Lithiumniobat-Kristalle, einkristalline dünne Filme und ihre zukünftige Entwicklung in der Photonischen Chipindustrie.

Lithiumniobat-Kristalle, einkristalline dünne Filme und ihre zukünftige Entwicklung in der Photonischen Chipindustrie.

Mit der rasanten Entwicklung von Anwendungen wie 5G/6G-Kommunikationstechnologie, Big Data und künstlicher Intelligenz wächst die Nachfrage nach photonischen Chips der nächsten Generation. Lithiumniobatkristalle, mit ihren hervorragenden elektrooptischen, nichtlinearen optischen und piezoelektrischen Eigenschaften, sind zum Kernmaterial für photonische Chips geworden und werden als "optisches Silizium" der photonischen Ära bezeichnet.In den letzten Jahren, wurden Durchbrüche bei der Herstellung von Lithiumniobat-Einkristall-Dünnfolien und Geräteverarbeitungstechnologien erzielt, die Vorteile wie geringere Größe,höhere IntegrationDiese Eigenschaften bieten breite Anwendungsmöglichkeiten in Bereichen wie Hochgeschwindigkeits-elektroptischen Modulatoren,integrierte Optik, und Quantenoptik.

Dieser Artikel stellt die nationalen und internationalen Forschungs- und Entwicklungsfortschritte von optischen Lithiumniobatkristallen, Technologien zur Herstellung von Dünnschichten aus Einkristall,und einschlägige Politiken, sowie ihre neuesten Anwendungen in Photonischen Chips, integrierten optischen Plattformen und Quantenoptikgeräten.LithiumniobatcrystaDie Industriekette für Dünnschichtgeräte bietet Vorschläge für die künftige Entwicklung.China ist mit dem internationalen fortgeschrittenen Niveau auf dem Gebiet von Lithiumniobat-Einkristall-Dünnfolien und optoelektronischen Geräten auf Lithiumniobat-Basis auf einem NiveauIn den letzten Jahren hat sich die Entwicklung von Lithium-Niobat-Kristallmaterialien in der Industrie erheblich verschlechtert.China soll einen vollständigen Lithiumniobat-Industriecluster bilden, von der Materialvorbereitung bis hin zur Entwicklung, Herstellung und Anwendung von Geräten.

Lithiumniobat dünne Filme sind zu einem wichtigen Kandidatenmaterial für die nächste Generation von multifunktionalen integrierten photonischen Informationsverarbeitungs-Chipsubstraten geworden.Die prognostizierte Marktkapazität für optische Modulatoren auf Basis von Lithiumniobat-Kristallmaterialien wird auf 36Im Vergleich zu Siliziumphotonikmodulatoren und Indiumphosphidmodulatoren bieten Dünnschicht-Lithiumniobatmodulatoren Vorteile wie hohe Bandbreite, geringe Einsatzverluste,geringer StromverbrauchSie ermöglichen auch die Miniaturisierung und decken damit die wachsende Nachfrage nach kleineren kohärenten optischen Modulen und optischen Modulen für die Datenkommunikation.China hat eine unabhängige Kontrolle über Kristallmaterialien erreicht.Derzeit haben mehrere inländische Hersteller 800 Gbps-Lithium-Niobat-Optikmodullösungen mit dünnen Folien veröffentlicht.mit nachgelagerten Kunden, die die entsprechenden Produkte bereits testenDie Vorteile von 1.6 T-Optikmodul-Anwendungen werden in Zukunft immer deutlicher werden.

