Κρυστάλλοι νιοβατικού λιθίου, λεπτές ταινίες μονοκρυστάλλων και η μελλοντική τους ανάπτυξη στη βιομηχανία φωτονικών τσιπ.

Κρυστάλλοι νιοβατικού λιθίου, λεπτές ταινίες μονοκρυστάλλων και η μελλοντική τους ανάπτυξη στη βιομηχανία φωτονικών τσιπ.

Με την ταχεία ανάπτυξη εφαρμογών όπως η τεχνολογία επικοινωνιών 5G/6G, τα μεγάλα δεδομένα και η τεχνητή νοημοσύνη, η ζήτηση για φωτολογικά τσιπ επόμενης γενιάς αυξάνεταιΚρυστάλλοι νιοβατικού λιθίου, με τις εξαιρετικές ηλεκτρο-οπτικές, μη γραμμικές οπτικές και πιεζοηλεκτρικές ιδιότητές τους, έχουν γίνει το βασικό υλικό για φωτονικά τσιπ και είναι γνωστά ως το "οπτικό πυρίτιο" της φωτονικής εποχής.Τα τελευταία χρόνια, σημειώθηκαν σημαντικές εξελίξεις στην παρασκευή λεπτών ταινιών μονοκρυσταλλικού νιοβατικού λιθίου και στις τεχνολογίες επεξεργασίας συσκευών, οι οποίες αποδεικνύουν πλεονεκτήματα όπως μικρότερο μέγεθος,μεγαλύτερη ολοκλήρωσηΤα χαρακτηριστικά αυτά προσφέρουν ευρείες προοπτικές εφαρμογής σε τομείς όπως οι υψηλής ταχύτητας ηλεκτρο-οπτικοί διαμορφωτές,ενσωματωμένη οπτική, και κβαντική οπτική.

Το άρθρο αυτό παρουσιάζει την εγχώρια και διεθνή πρόοδο έρευνας και ανάπτυξης κρυστάλλων νιοβατικού λιθίου οπτικής ποιότητας, τεχνολογιών προετοιμασίας λεπτών ταινιών μονοκρυστάλλων,και τις σχετικές πολιτικέςΗ μελέτη αναλύει τις τάσεις ανάπτυξης και τις προκλήσεις που αντιμετωπίζουν οι τεχνολογίες της ηλεκτρονικής τεχνολογίας.νιοβατικό λιθίου κρίσταΗ βιομηχανική αλυσίδα συσκευών λεπτών ταινιών και παρέχει προτάσεις για μελλοντική ανάπτυξη.Η Κίνα βρίσκεται στο ίδιο επίπεδο με το διεθνές προηγμένο επίπεδο στους τομείς των λεπτών ταινιών μονοκρυσταλλικού νιοβατικού λιθίου και των οπτοηλεκτρονικών συσκευών με βάση το νιοβατικό λιθίουΟρισμένα από τα προϊόντα που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή των κρυστάλλων νιοβατικού λιθίου είναι πολύ διαφορετικά από τα προϊόντα που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή των κρυστάλλων νιοβατικού λιθίου.Η Κίνα αναμένεται να σχηματίσει ένα πλήρες βιομηχανικό σύμπλεγμα νιοβατικού λιθίου, από την προετοιμασία του υλικού μέχρι το σχεδιασμό, την κατασκευή και την εφαρμογή της συσκευής.

Οι λεπτές ταινίες νιοβατικού λιθίου έχουν γίνει ένα σημαντικό υποψήφιο υλικό για την επόμενη γενιά πολυλειτουργικών ολοκληρωμένων υποστρωμάτων φωτονικών τσιπ επεξεργασίας πληροφοριών.Η προβλεπόμενη ικανότητα αγοράς για τους οπτικούς διαμορφωτές με βάση τα υλικά των κρυστάλλων νιοβατικού λιθίου εκτιμάται ότι θα φθάσει τα 36 εκατ.Σε σύγκριση με τους διαμορφωτές φωτονικών πυριτίου και τους διαμορφωτές φωσφοριδίου ινδίου, οι διαμορφωτές νιοβατικού λιθίου λεπτής ταινίας προσφέρουν πλεονεκτήματα όπως υψηλό εύρος ζώνης, χαμηλή απώλεια εισαγωγής,χαμηλή κατανάλωση ενέργειαςΕπιπλέον, επιτρέπουν τη μικροποίηση, καλύπτοντας την αυξανόμενη ζήτηση για μικρότερες συνεκτικές οπτικές ενότητες και οπτικές ενότητες για την επικοινωνία δεδομένων.Η Κίνα έχει επιτύχει ανεξάρτητο έλεγχο των κρυστάλλων υλικών.Σήμερα, αρκετοί εγχώριοι κατασκευαστές έχουν κυκλοφορήσει λύσεις οπτικών μονάδων λιθίου νιοβατικού λιθίου με λεπτό φιλμ 800 Gbps,με πελατές που ελέγχουν ήδη τα αντίστοιχα προϊόνταΤα πλεονεκτήματα των εφαρμογών οπτικών μονάδων 1.6 T θα γίνουν πιο εμφανή στο μέλλον.

