Các tinh thể lithium niobate, phim mỏng đơn tinh thể và sự phát triển trong tương lai của chúng trong ngành công nghiệp chip quang học.

Các tinh thể lithium niobate, phim mỏng đơn tinh thể và sự phát triển trong tương lai của chúng trong ngành công nghiệp chip quang học.

Với sự phát triển nhanh chóng của các ứng dụng như công nghệ truyền thông 5G / 6G, dữ liệu lớn và trí tuệ nhân tạo, nhu cầu về chip photon thế hệ tiếp theo đang tăng lên. Các tinh thể niobate lithium, với tính chất quang điện, quang phi tuyến tính và quang phi điện tuyệt vời của chúng, đã trở thành vật liệu cốt lõi cho chip quang và được gọi là "silicon quang học" của kỷ nguyên quang.Trong những năm gần đây, những bước đột phá đã được thực hiện trong việc chuẩn bị các tấm mỏng tinh thể đơn lithium niobate và công nghệ xử lý thiết bị, cho thấy những lợi thế như kích thước nhỏ hơn,hội nhập cao hơn, hiệu ứng quang điện cực nhanh, băng thông rộng và tiêu thụ điện năng thấp.quang hợp, và quang học lượng tử.

Bài viết này giới thiệu tiến bộ nghiên cứu và phát triển trong nước và quốc tế về tinh thể lithium niobate cấp quang học, công nghệ chuẩn bị phim mỏng đơn tinh thể,và các chính sách có liên quan, cũng như các ứng dụng mới nhất của chúng trong chip quang, nền tảng quang học tích hợp và thiết bị quang học lượng tử.Lithium niobate crystaL-chuỗi công nghiệp thiết bị phim mỏng và cung cấp các đề xuất cho sự phát triển trong tương lai.Trung Quốc đang ở mức độ tiên tiến quốc tế trong lĩnh vực phim mỏng tinh thể đơn lithium niobate và các thiết bị quang điện tử dựa trên lithium niobate, nhưng vẫn còn một khoảng cách đáng kể trong công nghiệp hóa các vật liệu tinh thể lithium niobate chất lượng cao.Trung Quốc dự kiến sẽ thành lập một cụm công nghiệp lithium niobate hoàn chỉnh, từ việc chuẩn bị vật liệu đến thiết kế thiết bị, sản xuất và ứng dụng.

Lithium niobate phim mỏng đã trở thành một vật liệu ứng cử quan trọng cho thế hệ tiếp theo của đa chức năng tích hợp photon thông tin xử lý chip nền.Khả năng thị trường dự báo cho các bộ điều chế quang dựa trên các vật liệu tinh thể lithium niobate được dự đoán đạt 36 USD.7 tỷ vào năm 2026. So với các bộ điều chế quang tử silicon và các bộ điều chế phosphide indium, các bộ điều chế lithium niobate màng mỏng mang lại những lợi thế như băng thông cao, mất tích chèn thấp,tiêu thụ năng lượng thấp, độ tin cậy cao và tỷ lệ tuyệt chủng cao. Chúng cũng cho phép thu nhỏ, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về các mô-đun quang hợp nhỏ hơn và các mô-đun quang cho truyền thông dữ liệu.Trung Quốc đã đạt được sự kiểm soát độc lập đối với các vật liệu tinh thểHiện tại, một số nhà sản xuất trong nước đã phát hành các giải pháp mô-đun quang lithium niobate lớp mỏng 800 Gbps,với khách hàng hạ lưu đã thử nghiệm các sản phẩm tương ứngƯu điểm của các ứng dụng mô-đun quang 1.6 T sẽ trở nên nổi bật hơn trong tương lai.

