کریستال های نیوبات لیتیوم، فیلم های نازک تک کریستالی و توسعه آینده آنها در صنعت تراشه های فوتونیک

کریستال های نیوبات لیتیوم، فیلم های نازک تک کریستالی و توسعه آینده آنها در صنعت تراشه های فوتونیک

با توسعه سریع برنامه های کاربردی مانند تکنولوژی ارتباطات 5G/6G، داده های بزرگ و هوش مصنوعی، تقاضا برای تراشه های فوتونی نسل بعدی در حال افزایش استکریستال های نیوبات لیتیوم، با ویژگی های عالی الکترو- نوری، نوری غیر خطی و پیزو الکتریکی خود، تبدیل به مواد اصلی تراشه های فوتونی شده اند و به عنوان "سیلیکون نوری" عصر فوتونی شناخته می شوند.در سال های اخیر، پیشرفت هایی در زمینه تهیه فیلم های نازک تک کریستالی نیوبات لیتیوم و فن آوری های پردازش دستگاه انجام شده است که مزایای مانند اندازه کوچکتر را نشان می دهد.یکپارچگی بالاتراین ویژگی ها چشم انداز های کاربردی گسترده ای را در زمینه هایی مانند ماژول کننده های الکتروپتیک با سرعت بالا فراهم می کنند.اپتیک های یکپارچهو اپتیک کوانتومی.

این مقاله پیشرفت تحقیقات و توسعه داخلی و بین المللی کریستال های لیتیوم نیوبات درجه نوری، فناوری های آماده سازی فیلم نازک تک کریستال را معرفی می کند.و سیاست های مربوطه، و همچنین آخرین کاربردهای آنها در تراشه های فوتونیک، سیستم عامل های نوری یکپارچه و دستگاه های نوری کوانتومی.لیتیوم نیوبات کریستادر حال حاضر، این پروژه به عنوان یک پروژه توسعه ای در زمینه تولید و توسعه محصولات و خدمات در زمینه تولید و توسعه محصولات و خدمات در زمینه تولید و توسعه محصولات و خدمات در زمینه تولید و فروش محصولات و خدمات در زمینه تولید و فروش محصولات و خدمات در زمینه تولید و فروش محصولات و خدمات در زمینه تولید و فروش محصولات و خدمات در زمینه تولید و فروش محصولات و خدمات در زمینه تولید و فروش محصولات و خدمات در زمینه تولید و فروش محصولات و خدمات در زمینه تولید و فروش محصولات و خدمات در زمینه تولید و فروش محصولات و خدمات در زمینه تولید و فروش محصولات و خدمات در زمینه تولید و فروش محصولات و خدمات در زمینه تولید و فروش محصولات و خدمات در زمینه تولید و فروش محصولات و خدمات در زمینه تولید و خدمات در زمینه تولید و فروش محصولات و خدمات در زمینه تولید و فروش محصولات و خدمات در زمینه تولید و فروش محصولات و خدمات در زمینه تولید و فروش محصولات و خدمات در زمینه تولید و خدمات در زمینه تولید و فروش محصولات و خدمات در زمینه تولید و خدمات در زمینه تولید و فروش محصولات و خدمات در زمینه تولید و خدمات در زمینه تولید و خدمات در زمینه خدمات و خدمات در زمینه خدمات و خدمات در زمینه خدمات و خدمات در زمینه تولید و خدمات در زمینه تولید و خدمات در زمینه خدمات در زمینه خدمات و خدمات در زمینه خدمات و خدمات در زمینه خدمات درچین در زمینه فیلم های نازک یک کریستال لیتیوم نیوبات و دستگاه های اپتو الکترونیک مبتنی بر لیتیوم نیوبات با سطح پیشرفته بین المللی برابر است، اما هنوز شکاف قابل توجهی در صنعت سازی مواد کریستالی لیتیوم نیوبات با کیفیت بالا وجود دارد.انتظار می رود که چین یک خوشه صنعتی لیتیوم نیوبات کامل تشکیل دهد.، از آماده سازی مواد تا طراحی دستگاه، تولید و استفاده.

