусственный интеллект, растет спрос на фотонические чипы следующего поколения. кристаллы ниобата лития, с их отличными электрооптическими, нелинейными оптическими и пьезоэлектрическими свойствами, стали основным материалом для фотонических чипов и известны как "оптический кремний" фотонической эры.В последние годы, были достигнуты прорывы в подготовке однокристаллических тонких пленок ниобата лития и технологий обработки устройств, которые демонстрируют такие преимущества, как меньшие размеры,более высокая интеграцияЭти характеристики предлагают широкие перспективы применения в таких областях, как высокоскоростные электрооптические модуляторы,интегрированная оптика, и квантовой оптики.

В данной статье представлен отечественный и международный прогресс в области исследований и разработок кристаллов лития ниобата оптического класса, технологий подготовки однокристаллической тонкой пленки,и соответствующей политики, а также их последние применения в фотонических чипах, интегрированных оптических платформах и квантовых оптических устройствах.кристалл ниобата литияВ настоящее время, по данным исследования, в цепочке производства тонкопленочных изделий и устройств, представлены предложения для дальнейшего развития.Китай находится на одном уровне с международным передовым уровнем в области однокристаллических тонких пленок на основе ниобата лития и оптико-электронных устройств на основе ниобата лития., но существует еще значительный пробел в индустриализации высококачественных кристаллических материалов из ниобата лития.Ожидается, что Китай сформирует полный промышленный кластер литий-ниобата., от подготовки материала до проектирования, производства и применения устройства.

Литий-ниобатные тонкие пленки стали важным материалом для следующего поколения многофункциональных интегрированных фотонических чипов обработки информации.Прогнозируемая рыночная емкость оптических модуляторов на основе кристаллических материалов ниобата лития достигнет $36По сравнению с фотоническими модуляторами кремния и модуляторами фосфида индия, тонкопленочные модуляторы ниобата лития предлагают такие преимущества, как высокая пропускная способность, низкая потеря вставки,низкое потребление энергииОни также позволяют миниатюризацию, удовлетворяя растущий спрос на более мелкие когерентные оптические модули и оптические модули для передачи данных.Китай добился независимого контроля над кристаллическими материаламиВ настоящее время несколько отечественных производителей выпустили 800 Гбит/с тонкопленочных литий-ниобатных оптических модулей.с клиентами в нижней части сети, которые уже тестируют соответствующие продуктыПреимущества применения оптических модулей 1.6 T станут более заметными в будущем.

1.Прогресс исследований кристаллов ниобата лития и однокристаллических тонких пленок

Физические и химические свойства литий-ниобатных однокристаллов во многом зависят от соотношения [Li]/[Nb] и примесей.кристаллы ниобата лития (CLN), которые имеют одинаковый состав, дефицит лития, содержат большое количество вакансий лития (VLi) и дефекты анти-сайта ниобия (Nb).соотношением [Li]/[Nb] близким к 1:1Однокристаллы ниобата лития классифицируются на акустические и оптические материалы.Соответствующие учреждения, занимающиеся выращиванием кристаллов ниобата лития, представлены в таблице 1.В настоящее время японские компании являются основными участниками роста литий-ниобата оптического класса.уровень отечественного производства литий-ниобатовых пластин оптического качества составляет менее 5%., что делает его в значительной степени зависимым от импорта.

Японская компания Yamamoto Ceramics успешно проиндустриализировала 8-дюймовые кристаллы и пластины с ниобатом лития (рисунок 1 ((a)).(Tiantong) и China Electronics Technology Deqing Huaying Electronics Co.., Ltd (Deqing Huaying) в 2000 и 2019 годах соответственно производили кристаллы и пластины литий-ниобата длиной 8 дюймов, но они еще не достигли промышленного массового производства.Литий-ниобат стехиометрического и оптического качества, остается технологический разрыв около 20 лет между отечественными компаниями по производству кристаллов литий-ниобата и японскими компаниями.в Китае есть настоятельная потребность в достижении прорывов в теории роста и технологии процесса высококачественных кристаллов ниобата лития оптического класса.