1.Πρόοδος της έρευνας για τους κρυστάλλους νιοβατικού λιθίου και τις λεπτές ταινίες μονοκρυστάλλων

Οι φυσικές και χημικές ιδιότητες των μονοκρυστάλλων νιοβατικού λιθίου εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την αναλογία [Li]/[Nb] και τις προσμείξεις.Κρυστάλλοι νιοβατικού λιθίου (CLN), τα οποία έχουν την ίδια σύνθεση, είναι ελλείψεις λιθίου, περιέχουν μεγάλο αριθμό κενών λιθίου (VLi) και ελαττώματα σημείων αντι-τοποθεσίας νιόβίου (Nb).με αναλογία [Li]/[Nb] κοντά στο 1:1Τα μονοκρυστάλλια νιοβατικού λιθίου ταξινομούνται σε υλικά ακουστικής και οπτικής ποιότητας.Σχετικά ιδρύματα που ασχολούνται με την ανάπτυξη κρυστάλλων νιοβατικού λιθίου εμφανίζονται στον πίνακα 1Η αύξηση αυτή οφείλεται κυρίως στην αύξηση της κατανάλωσης του νιοβατικού λιθίου σε οπτικό επίπεδο.το ποσοστό εγχώριας παραγωγής πλακών νιοβατικού λιθίου οπτικής ποιότητας είναι μικρότερο του 5%, καθιστώντας την σε μεγάλο βαθμό εξαρτημένη από τις εισαγωγές.

Η ιαπωνική εταιρεία Yamamoto Ceramics έχει αναπτύξει με επιτυχία βιομηχανικούς κρυστάλλους και πλακίδια νιοβατικού λιθίου μήκους 8 ιντσών (Σχήμα 1 ((α)).(Tiantong) και της China Electronics Technology Deqing Huaying Electronics Co.., Ltd. (Deqing Huaying) προετοίμασαν και οι δύο κρυστάλλους νιοβατικού λιθίου 8 ιντσών και πλακίδια το 2000 και το 2019, αντίστοιχα, αλλά δεν έχουν ακόμη επιτύχει βιομηχανική μαζική παραγωγή.Από πλευράς στεχειομετρικής και οπτικής ποιότητας νιοβατικό λιθίου, παραμένει ένα τεχνολογικό κενό περίπου 20 ετών μεταξύ των εγχώριων εταιρειών ανάπτυξης κρυστάλλων νιοβατικού λιθίου και των ιαπωνικών εταιρειών.υπάρχει επείγουσα ανάγκη στην Κίνα να σημειωθεί πρόοδος στη θεωρία ανάπτυξης και στην τεχνολογία διεργασίας υψηλής ποιότητας κρυστάλλων νιοβατικού λιθίου οπτικής ποιότητας.

