Cristalli di niobato di litio, film sottili a singolo cristallo e loro sviluppo futuro nell'industria dei chip fotonici.

Cristalli di niobato di litio, film sottili a singolo cristallo e loro sviluppo futuro nell'industria dei chip fotonici.

Con il rapido sviluppo di applicazioni come la tecnologia di comunicazione 5G/6G, i big data e l'intelligenza artificiale, la domanda di chip fotonici di nuova generazione è in crescita. cristalli di niobato di litio, con le loro eccellenti proprietà elettro-ottiche, ottiche non lineari e piezoelettriche, sono diventati il materiale principale per i chip fotonici e sono noti come il "silicio ottico" dell'era fotonica.Negli ultimi anni, sono state realizzate scoperte nella preparazione di film sottili monocristallini di niobato di litio e nelle tecnologie di elaborazione dei dispositivi, che dimostrano vantaggi quali dimensioni ridotte,maggiore integrazione, effetti elettro-ottici ultraveloci, ampia larghezza di banda e basso consumo di energia.ottica integrata, e l'ottica quantistica.

Questo articolo presenta i progressi di ricerca e sviluppo nazionali e internazionali di cristalli di niobato di litio di grado ottico, tecnologie di preparazione di film sottile a cristallo singolo,e politiche pertinenti, nonché le loro ultime applicazioni nei chip fotonici, nelle piattaforme ottiche integrate e nei dispositivi ottici quantistici.Crysta di niobato di litioL'industria dei dispositivi a pellicola sottile fornisce suggerimenti per lo sviluppo futuro.La Cina è al pari del livello avanzato internazionale nei settori dei film sottili monocristallini al niobato di litio e dei dispositivi optoelettronici a base di niobato di litio, ma c'è ancora una significativa lacuna nell'industrializzazione di materiali cristallini di niobato di litio di alta qualità.La Cina dovrebbe costituire un cluster industriale completo di niobato di litio, dalla preparazione del materiale alla progettazione, alla produzione e all'applicazione del dispositivo.

Le pellicole sottili di niobato di litio sono diventate un importante materiale candidato per la prossima generazione di substrati di chip di elaborazione fotonica integrata multifunzionale.Si prevede che la capacità di mercato dei modulatori ottici basati su materiali cristallini al niobato di litio raggiungerà i 36 milioni di dollari.7 miliardi entro il 2026. Rispetto ai modulatori fotonici al silicio e ai modulatori al fosfuro di indio, i modulatori al niobato di litio a film sottile offrono vantaggi quali l'elevata larghezza di banda, la bassa perdita di inserimento,basso consumo energeticoInoltre, consentono la miniaturizzazione, soddisfacendo la crescente domanda di moduli ottici coerenti più piccoli e di moduli ottici per la comunicazione dei dati.La Cina ha ottenuto il controllo indipendente sui materiali cristalliniAttualmente, diversi produttori nazionali hanno rilasciato soluzioni di moduli ottici a niobato di litio a film sottile da 800 Gbps,con clienti a valle che testano già i prodotti corrispondentiI vantaggi delle applicazioni dei moduli ottici 1.6 T diventeranno sempre più evidenti in futuro.

1.Progressi della ricerca sui cristalli di niobato di litio e sui film sottili monocristallini

Le proprietà fisiche e chimiche dei singoli cristalli di niobato di litio dipendono in gran parte dal rapporto [Li]/[Nb] e dalle impurità.cristalli di niobato di litio (CLN), che hanno la stessa composizione, sono carenti di litio, contengono un gran numero di vuoti di litio (VLi) e difetti di punto di niobio (Nb) anti-site.con un rapporto [Li]/[Nb] vicino a 1:1I singoli cristalli di niobato di litio sono classificati in materiali di grado acustico e ottico.Le istituzioni interessate impegnate nella crescita dei cristalli di niobato di litio sono riportate nella tabella 1., con le imprese giapponesi che contribuiscono principalmente alla crescita del niobato di litio di grado ottico.il tasso di produzione nazionale di wafer al niobato di litio di qualità ottica è inferiore al 5%, rendendola fortemente dipendente dalle importazioni.

La società giapponese Yamamoto Ceramics ha industrializzato con successo cristalli e wafer di niobato di litio da 8 pollici (Figura 1 ((a)).(Tiantong) e China Electronics Technology Deqing Huaying Electronics Co.., Ltd. (Deqing Huaying) hanno entrambi prodotto cristalli e wafer di niobato di litio da 8 pollici rispettivamente nel 2000 e nel 2019, ma non hanno ancora realizzato una produzione di massa industriale.In termini di niobato di litio di grado stochiometrico e ottico, rimane un divario tecnologico di circa 20 anni tra le aziende nazionali di crescita dei cristalli di niobato di litio e le aziende giapponesi.c'è un urgente bisogno in Cina di fare scoperte nella teoria della crescita e nella tecnologia di processo di cristalli di niobato di litio di alta qualità di grado ottico.