فیلم های نازک لیتیوم نیوبات تبدیل به یک ماده مهم برای نسل بعدی زیربناهای تراشه پردازش اطلاعات فوتونیک چند منظوره شده اند.پیش بینی ظرفیت بازار برای ماژولاتورهای نوری مبتنی بر مواد کریستالی لیتیوم نیوبات 36 دلار است.7 میلیارد تا سال 2026 در مقایسه با مدولاتورهای فوتونی سیلیکون و مدولاتورهای فوسفید ایندیوم، مدولاتورهای نیوبات لیتیوم فیلم نازک مزایای زیادی مانند پهنای باند بالا، از دست دادن ورودی کم،مصرف برق کم، قابلیت اطمینان بالا و نسبت انقراض بالا. آنها همچنین امکان مینیاتوریزاسیون را فراهم می کنند و تقاضای رو به رشد برای ماژول های نوری منسجم کوچکتر و ماژول های نوری برای ارتباطات داده را برآورده می کنند.چين به کنترل مستقل مواد بلوري دست پيدا کردهدر حال حاضر چندین تولید کننده داخلی راه حل های ماژول نوابات لیتیوم 800 Gbps را منتشر کرده اند.با مشتریان پایین خط که قبلاً محصولات مربوطه را آزمایش کرده اندمزایای کاربردهای ماژول نوری 1.6T در آینده برجسته تر خواهد شد.

1.پیشرفت تحقیقات در مورد کریستال های نیوبات لیتیوم و فیلم های نازک تک کریستالی

خواص فیزیکی و شیمیایی کریستال های تک لیتیوم نیوبات تا حد زیادی به نسبت [Li] / [Nb] و ناخالصی ها بستگی دارد.کریستال های لیتیوم نیوبات (CLN)، که دارای ترکیب یکسان هستند، کمبود لیتیوم دارند، حاوی تعداد زیادی از خال های لیتیوم (VLi) و نقص های نقطه ضد سایت نیوبیوم (Nb) هستند. کریستال های نیوبات لیتیوم استویکیومتریک (SLN)با نسبت [Li]/[Nb] نزدیک به 1:1کریستال های تک لیتیوم نیوبات به مواد صوتی و نوری طبقه بندی می شوند.موسسات مربوط به رشد کریستال لیتیوم نیوبات در جدول 1 نشان داده شده است.در حال حاضر شرکت های ژاپنی در رشد نیوبات لیتیوم درجه نوری نقش دارند.نرخ تولید داخلی بلوک های لیتیوم نیوبات درجه نوری کمتر از 5٪ است، که باعث می شود به شدت به واردات وابسته باشد.

شرکت ژاپنی یاماموتو سرامیکس با موفقیت کریستال های لیتیوم نیوبات 8 اینچی و وفرها را صنعتی کرده است (شکل 1 ((a)).(تیانتونگ) و چین الکترونیک تکنولوژی Deqing Huaying الکترونیک شرکت.، Ltd (Deqing Huaying) هر دو کریستال های لیتیوم نیوبات 8 اینچی و وافرها را به ترتیب در سال 2000 و 2019 تولید کردند، اما هنوز به تولید انبوه صنعتی دست نیافته اند.از نظر استیکیومتریک و نوری لیتیوم نیوبات، فاصله تکنولوژیکی حدود 20 سال بین شرکت های تولید کریستال لیتیوم نیوبات داخلی و شرکت های ژاپنی وجود دارد.در چین نیاز فوری به پیشرفت در تئوری رشد و تکنولوژی فرآیند کریستال های لیتیوم نیوبات با کیفیت بالا وجود دارد.

پیشرفت های بین المللی در ساختارهای فوتونی لیتیوم نیوبات، تراشه های فوتونیک و دستگاه ها عمدتاً به توسعه و صنعتی شدن مواد لایه نازک لیتیوم نیوبات نسبت داده می شود.با این حال، به دلیل شکنندگی کریستال های تک لیتیوم نیوبات، آماده سازی فیلم های نازک با نقص کم و کیفیت بالا با ضخامت در محدوده نانومتری (100-2000 نانومتر) بسیار چالش برانگیز است.فناوری های کاشت یون و اتصال مستقیم اجازه می دهد تا کریستال های تک گان به فیلم های نازک یک کریستال نیوبات لیتیوم ضخیم نانومتر جدا شونددر حال حاضر، تنها چند شرکت در سراسر جهان، از جمله جینان جینگ ژنگ، سوئیتیک SA فرانسه و شرکت کیوسرا ژاپن،تکنولوژی تولید فیلم های نازک تک کریستالی لیتیوم نیوبات را تسلط داشته باشند.جينان جينگ ژنگ، با استفاده از قطعات پرتوي يون و تکنولوژي هاي اصلي اتصال مستقيم، اولين کسي بود که اين فرآیندها را صنعتي کرد.ایجاد یک برند پیشرو جهانی از فیلم های نازک لیتیوم نیوبات (NanoLN)، که بیش از 90٪ از تحقیقات اساسی جهانی و تحقیق و توسعه در دستگاه های فیلم نازک لیتیوم نیوبات را پشتیبانی می کند. در سال 2023 ، جینان جینگ ژینگ فیلم نازک لیتیوم نیوبات 8 اینچی را در درجه نوری معرفی کرد (شکل 1 ((ب)) ،تبدیل شدن به اولین شرکت در صنعت برای تولید فیلم نازک لیتیوم نیوبات از کریستال های لیتیوم نیوبات 8 اینچی در محور Xشاخص های کلیدی سری محصولات جینان جینگ ژنگ، از جمله عملکرد فیزیکی، یکسانی ضخامت، سرکوب نقص و از بین بردن، در پیشروی استانداردهای بین المللی قرار دارند.