Οι διεθνείς ανακαλύψεις στις φωτονικές δομές, τα φωτονικά τσιπ και τις συσκευές νιοβατικού λιθίου αποδίδονται σε μεγάλο βαθμό στην ανάπτυξη και την εκβιομηχάνιση υλικών λεπτής ταινίας νιοβατικού λιθίου.Παρόλα αυτά, λόγω της εύθραυσης των μονοκρυστάλλων νιοβατικού λιθίου, είναι πολύ δύσκολο να παρασκευαστούν λεπτές ταινίες υψηλής ποιότητας με χαμηλά ελαττώματα και πάχους στην περιοχή των νανομέτρων (100-2.000 nm).Οι τεχνολογίες εμφύτευσης ιόντων και άμεσης σύνδεσης επιτρέπουν τον διαχωρισμό των χονδρικών μονοκρυστάλλων σε λεπτές ταινίες μονοκρυστάλλων νιοβατικού λιθίου πάχους νανομέτρωνΣήμερα, μόνο λίγες εταιρείες παγκοσμίως, μεταξύ των οποίων η Jinan Jingzheng, η Soitec SA της Γαλλίας και η Kyocera Corporation της Ιαπωνίας,έχουν κυριαρχήσει στην τεχνολογία παραγωγής λεπτών ταινιών μονοκρυσταλλικού νιοβατικού λιθίουΟ Jinan Jingzheng, χρησιμοποιώντας τις βασικές τεχνολογίες κοπής δέσμης ιόντων και άμεσης σύνδεσης, ήταν ο πρώτος που βιομηχανοποίησε αυτές τις διαδικασίες,δημιουργία παγκοσμίως ηγετικής μάρκας λεπτών ταινιών νιοβατικού λιθίου (NanoLN), η οποία υποστηρίζει πάνω από το 90% της παγκόσμιας βασικής έρευνας και έρευνας και ανάπτυξης σε συσκευές λεπτής ταινίας νιοβατικού λιθίου. Το 2023, η Jinan Jingzheng εισήγαγε λεπτές ταινίες νιοβατικού λιθίου οπτικής ποιότητας 8 ιντσών (Σχήμα 1 ((β)),γίνεται η πρώτη εταιρεία στον κλάδο που παράγει λεπτές ταινίες νιοβατικού λιθίου από κρυστάλλους νιοβατικού λιθίου 8 ιντσών στον άξονα ΧΟι βασικοί δείκτες της σειράς προϊόντων Jinan Jingzheng, συμπεριλαμβανομένων των φυσικών επιδόσεων, της ομοιομορφίας πάχους, της καταστολής ελαττωμάτων και της εξάλειψης, βρίσκονται στην πρώτη γραμμή των διεθνών προτύπων.

2.Προηγμένες εφαρμογές του νιοβατικού λιθίου

Σε σύγκριση με τα παραδοσιακά μονοκρυσταλλικά υλικά νιοβατικού λιθίου, το νιοβατικό λιθίου λεπτής ταινίας προσφέρει μικρότερο μέγεθος, χαμηλότερο κόστος, υψηλότερη ολοκλήρωση,και ικανότητα σταθερής λειτουργίας σε ευρύτερο εύρος θερμοκρασιών και ηλεκτρικών πεδίωνΤα πλεονεκτήματα αυτά το καθιστούν εξαιρετικά εφαρμοστέο σε τομείς όπως η επικοινωνία 5G, η κβαντική πληροφορική, η επικοινωνία με οπτικές ίνες και οι αισθητήρες.ειδικά στην ηλεκτρο-οπτική τροποποίηση, η επεξεργασία οπτικών σημάτων και η υψηλής ταχύτητας μετάδοση δεδομένων (πίνακας 1).

2.1 Ηλεκτρο-οπτικοί διαμορφωτές υψηλής ταχύτητας Διαμορφωτές νιοβατικού λιθίου

με τα πλεονεκτήματά τους της υψηλής ταχύτητας, της χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας και της υψηλής αναλογίας σήματος-θόρυβου, χρησιμοποιούνται ευρέως σε οπτικά δίκτυα επικοινωνίας υπερ-υψηλής ταχύτητας,υποβρύχια δίκτυα οπτικής επικοινωνίαςΟι βασικές τεχνολογίες, όπως η φωτολιθογραφία μεγάλου μεγέθους, η κατασκευή κυματοδρομικών με εξαιρετικά χαμηλή απώλεια,και η ετερογενής ολοκλήρωση έχουν οδηγήσει στην ανάπτυξη των διαμορφωτών νιοβατικού λιθίου λεπτής ταινίαςΣε σύγκριση με υλικά όπως το φωσφορικό ίνδιο, τη φωτονική του πυριτίου και το παραδοσιακό νιοβατικό λίθιο, τα υλικά αυτά δεν είναι αρκετά ισχυρά.Το νιοβάτη λιθίου λεπτής μεμβράνης προσφέρει εξαιρετικά χαρακτηριστικά, όπως εξαιρετικά υψηλό εύρος ζώνης., χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, χαμηλή απώλεια, μικρό μέγεθος και ικανότητα να επιτευχθεί μαζική παραγωγή σε επίπεδο κυψελών, καθιστώντας το ιδανικό υλικό για ηλεκτρο-οπτικούς διαμορφωτές.Η παγκόσμια αγορά διαμορφωτών νιοβατικού λιθίου λεπτής ταινίας αυξάνεται σταθερά, με το μέγεθος της παγκόσμιας αγοράς να αναμένεται να φτάσει τα 2 δισεκατομμύρια δολάρια έως το 2029, με συνθετικό ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης 41,0%.