Le scoperte internazionali nelle strutture fotoniche del niobato di litio, nei chip fotonici e nei dispositivi sono in gran parte attribuite allo sviluppo e all'industrializzazione dei materiali a pellicola sottile del niobato di litio.Tuttavia, a causa della fragilità dei singoli cristalli di niobato di litio, è molto difficile preparare pellicole sottili di bassa qualità e di bassa qualità con spessori nell'intervallo nanometrico (100-2000 nm).Le tecnologie di impianto ionico e di legame diretto consentono la separazione di singoli cristalli sfusi in film sottili di niobato di litio di spessore nanometricoAttualmente, solo poche aziende a livello mondiale, tra cui Jinan Jingzheng, Soitec SA della Francia e Kyocera Corporation del Giappone, sono in gradoaver padroneggiato la tecnologia di produzione di film sottili monocristallini al niobato di litioJinan Jingzheng, utilizzando le tecnologie di taglio dei fasci di ioni e di legame diretto, è stato il primo ad industrializzare questi processi.creazione di un marchio leader a livello mondiale di pellicole sottili di niobato di litio (NanoLN), che sostiene oltre il 90% della ricerca di base e della R&S a livello mondiale sui dispositivi a film sottile al niobato di litio.diventando la prima azienda del settore a produrre pellicole sottili di niobato di litio da cristalli di niobato di litio a 8 polliciGli indicatori chiave della serie di prodotti Jinan Jingzheng, comprese le prestazioni fisiche, l'uniformità dello spessore, la soppressione dei difetti e l'eliminazione, sono in prima linea rispetto agli standard internazionali.

2.Applicazioni avanzate del niobato di litio

Rispetto ai tradizionali materiali monocristallini al niobato di litio, il niobato di litio a film sottile offre dimensioni più piccole, costi inferiori, maggiore integrazione,e la capacità di funzionare in modo stabile in una gamma più ampia di condizioni di temperatura e di campo elettricoQuesti vantaggi lo rendono altamente applicabile in settori quali la comunicazione 5G, il calcolo quantistico, la comunicazione in fibra ottica e i sensori.specialmente nella modulazione elettro-ottica, l'elaborazione del segnale ottico e la trasmissione di dati ad alta velocità (tabella 1).

2.1 Modulatori elettro-ottici ad alta velocità Modulatori al niobato di litio

con i loro vantaggi di alta velocità, basso consumo di energia e elevato rapporto segnale/rumore, sono ampiamente utilizzati nelle reti di comunicazione ottica backbone ad altissima velocità,reti di comunicazione ottica sottomarinaLe tecnologie chiave, quali la fotolitografia di grandi dimensioni, la fabbricazione di guide d'onda a perdite ultrabasse,e l'integrazione eterogenea hanno spinto lo sviluppo di modulatori a film sottile al niobato di litio, consentendo loro di supportare applicazioni di moduli ottici ad alta velocità da 800 Gbps e 1,6 T. Rispetto a materiali come il fosfuro di indio, la fotonica del silicio e il tradizionale niobato di litio, i materiali di alta velocità non sono più compatibili con i sistemi di telecomunicazione.il niobato di litio a film sottile offre caratteristiche eccezionali come la banda ultra elevata, basso consumo di energia, basse perdite, piccole dimensioni e la capacità di ottenere una produzione di massa a livello di wafer, che lo rende un materiale ideale per i modulatori elettro-ottici.Il mercato mondiale dei modulatori a niobato di litio a film sottile è in costante crescita, con una dimensione del mercato globale che dovrebbe raggiungere i 2 miliardi di dollari entro il 2029, con un tasso di crescita annuale composto del 41,0%.

A livello internazionale, 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, mentre Fujitsu Optical Devices Ltd. ha lanciato il primo modulatore di niobato di litio a film sottile 200 GBaud commerciale al mondo nel 2021.