2.کاربردهای پیشرفته لیتیوم نیوبات

در مقایسه با مواد تک کریستالی سنتی لیتیوم نیوبات، لیتیوم نیوبات فیلم نازک دارای اندازه کوچکتر، هزینه کمتر، یکپارچگی بالاتر،و توانایی کار با ثبات در طیف گسترده ای از دمای و شرایط میدان الکتریکیاین مزایای آن را در زمینه هایی مانند ارتباطات 5G، محاسبات کوانتومی، ارتباطات فیبر نوری و سنسورها بسیار قابل استفاده می کند. این پتانسیل بزرگی را نشان می دهد.به خصوص در مدلولاسیون الکترو اپتیک، پردازش سیگنال نوری و انتقال داده های با سرعت بالا (جدول 1).

2.1 ماژولاتور الکترو آپتیک با سرعت بالا ماژولاتورهای لیتیوم نیوبات

با مزایای سرعت بالا، مصرف انرژی پایین و نسبت سیگنال به نویز بالا، به طور گسترده ای در شبکه های ارتباطات نوری بسیار سریع استفاده می شود.شبکه های ارتباطی نوری زیردریاییفناوری های کلیدی مانند فتو لیتوگرافی بزرگ، ساخت موج راهنمای بسیار کمو یکپارچگی ناهمگن باعث توسعه مدولاتورهای نیوبات لیتیوم فیلم نازک شده است.در مقایسه با مواد مانند فوسفید ایندیوم، فوتونیک سیلیکون و نیوبات لیتیوم سنتی،نیوبات لیتیوم لایه نازک ویژگی های برجسته ای مانند پهنای باند فوق العاده بالایی را ارائه می دهد، مصرف انرژی کم، از دست دادن کم، اندازه کوچک و توانایی دستیابی به تولید انبوه سطح وافر، آن را به یک ماده ایده آل برای مدولاتورهای الکترو اپتیک تبدیل می کند.بازار جهانی مدولاتورهای لیتیوم نیوبات فیلم نازک به طور پیوسته در حال رشد است، با اندازه بازار جهانی که انتظار می رود تا سال 2029 به 2 میلیارد دلار برسد، با نرخ رشد سالانه 41.0٪.

در سطح بین المللی، 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، در حالی که شرکت Fujitsu Optical Devices Ltd. اولین مدولاتور لیتیوم نیوبات دارای فیلم نازک 200 GBaud را در سال 2021 عرضه کرد. پیشرفت قابل توجهی نیز در چین حاصل شده است.

2.2 پلتفرم اپتیکال یکپارچه لیتیوم نیوبات

بر روی پلت فرم نوابات لیتیوم یکپارچه، کاربردهای مختلفی از چمن های فرکانس گرفته تا تبدیل کننده های فرکانس و مدولاتورها به دست آمده است.ادغام لیزرها در تراشه های لیتیوم نیوبات همچنان یک چالش مهم استدر سال 2022، یک تیم تحقیقاتی از دانشگاه هاروارد، در همکاری با HyperLight و Freedom Photonics،با موفقیت یک منبع پالس فمتو ثانیه ای در سطح تراشه و اولین لیزر قدرتمند کاملاً یکپارچه در جهان را بر روی تراشه لیتیوم نیوبات نشان داد (شکل 2))این لیزرهای تراشه ای لیتیوم نیوبات با لیزرهای پلاگ اند پلی با کارایی بالا ادغام شده اند که می تواند به طور قابل توجهی هزینه، پیچیدگی،و مصرف برق سیستم های ارتباطی آیندهآنها همچنین می توانند در سیستم های نوری بزرگتر ادغام شوند و کاربردهای گسترده ای در زمینه هایی مانند سنجش، ساعت های اتمی، لیدار، اطلاعات کوانتومی و ارتباطات داده دارند.توسعه بیشتر لیزرهای یکپارچه با عرض خط باریکدر سال 2023، محققان ETH زوریخ و IBM به دست آورد از دست دادن کم، پهنای خط باریک،نرخ ارتفاع ماژول، خروجی لیزری پایدار بر روی یک بستر نایتریید سیلیکون نیوبات لیتیوم متجانس با سرعت تکرار حدود 10 گیگاهرتز، پالس نوری 4.8 ps در 1,065 نانومترانرژی بیش از 2.6 pJ و قدرت اوج بیش از 0.5 W