Διεθνώς, 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 2018Η Fujitsu Optical Devices Ltd. λανσάρισε τον πρώτο εμπορικό διαμορφωτή λιθίου νιοβατικού λεπτής ταινίας 200 GBaud του κόσμου το 2021.

2.2 Ενσωματωμένη οπτική πλατφόρμα νιοβατικού λιθίου

Στην ενσωματωμένη οπτική πλατφόρμα νιοβατικού λιθίου, έχουν επιτευχθεί εφαρμογές που κυμαίνονται από χτένες συχνοτήτων έως μετατροπείς συχνοτήτων και διαμορφωτές.Η ενσωμάτωση των λέιζερ σε τσιπ νιοβατικού λιθίου παραμένει μια σημαντική πρόκλησηΤο 2022, μια ερευνητική ομάδα από το Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, σε συνεργασία με το HyperLight και το Freedom Photonics,Δείξε με επιτυχία μια πηγή παλμών femtosecond σε επίπεδο τσιπ και το πρώτο πλήρως ολοκληρωμένο λέιζερ υψηλής ισχύος στον κόσμο σε τσιπ νιοβατικού λιθίου (Σχήμα 2 ((α))Αυτά τα λέιζερ νιοβατικού λιθίου είναι ενσωματωμένα με υψηλής απόδοσης λέιζερ plug-and-play, τα οποία μπορούν να μειώσουν σημαντικά το κόστος, την πολυπλοκότητα,και κατανάλωση ενέργειας των μελλοντικών συστημάτων επικοινωνιώνΜπορούν επίσης να ενσωματωθούν σε μεγαλύτερα οπτικά συστήματα και να έχουν ευρείες εφαρμογές σε τομείς όπως η ανίχνευση, τα ατομικά ρολόγια, το lidar, οι κβαντικές πληροφορίες και οι τηλεπικοινωνίες δεδομένων.Συνεχιζόμενη ανάπτυξη ολοκληρωμένων λέιζερ με στενά πλάτη γραμμήςΤο 2023, ερευνητές από την ETH Zurich και την IBM πέτυχαν χαμηλή απώλεια, στενό πλάτος γραμμής,υψηλό ποσοστό διαμόρφωσης, σταθερή έξοδος λέιζερ σε μια ετερογενή ολοκληρωμένη οπτική πλατφόρμα νιοβατικού λιθίου-νιτριδίου πυριτίου, με συχνότητα επανάληψης περίπου 10 GHz, οπτικό παλμό 4,8 ps σε 1,065 nm,ενέργεια άνω των 20,6 pJ και μέγιστη ισχύς άνω των 0,5 W.

Ερευνητές από το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) στις ΗΠΑ,βασισμένη στην εισαγωγή ενσωματωμένων πολυτμηματικών νανοφωτονικών κυματοδηγών νιοβατικού λιθίου λεπτής ταινίας, δημιούργησε με επιτυχία ένα συνεχές φάσμα συχνοτήτων που εκτείνεται από το υπεριώδες στο ορατό φάσμα συνδυάζοντας την μηχανική διασπορά και την αντιστοίχιση σχεδόν φάσης. 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, επιτυγχάνοντας ταχύτητες 1.000 φορές ταχύτερες από τους παραδοσιακούς ηλεκτρονικούς επεξεργαστές, με ευρύτατο εύρος ζώνης επεξεργασίας 67 GHz και εξαιρετική υπολογιστική ακρίβεια.μια συνεργασία μεταξύ του Πανεπιστημίου του Nankai και του City University του Χονγκ Κονγκ οδήγησε στην επιτυχή ανάπτυξη του πρώτου παγκοσμίως ολοκληρωμένου ιντεγγραμμένου ραντάρ λεπτών ταινιών λιθίου νιοβατικού φωτονικού χιλιοστών., βασισμένο σε πλατφόρμα λιθίου νιοβατικού λεπτού φιλμ 4 ιντσών, που επιτυγχάνει πρωτοποριακή πρόοδο στην ανίχνευση απόστασης σε επίπεδο εκατοστών και ανάλυσης ταχύτητας,καθώς και διμερής απεικόνιση από ραντάρ αντίστροφης συνθετικής διαφάνειας (ISAR) (Σχήμα 2 (b))Τα παραδοσιακά ραντάρ χιλιοστών κυμάτων συνήθως απαιτούν πολλά διακριτά συστατικά για να λειτουργούν μαζί, αλλά μέσω της τεχνολογίας ενσωμάτωσης στο τσιπ,όλες οι βασικές λειτουργίες του ραντάρ είναι ενσωματωμένες σε ένα ενιαίο 15 mm × 1Η τεχνολογία αυτή θα εφαρμοστεί σε τομείς όπως τα ραντάρ οχημάτων της εποχής 6G, τα αερομεταφερόμενα ραντάρ και τα συστήματα έξυπνων σπιτιών.