Международные прорывы в области фотонических структур, фотонических чипов и устройств с ниобатом лития в значительной степени связаны с разработкой и индустриализацией материалов с тонкой пленкой с ниобатом лития.Однако, из-за ломкости однокристаллов ниобата лития очень сложно изготовить тонкие пленки с низким дефектом и высоким качеством толщиной в нанометровом диапазоне (100-2000 нм).Технологии имплантации ионных и прямых связей позволяют разделять крупные однокристаллические материалы на однокристаллические тонкие пленки нанометровой толщины с ниобатом литияВ настоящее время только несколько компаний во всем мире, включая Jinan Jingzheng, Soitec SA из Франции и Kyocera Corporation из Японии,владеть технологией производства однокристаллических тонких пленок ниобата литияДжинань Цзиньчжэнь, используя технологии нарезки ионного луча и прямых связей, был первым, кто проиндустриализировал эти процессы.создание ведущего мирового бренда литий-ниобатных тонких пленок (NanoLN), который поддерживает более 90% глобальных основных исследований и НИОКР в области литий-ниобатных тонкопленочных устройств.Став первой компанией в отрасли, производящей литий-ниобатные тонкие пленки из 8-дюймовых кристаллов литий-ниобата по оси XКлючевые показатели серии продуктов Jinan Jingzheng, включая физические характеристики, единообразие толщины, устранение дефектов и устранение, находятся на переднем крае международных стандартов.

2.Усовершенствованные применения ниобата лития

По сравнению с традиционными однокристаллическими материалами литий ниобата, тонкопленочный литий ниобат предлагает меньшие размеры, более низкую стоимость, более высокую интеграцию,и способность стабильно работать в более широком диапазоне температур и условий электрического поляЭти преимущества делают его очень применимым в таких областях, как связь 5G, квантовые вычисления, волоконно-оптическая связь и датчики.особенно в электрооптической модуляции, обработки оптического сигнала и высокоскоростной передачи данных (таблица 1).

2.1 Высокоскоростные электрооптические модуляторы Модуляторы литиевого ниобата

с их преимуществами высокой скорости, низкого энергопотребления и высокого соотношения сигнала к шуму, широко используются в ультравысокоскоростных оптокоммуникационных сетях,подводные сети оптической связиКлючевые технологии, такие как фотолитография больших размеров, изготовление волноводов с ультранизкой потерью,и гетерогенная интеграция привели к разработке тонкопленочных модуляторов ниобата литияПо сравнению с такими материалами, как фосфид индия, фотоника кремния и традиционный ниобат лития,тонкопленочный ниобат лития предлагает выдающиеся характеристики, такие как сверхвысокая пропускная способность, низкое потребление энергии, низкие потери, небольшие размеры и способность добиться массового производства на уровне пластины, что делает его идеальным материалом для электрооптических модуляторов.Мировой рынок тонкопленочных литий-ниобатных модуляторов постоянно растет, при этом ожидается, что к 2029 году мировой рынок достигнет 2 млрд. долл. с совокупным годовым темпом роста в 41,0%.

На международном уровне 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 2018В 2021 году компания Fujitsu Optical Devices Ltd. запустила первый в мире коммерческий 200 ГБодный тонкопленочный модулятор литий-ниобата.

2.2 Интегрированная оптическая платформа из ниобата лития

На интегрированной оптической платформе с ниобатом лития были достигнуты различные приложения, начиная от частотных расчесов до частотных преобразователей и модуляторов.Интеграция лазеров на чипы с ниобатом лития остается серьезной проблемойВ 2022 году исследовательская группа из Гарвардского университета в сотрудничестве с HyperLight и Freedom Photonics,успешно продемонстрировал источник импульсов фемтосекунд на уровне чипа и первый в мире полностью интегрированный высокомощный лазер на чипе с ниобатом лития (рисунок 2 ((a))Эти литий-ниобатовые лазеры с чипами интегрированы с высокопроизводительными лазерами, которые могут значительно снизить стоимость, сложность,и энергопотребления будущих систем связиОни также могут быть интегрированы в более крупные оптические системы и имеют широкое применение в таких областях, как датчики, атомные часы, лидар, квантовая информация и телекоммуникации данных.Дальнейшее развитие интегрированных лазеров с узкой шириной линииВ 2023 году исследователи из ETH Zurich и IBM достигли низких потерь, узкой ширины линии,высокая скорость модуляции, стабильная выходная мощность лазера на гитерогенной интегрированной оптической платформе литий ниобат-силиконовый нитрид, с частотой повторения приблизительно 10 ГГц, оптическим импульсом 4,8 пс на 1065 нм,энергии более 20,6 pJ и пиковая мощность более 0,5 Вт.

Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) в США,на основе внедрения многосегментных нанофотонных интегрированных тонкопленочных волноводов литиевого ниобата, успешно генерировала непрерывный спектр частотных чешуек от ультрафиолетового до видимого спектра путем сочетания инженерной дисперсии и циркающей квазифазной совместимости. 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, достигая скоростей в 1000 раз быстрее, чем традиционные электронные процессоры, с 67 ГГц сверхширокой пропускной способности и отличной точностью вычислений.Сотрудничество между Университетом Нанкая и Городским Университетом Гонконга привело к успешной разработке первого в мире интегрированного литий-ниобатного фотонического радара с тонкой пленкой., основанная на 4-дюймовой тонкопленочной платформе литий-ниобат, достигшей прорыва в разрешении дистанции и скорости на уровне сантиметров,а также двумерное изображение с помощью радара с обратной синтетической диафрагмой (ISAR) (рисунок 2 ((b))Традиционные миллиметровые радиолокаторы обычно требуют множества дискретных компонентов для совместной работы, но с помощью технологии интеграции на чипе,все основные функции радара интегрированы в один 15 мм × 1Эта технология будет применяться в таких областях, как автомобильные радары эры 6G, бортовые радары и системы умного дома.

2.3 Квантовые оптические приложения интегрировали различные функциональные устройства на тонкопленочный ниобат лития

такие как запутанные источники света, электрооптические модуляторы, разделители луча волновода и т.д.Эта интегрированная конструкция позволяет эффективно генерировать и быстро манипулировать оптическими квантовыми состояниями на чипе, повышая функциональность и мощность квантовых чипов, обеспечивая более эффективные решения для обработки и передачи квантовой информации.Исследователи из Стэнфордского университета объединили алмаз и литийный ниобат в один чип, где молекулярную структуру алмаза легко манипулировать и может вместить фиксированные квантовые биты, в то время как ниобат лития может изменить частоту света, проходящего через него,позволяющий оптическую модуляциюЭта комбинация материалов предлагает новые идеи для улучшения производительности и расширения функциональности квантовых чипов.Генерация и манипулирование сжатыми оптическими квантовыми состояниями является основой квантовых технологийИсследовательская группа из Калифорнийского технологического института успешно разработала интегрированную нанофотоническую платформу на основе ниобата лития, которая позволяет создавать нанофотоники, которые могут быть использованы для изготовления микроорганизмов.позволяющий генерировать и измерять сжатые состояния на одном и том же оптическом чипе. 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、Тенденции и вызовы развития: с развитием искусственного интеллекта и больших моделей

Точки роста для будущего литий-ниобата будут сосредоточены в основном на области высокопроизводительных оптических чипов (таблица 5),специально включая прорывы в технологиях основных оптических чипов, таких как высокоскоростные оптические модуляторы, лазеры и детекторы; содействие применению литий-ниобата тонкопленочного в оптических чипах для повышения производительности устройств;укрепление исследований и разработок технологий изготовления литий-ниобатных тонких пленок для достижения крупномасштабного производства высококачественных пленок; и содействие интеграции тонкопленочного ниобата лития с оптико-электронными устройствами на основе кремния для снижения затрат.

Соответствующая рекомендация продукта

2-дюймовый 3-дюймовый 4-дюймовый LNOI LiNbO3 Wafer Lithium Niobate Thin Films Layer на кремниевом субстрате