محققان موسسه ملی استانداردها و فناوری (NIST) در ایالات متحده،بر اساس معرفی چند بخش نانوفوتونیک یکپارچه فیلم نازک لتیم نیوبات موج راهنمای، موفق به تولید یک طیف فراوانی مداوم از ماوراء بنفش تا طیف قابل مشاهده با ترکیب پراکندگی مهندسی شده و تطبیق شبه فاز جیغ زده. 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، با سرعت 1000 برابر سریعتر از پردازنده های الکترونیکی سنتی، با پهنای باند پردازش فوق العاده گسترده 67 گیگاهرتز و دقت محاسباتی عالی.همکاری بین دانشگاه نانکای و دانشگاه شهر هنگ کنگ منجر به توسعه موفق اولین رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار رادار، بر اساس یک پلتفرم لیتیوم نیوبات 4 اینچی با فیلم نازک، که پیشرفت های چشمگیری در فاصله و وضوح تشخیص سرعت در سطح سانتی متر را به دست آورده است،همچنین تصویربرداری دو بعدی از رادار دیافراگم مصنوعی معکوس (ISAR) (شکل 2 ((ب))رادارهای سنتی امواج میلی متری معمولاً به چندین قطعه جداگانه نیاز دارند تا با هم کار کنند، اما از طریق تکنولوژی ادغام روی تراشه،تمام توابع اصلی رادار در یک رادار 15 میلی متری × 1 یکپارچه هستند.تراشه.5 میلی متر × 0.5 میلی متر، که به طور قابل توجهی پیچیدگی سیستم را کاهش می دهد. این فناوری در زمینه هایی مانند رادار های خودرو در عصر 6G، رادار های هواپیمایی و سیستم های خانه هوشمند استفاده می شود.

2.3 کاربردهای نوری کوانتومی دستگاه های عملکردی مختلفی را در نیوبات لیتیوم دارای فیلم نازک یکپارچه کرده اند

مانند منابع نوری پیچیده، ماژولاتورهای الکترو اپتیک، تقسیم کننده های پرتو موج، و غیره.این طراحی یکپارچه امکان تولید کارآمد و دستکاری با سرعت بالا از حالت های کوانتومی نوری روی تراشه را فراهم می کند، عملکرد و قدرت تراشه های کوانتومی را افزایش می دهد و راه حل های کارآمدتری برای پردازش و انتقال اطلاعات کوانتومی فراهم می کند.محققان دانشگاه استنفورد الماس و لیتیوم نیوبات را در یک تراشه ترکیب کردند، که ساختار مولکولی الماس برای دستکاری آسان است و می تواند بیت های کوانتومی ثابت را جای دهد، در حالی که نیوبات لیتیوم می تواند فرکانس نور عبور از آن را تغییر دهد،که امکان تعدیل نوری را دارداین ترکیب مواد ایده های جدیدی را برای بهبود عملکرد و گسترش عملکرد تراشه های کوانتومی ارائه می دهد.تولید و دستکاری حالت کوانتومی فشرده نوری پایه اصلی فناوری های کوانتومی است، اما سیستم های آماده سازی آنها به طور معمول به اجزای نوری بزرگ اضافی نیاز دارند. یک تیم تحقیقاتی در Caltech با موفقیت یک پلت فرم نانوفوتونیک یکپارچه مبتنی بر لیتیوم نیوبات،امکان تولید و اندازه گیری حالت فشرده بر روی همان تراشه نوری. 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、روندهای توسعه و چالش ها: با توسعه هوش مصنوعی و مدل های بزرگ

نقاط رشد برای آینده لیتیوم نیوبات عمدتا در زمینه تراشه های نوری پیشرفته متمرکز خواهد شد (جدول 5) ،به طور خاص شامل پیشرفت در فناوری های تراشه های نوری اصلی مانند ماژولاتورهای نوری با سرعت بالا، لیزرها و آشکارسازان؛ ترویج استفاده از نیوبات لیتیوم فیلم نازک در تراشه های نوری برای افزایش عملکرد دستگاه؛تقویت تحقیق و توسعه فن آوری های تولید فیلم نازک لیتیوم نیوبات برای دستیابی به تولید انبوه فیلم با کیفیت بالاو ترویج ادغام نیوبات لیتیوم فیلم نازک با دستگاه های اپتو الکترونیک مبتنی بر سیلیکون برای کاهش هزینه ها.

توصیه محصولات مرتبط

2 اینچ 3 اینچ 4 اینچ LNOI LiNbO3 Wafer لیتیوم نیوبات لایه فیلم نازک بر روی زیربنای سیلیکون