1.Tiến bộ nghiên cứu về tinh thể niobate lithium và phim mỏng đơn tinh thể

Các tính chất vật lý và hóa học của các tinh thể đơn lithium niobate phụ thuộc phần lớn vào tỷ lệ [Li] / [Nb] và tạp chất.Các tinh thể Lithium Niobate (CLN), có cùng thành phần, thiếu lithium, chứa một số lượng lớn các lỗ hổng lithium (VLi) và các khiếm khuyết điểm anti-site niobium (Nb).với tỷ lệ [Li]/[Nb] gần 1:1Các tinh thể đơn lithium niobate được phân loại thành vật liệu chất lượng âm thanh và quang học.Các tổ chức có liên quan tham gia phát triển tinh thể niobate lithium được hiển thị trong bảng 1., với các công ty Nhật Bản là những người đóng góp chính cho sự phát triển của niobate lithium cấp quang học.tỷ lệ sản xuất nội địa các tấm lithium niobate cấp quang là dưới 5%, làm cho nó phụ thuộc rất nhiều vào nhập khẩu.

Công ty Yamamoto Ceramics của Nhật Bản đã thành công trong công nghiệp hóa tinh thể lithium niobate 8 inch và wafer (Hình 1 ((a)).(Tiantong) và Công nghệ Điện tử Trung Quốc Deqing Huaying Electronics Co.., Ltd (Deqing Huaying) đã sản xuất tinh thể lithium niobate 8 inch và wafer vào năm 2000 và 2019, nhưng chúng vẫn chưa đạt được sản xuất hàng loạt công nghiệp.Về mặt stoichiometric và lithium niobate cấp quang học, vẫn còn khoảng cách công nghệ khoảng 20 năm giữa các công ty sản xuất tinh thể lithium niobate trong nước và các công ty Nhật Bản.có nhu cầu khẩn cấp ở Trung Quốc để thực hiện những bước đột phá trong lý thuyết tăng trưởng và công nghệ quy trình của tinh thể lithium niobate chất lượng cao quang học.

Những bước đột phá quốc tế trong cấu trúc quang tử, chip quang tử và thiết bị lithium niobate phần lớn là do sự phát triển và công nghiệp hóa các vật liệu phim mỏng lithium niobate.Tuy nhiên, do độ mong manh của các tinh thể đơn lithium niobate, rất khó để chuẩn bị các tấm mỏng có chất lượng cao, có khiếm khuyết thấp với độ dày trong phạm vi nanomet (100-2,000 nm).Công nghệ cấy ghép ion và liên kết trực tiếp cho phép tách các tinh thể đơn lớn thành các tấm mỏng tinh thể đơn lithium niobate dày nanometHiện tại, chỉ có một vài công ty trên toàn thế giới, bao gồm Jinan Jingzheng, Soitec SA của Pháp và Kyocera Corporation của Nhật Bản,đã làm chủ công nghệ sản xuất các tấm mỏng đơn tinh thể lithium niobate. Jinan Jingzheng, sử dụng cắt chùm ion và liên kết trực tiếp các công nghệ cốt lõi, là người đầu tiên để công nghiệp hóa các quy trình này,tạo ra một thương hiệu hàng đầu thế giới về phim mỏng lithium niobate (NanoLN), hỗ trợ hơn 90% nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu và phát triển toàn cầu về các thiết bị phim mỏng lithium niobate.trở thành công ty đầu tiên trong ngành sản xuất phim mỏng lithium niobate từ tinh thể lithium niobate 8-inchCác chỉ số chính của loạt sản phẩm Jinan Jingzheng, bao gồm hiệu suất vật lý, sự đồng nhất độ dày, ngăn chặn khiếm khuyết và loại bỏ, là hàng đầu của các tiêu chuẩn quốc tế.

2.Các ứng dụng tiên tiến của Lithium Niobate

So với các vật liệu tinh thể đơn lithium niobate truyền thống, lithium niobate màng mỏng có kích thước nhỏ hơn, chi phí thấp hơn, tích hợp cao hơn,và khả năng hoạt động ổn định trong phạm vi nhiệt độ và điều kiện trường điện rộng hơnNhững lợi thế này làm cho nó rất áp dụng trong các lĩnh vực như truyền thông 5G, máy tính lượng tử, truyền thông sợi quang và cảm biến.đặc biệt là trong điều chế quang điện, xử lý tín hiệu quang học và truyền dữ liệu tốc độ cao (Bảng 1).