2.3 Οι εφαρμογές κβαντικής οπτικής έχουν ενσωματώσει διάφορες λειτουργικές συσκευές στο νιοβατικό λίθιο λεπτής ταινίας

όπως μπλεγμένες φωτεινές πηγές, ηλεκτρο-οπτικοί διαμορφωτές, διαχωριστές δέσμης κυματοδηγού κλπ.Αυτή η ολοκληρωμένη σχεδίαση επιτρέπει την αποδοτική δημιουργία και την υψηλής ταχύτητας χειρισμό των οπτικών κβαντικών καταστάσεων στο τσιπ, βελτιώνοντας τη λειτουργικότητα και την ισχύ των κβαντικών τσιπ, παρέχοντας πιο αποδοτικές λύσεις για την επεξεργασία και τη μετάδοση κβαντικών πληροφοριών.Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ συνένωσαν διαμάντι και νιοβάτη λιθίου σε ένα μόνο τσιπ, όπου η μοριακή δομή του διαμαντιού είναι εύκολο να χειριστεί και μπορεί να φιλοξενήσει σταθερά κβαντικά bits, ενώ το νιοβατικό λίθιο μπορεί να αλλάξει τη συχνότητα του φωτός που περνά μέσα από αυτό,που επιτρέπουν οπτική διαμόρφωσηΑυτός ο συνδυασμός υλικών προσφέρει νέες ιδέες για τη βελτίωση της απόδοσης και την επέκταση της λειτουργικότητας των κβαντικών τσιπ.Η δημιουργία και χειρισμός συμπιεσμένων οπτικών κβαντικών καταστάσεων είναι το βασικό θεμέλιο των κβαντικών τεχνολογιώνΜια ερευνητική ομάδα στο Caltech ανέπτυξε με επιτυχία μια ολοκληρωμένη πλατφόρμα νανοφωτονικής βασισμένη στο νιοβάτη του λιθίου,που επιτρέπουν την παραγωγή και τη μέτρηση συμπιεσμένων καταστάσεων στο ίδιο οπτικό τσιπ. 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、Αναπτυξιακές τάσεις και προκλήσεις: Με την ανάπτυξη της τεχνητής νοημοσύνης και των μεγάλων μοντέλων

Τα σημεία ανάπτυξης για το μέλλον του νιοβατικού λιθίου θα επικεντρωθούν κυρίως στον τομέα των υψηλής τεχνολογίας οπτικών τσιπ (πίνακας 5),ειδικά περιλαμβανομένων των ανακαλύψεων στις βασικές τεχνολογίες οπτικών τσιπ, όπως οι οπτικοί διαμορφωτές υψηλής ταχύτητας, λέιζερ και ανιχνευτές, προωθώντας την εφαρμογή του νιοβατικού λιθίου λεπτής ταινίας σε οπτικά τσιπ για τη βελτίωση των επιδόσεων των συσκευών,ενίσχυση της έρευνας και της ανάπτυξης τεχνολογιών κατασκευής λεπτών ταινιών νιοβατικού λιθίου για την επίτευξη μεγάλης παραγωγής ταινιών υψηλής ποιότητας· και προώθηση της ενσωμάτωσης του νιοβατικού λιθίου λεπτής ταινίας με οπτοηλεκτρονικές συσκευές με βάση το πυρίτιο για τη μείωση του κόστους.

Συγγενείς συστάσεις προϊόντων

2 ιντσών 3 ιντσών 4 ιντσών LNOI LiNbO3 Wafer Lithium Niobate Thin Films στρώμα σε υπόστρωμα πυριτίου