1.Fortschritte in der Forschung über Lithiumniobatkristalle und Einkristalldünne Folien

Die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Lithiumniobat Einzelkristallen hängen weitgehend vom Verhältnis [Li]/[Nb] und den Verunreinigungen ab.Lithiumniobat (CLN) -Kristalle, die die gleiche Zusammensetzung haben, Lithium-defizient sind, eine große Anzahl von Lithium-Vakanzen (VLi) und Anti-Site-Niobium-Punkte-Mängel (Nb) enthalten.mit einem [Li]/[Nb]-Verhältnis nahe 1:1Lithiumniobat-Einzelkristalle werden in akustische und optische Materialien eingeteilt.Die relevanten Institute, die sich mit dem Wachstum von Lithiumniobat-Kristallen befassen, sind in Tabelle 1 aufgeführt.In den letzten Jahren hat sich die Zahl der Lithium-Niobate-Produkte in der Gemeinschaft um mehr als 50% erhöht.die inländische Produktion von Lithiumniobat-Wafern optischer Qualität liegt unter 5%, was sie stark von Importen abhängig macht.

Das japanische Unternehmen Yamamoto Ceramics hat erfolgreich 8-Zoll-Lithiumniobat-Kristalle und -Wafer industrialisiert (Abbildung 1a).(Tiantong) und China Electronics Technology Deqing Huaying Electronics Co.., Ltd. (Deqing Huaying) haben im Jahr 2000 bzw. 2019 beide 8-Zoll-Lithiumniobat-Kristalle und -Wafer hergestellt, haben aber noch keine industrielle Massenproduktion erreicht.Lithiumniobat in stechiometrischer und optischer QualitätIn Japan gibt es jedoch noch eine technologische Lücke von etwa 20 Jahren zwischen den inländischen Lithiumniobat-Kristallförderunternehmen und den japanischen Unternehmen.Es besteht in China ein dringender Bedarf an Durchbrüchen in der Wachstumstheorie und Prozesstechnologie von hochwertigen optischen Lithiumniobat-Kristallen.

Internationale Durchbrüche in Lithiumniobat-Photonstrukturen, -Chips und -Geräten sind weitgehend der Entwicklung und Industrialisierung von Lithiumniobat-Dünnfilmmaterialien zu verdanken.AllerdingsAufgrund der Bruchbarkeit von Lithiumniobat-Einzelkristallen ist es sehr schwierig, defektearme, hochwertige dünne Folien mit einer Dicke im Nanometerbereich (100-2.000 nm) herzustellen.Ionimplantations- und Direktverbindungstechnologien ermöglichen die Trennung von großen Einzelkristallen in dünne Nanometerdicken Lithiumniobat-EinkristallfolienDerzeit sind weltweit nur wenige Unternehmen, darunter Jinan Jingzheng, Soitec SA aus Frankreich und Kyocera Corporation aus Japan, in der Lage, Lithium-Niobat-Fotonen zu integrieren.die Produktionstechnologie für Lithiumniobat-Einkristalldünnfolien beherrscht habenJinan Jingzheng war der Erste, der diese Prozesse industrialisierte.Schaffung einer weltweit führenden Marke für dünne Lithiumniobatfolien (NanoLN), die mehr als 90% der weltweiten Grundlagenforschung und F&E in Lithiumniobat-Dünnfolien unterstützt. Im Jahr 2023 führte Jinan Jingzheng 8-Zoll-Lithiumniobat-Dünnfolien optischer Qualität ein (Abbildung 1 ((b))),als erstes Unternehmen in der Industrie Lithiumniobat dünne Folien aus 8-Zoll-X-Achsen-Lithiumniobat-Kristallen zu produzierenDie wichtigsten Indikatoren der Produktreihe von Jinan Jingzheng, einschließlich der physikalischen Leistung, der Stärkeuniformität, der Fehlerunterdrückung und der Beseitigung, stehen an der Spitze der internationalen Standards.

2.Fortgeschrittene Anwendungen von Lithiumniobat

Im Vergleich zu traditionellen Lithiumniobat-Einkristallmaterialien bietet Dünnschicht-Lithiumniobat eine kleinere Größe, geringere Kosten, eine höhere Integration,und die Fähigkeit, stabil unter einem breiteren Temperaturbereich und elektrischen Feldbedingungen zu arbeitenDiese Vorteile machen es sehr anwendbar in Bereichen wie 5G-Kommunikation, Quantencomputing, Glasfaserkommunikation und Sensoren.besonders in der elektrooptischen Modulation, optische Signalverarbeitung und Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung (Tabelle 1).