2.2 Piattaforma ottica integrata al niobato di litio

Sulla piattaforma ottica integrata al niobato di litio sono state realizzate applicazioni che vanno dai pettini di frequenza ai convertitori e modulatori di frequenza.L'integrazione dei laser sui chip al niobato di litio rimane una sfida significativaNel 2022, un team di ricerca dell'Università di Harvard, in collaborazione con HyperLight e Freedom Photonics,ha dimostrato con successo una sorgente di impulsi femtosecondi a livello di chip e il primo laser ad alta potenza completamente integrato al mondo su un chip al niobato di litio (figura 2 ((a))Questi laser a chip al niobato di litio sono integrati con laser plug-and-play ad alte prestazioni, che possono ridurre significativamente i costi, la complessità, la velocità e la velocità.e consumo energetico dei futuri sistemi di comunicazionePossono anche essere integrati in sistemi ottici più grandi e hanno ampie applicazioni in settori quali sensori, orologi atomici, lidar, informazioni quantistiche e telecomunicazioni dati.Ulteriore sviluppo di laser integrati con larghezza di linea strettaNel 2023, i ricercatori dell'ETH di Zurigo e dell'IBM hanno raggiunto una capacità di bassa perdita, larghezza di linea ristretta,tasso di modulazione elevato, uscita laser stabile su una piattaforma ottica integrata eterogenea di niobato di litio e nitruro di silicio, con una frequenza di ripetizione di circa 10 GHz, un impulso ottico di 4,8 ps a 1.065 nm,energia superiore a 20,6 pJ e potenza di picco superiore a 0,5 W.

Ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) negli Stati Uniti,basato sull'introduzione di guide d'onda integrate nanophotoniche a film sottile a niobato di litio, ha generato con successo uno spettro continuo di frequenza che spazia dallo spettro ultravioletto allo spettro visibile combinando la dispersione ingegneristica e la corrispondenza quasi-fase cinguettante. 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, raggiungendo velocità 1000 volte superiori a quelle dei processori elettronici tradizionali, con una larghezza di banda di elaborazione ultra larga di 67 GHz e un'eccellente precisione computazionale.una collaborazione tra l'Università di Nankai e la City University di Hong Kong ha portato allo sviluppo con successo del primo radar fotonico a onde millimetriche integrato a film sottile al mondo, basato su una piattaforma di niobato di litio a pellicola sottile da 4 pollici, che ha raggiunto progressi rivoluzionari nella risoluzione di rilevamento della distanza e della velocità a livello di centimetro,nonché immagini bidimensionali con radar ad apertura sintetica inversa (ISAR) (figura 2 ((b))I tradizionali radar a onde millimetriche richiedono in genere più componenti discreti per funzionare insieme, ma attraverso la tecnologia di integrazione on-chip,tutte le funzioni di base del radar sono integrate in un unico 15 mm × 1Questa tecnologia sarà applicata in settori quali i radar per veicoli dell'era 6G, i radar aerei e i sistemi domestici intelligenti.

2.3 Le applicazioni ottiche quantistiche hanno integrato vari dispositivi funzionali sul niobato di litio a film sottile

come fonti luminose intricate, modulatori elettro-ottici, divisori di fasci d'onda, ecc.Questa progettazione integrata consente la generazione efficiente e la manipolazione ad alta velocità di stati quantistici ottici su chip, migliorando la funzionalità e la potenza dei chip quantistici, fornendo soluzioni più efficienti per l'elaborazione e la trasmissione delle informazioni quantistiche.I ricercatori dell'Università di Stanford hanno combinato il niobato di litio e il diamante in un unico chip, dove la struttura molecolare del diamante è facile da manipolare e può ospitare bit quantici fissi, mentre il niobato di litio può cambiare la frequenza della luce che lo attraversa,con una capacità di accensione superiore a 50 W,Questa combinazione di materiali offre nuove idee per migliorare le prestazioni ed espandere le funzionalità dei chip quantistici.La generazione e la manipolazione di stati quantistici ottici compressi è la base fondamentale delle tecnologie quantistiche avanzateUn gruppo di ricerca del Caltech ha sviluppato con successo una piattaforma integrata di nanofotonica basata sul niobato di litio.con una capacità di accensione superiore a 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.

3、Tendenze e sfide di sviluppo: con lo sviluppo dell'intelligenza artificiale e dei grandi modelli

I punti di crescita per il futuro del niobato di litio si concentreranno principalmente sul campo dei chip ottici di fascia alta (tabella 5),specificamente comprese le innovazioni nelle tecnologie di base dei chip ottici quali i modulatori ottici ad alta velocità, laser e rilevatori; promuovere l'applicazione di niobato di litio a film sottile nei chip ottici per migliorare le prestazioni dei dispositivi;rafforzamento della ricerca e dello sviluppo di tecnologie di fabbricazione di pellicole sottili al niobato di litio al fine di realizzare una produzione su larga scala di pellicole di alta qualità■ promuovere l'integrazione del niobato di litio a film sottile con dispositivi optoelettronici a base di silicio per ridurre i costi.

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