2.1 Hochgeschwindigkeits-elektroptischer Modulator Lithiumniobat-Modulatoren

mit ihren Vorteilen von hoher Geschwindigkeit, geringem Stromverbrauch und einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis werden sie in ultra-hochgeschwindigen Backbone-optischen Kommunikationsnetzen weit verbreitet,Unterseeische optische KommunikationsnetzeSchlüsseltechnologien wie die Großformat-Photolithographie, die Ultralock-Loss-Wellenleitungsfertigungund heterogene Integration haben die Entwicklung von Dünnschicht-Lithiumniobat-Modulatoren vorangetriebenIm Vergleich zu Materialien wie Indiumphosphid, Siliziumphotonik und herkömmlichem Lithiumniobat ist die Kapazität der Lithium-Lithium-Lithium-Lithium-Lithium-Lithium-Lithium-Lithium-Lithium-Lithium-Lithium-Lithium-Lithium-Lithium-Lithium-Lithium-Lithium-Lithium-Lithium-Lithium-Lithium-Lithium-Lithium-LithiumDünnschicht-Lithiumniobat bietet herausragende Eigenschaften wie eine sehr hohe Bandbreite, geringer Stromverbrauch, geringer Verlust, geringe Größe und die Fähigkeit zur Massenproduktion auf Waferebene machen es zu einem idealen Material für elektrooptische Modulatoren.Der weltweite Markt für dünnschichtige Lithiumniobatmodulatoren wächst stetig, wobei die globale Marktgröße bis 2029 voraussichtlich 2 Mrd. USD erreichen wird, mit einer jährlichen Wachstumsrate von 41,0%.

Auf internationaler Ebene 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. brachte 2021 den weltweit ersten kommerziellen 200 GBaud-Dünnfilm-Lithium-Niobat-Modulator auf den Markt.

2.2 Integrierte optische Plattform aus Lithiumniobat

Auf der integrierten optischen Plattform mit Lithiumniobat wurden Anwendungen von Frequenzkämmen bis hin zu Frequenzumrechnern und -modulatoren erreicht.Die Integration von Lasern in Lithium-Niobat-Chips bleibt eine große HerausforderungIm Jahr 2022 hat ein Forscherteam der Harvard University in Zusammenarbeit mit HyperLight und Freedom PhotonicsErfolgreich demonstriert eine Pulsquelle für Femtosekunden auf Chip-Ebene und den weltweit ersten voll integrierten Hochleistungslaser auf einem Lithium-Niobat-Chip (Abbildung 2 ((a))Diese Lithium-Niobat-Chip-Laser sind mit leistungsstarken, plug-and-play-Lasern integriert, die die Kosten, Komplexität,und Stromverbrauch künftiger KommunikationssystemeSie können auch in größere optische Systeme integriert werden und haben breite Anwendungen in Bereichen wie Sensorik, Atomuhren, Lidar, Quanteninformation und Datentelekommunikation.Weiterentwicklung von integrierten Lasern mit schmalen LinienbreitenIm Jahr 2023 erreichten Forscher der ETH Zürich und IBM eine geringe Verlust- und Schmalleitungsbreite.hohe Modulationsrate, eine stabile Laserleistung auf einer heterogenen integrierten optischen Plattform aus Lithiumniobat-Siliciumnitrid mit einer Wiederholfrequenz von etwa 10 GHz, einem optischen Impuls von 4,8 ps bei 1,065 nm,Energie über 20,6 pJ und eine Spitzenleistung von mehr als 0,5 W.

Forscher des Nationalen Instituts für Normen und Technologie (NIST) in den Vereinigten Staaten,auf der Grundlage der Einführung von integrierten, mehrsegment-nanophotonischen Dünnschicht-Lithiumniobat-Wellenleitern, erfolgreich generiert ein kontinuierliches Frequenz-Kamm Spektrum von ultraviolett bis zum sichtbaren Spektrum durch die Kombination von Engineering-Dispersion und chirped Quasi-Phase-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, die Geschwindigkeiten 1000 mal schneller erreichen als herkömmliche elektronische Prozessoren, mit einer ultraweiten Verarbeitungsbandbreite von 67 GHz und einer hervorragenden Rechengenauigkeit.Eine Kooperation zwischen der Nankai University und der City University of Hong Kong führte zur erfolgreichen Entwicklung des weltweit ersten integrierten dünnfilmischen Lithium-Niobat-photonischen Millimeterwellenradars., basierend auf einer 4-Zoll-Dünnschicht-Lithium-Niobat-Plattform, die Durchbruch in der Entfernung und Geschwindigkeitserkennung auf Zentimeterebene erzielt hat,sowie zweidimensionale Bildgebung mit umgekehrtem synthetischem Blendenradar (ISAR) (Abbildung 2 (b))Traditionelle Millimeterwellen-Radars erfordern in der Regel mehrere diskrete Komponenten, um zusammenzuarbeiten, aber durch On-Chip-Integrationstechnologie,alle Kernfunktionen des Radars sind in einem einzigen 15 mm × 1 integrierten.5 mm × 0.5 mm Chip, was die Systemkomplexität erheblich reduziert. Diese Technologie wird in Bereichen wie Fahrzeugradaren der 6G-Ära, Flugradaren und Smart-Home-Systemen eingesetzt.

2.3 Quantum Optical Applications hat verschiedene funktionelle Geräte in dünnschichtiges Lithiumniobat integriert.

Die in Absatz 1 genannten Produkte sind nicht zu verwenden, sofern sie nicht in der Fassung der Verordnung (EG) Nr. 1272/2008 enthalten sind.Dieses integrierte Design ermöglicht eine effiziente Erzeugung und schnelle Manipulation von optischen Quantenzuständen auf dem Chip, die Funktionalität und Leistung von Quantenchips verbessern und effizientere Lösungen für die Quanteninformationsverarbeitung und -übertragung bieten.Forscher der Stanford-Universität kombinierten Diamant und Lithiumniobat auf einem einzigen Chip, wo die molekulare Struktur des Diamanten leicht zu manipulieren ist und feste Quantenbits aufnehmen kann, während Lithiumniobat die Frequenz des durch ihn hindurchgehenden Lichts ändern kann,mit einer Leistung von mehr als 50 W undDiese Materialkombination bietet neue Ideen zur Verbesserung der Leistung und Erweiterung der Funktionalität von Quantenchips.Die Erzeugung und Manipulation komprimierter optischer Quantenzustände ist die Kernbasis von quantumstechnischen Technologien.Ein Forschungsteam am Caltech hat erfolgreich eine integrierte Nanophotonikplattform auf der Grundlage von Lithiumniobat entwickelt,mit einer Leistung von mehr als 50 W und einer Leistung von mehr als 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.

3Entwicklungstrends und Herausforderungen: Mit der Entwicklung künstlicher Intelligenz und großer Modelle

Die Wachstumspunkte für die Zukunft des Lithiumniobates werden sich vor allem auf den Bereich der hochwertigen optischen Chips konzentrieren (Tabelle 5),insbesondere Durchbrüche in Kernoptikchiptechnologien wie Hochgeschwindigkeitsoptische Modulatoren, Laser und Detektoren; Förderung der Anwendung von Dünnschicht-Lithiumniobat in optischen Chips zur Verbesserung der Leistung der Geräte;Stärkung der Forschung und Entwicklung von Lithiumniobat-Dünnschichtfertigungstechnologien zur Großproduktion von hochwertigen Schichten■ und Förderung der Integration von Dünnschicht-Lithiumniobat mit optoelektronischen Geräten auf Siliziumbasis zur Kostensenkung.

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