2.1 Máy điều chế điện quang tốc độ cao Máy điều chế Lithium Niobate

với những lợi thế về tốc độ cao, tiêu thụ điện năng thấp và tỷ lệ tín hiệu-gọi với tiếng ồn cao, được sử dụng rộng rãi trong các mạng truyền thông quang cực tốc độ cao,Mạng truyền thông quang học tàu ngầmCác công nghệ chính như quang quy mô lớn, chế tạo đường dẫn sóng mất mát cực thấpvà sự tích hợp không đồng nhất đã thúc đẩy sự phát triển của các bộ điều chế lithium niobate mỏng, cho phép họ hỗ trợ các ứng dụng mô-đun quang tốc độ cao 800 Gbps và 1,6 T. So với các vật liệu như indium phosphide, silicon photonics và lithium niobate truyền thống,Lithium niobate lớp mỏng cung cấp các tính năng nổi bật như băng thông cực cao, tiêu thụ năng lượng thấp, mất mát thấp, kích thước nhỏ và khả năng sản xuất hàng loạt ở mức wafer, làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng cho các bộ điều chế quang điện.Thị trường toàn cầu cho các bộ điều chế lithium niobate màng mỏng đang phát triển đều đặn, với quy mô thị trường toàn cầu dự kiến đạt 2 tỷ đô la vào năm 2029, với tốc độ tăng trưởng hàng năm tổng hợp là 41,0%.

Quốc tế, 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, trong khi Fujitsu Optical Devices Ltd. đã tung ra bộ điều chế lithium niobate màng mỏng 200 GBaud thương mại đầu tiên trên thế giới vào năm 2021.

2.2 Lithium Niobate Integrated Optical Platform

Trên nền tảng quang học tích hợp niobate lithium, các ứng dụng khác nhau từ chải tần số đến chuyển đổi tần số và điều chế đã được đạt được.tích hợp laser vào chip lithium niobate vẫn là một thách thức đáng kểNăm 2022, một nhóm nghiên cứu từ Đại học Harvard, hợp tác với HyperLight và Freedom Photonics,đã chứng minh thành công một nguồn xung femtosecond cấp chip và laser công suất cao tích hợp hoàn toàn đầu tiên trên thế giới trên một con chip lithium niobate (Hình 2 ((a))Những laser chip lithium niobate được tích hợp với hiệu suất cao, plug-and-play laser, có thể giảm đáng kể chi phí, sự phức tạp,và tiêu thụ năng lượng của các hệ thống truyền thông trong tương laiChúng cũng có thể được tích hợp vào các hệ thống quang học lớn hơn và có các ứng dụng rộng trong các lĩnh vực như cảm biến, đồng hồ nguyên tử, lidar, thông tin lượng tử và viễn thông dữ liệu.Phát triển hơn nữa các laser tích hợp với chiều rộng đường hẹp, ổn định cao, và khả năng tần số điều chỉnh tốc độ cao cũng là một nhu cầu quan trọng trong ngành công nghiệp.tỷ lệ điều chế cao, đầu ra laser ổn định trên một nền tảng quang học tích hợp heterogeneous lithium niobate-silicon nitride, với tốc độ lặp khoảng 10 GHz, xung quang 4,8 ps ở 1.065 nm,năng lượng vượt quá 20,6 pJ, và công suất đỉnh vượt quá 0,5 W.

Các nhà nghiên cứu từ Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) ở Hoa Kỳ,Dựa trên việc giới thiệu các đường dẫn sóng lithium niobate đa phân đoạn nanophotonic tích hợp lớp mỏng, đã thành công tạo ra một phổ tần số liên tục trải dài từ tia cực tím đến quang phổ nhìn thấy bằng cách kết hợp sự phân tán kỹ thuật và kết hợp tứ pha. 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, đạt tốc độ nhanh hơn 1.000 lần so với các bộ xử lý điện tử truyền thống, với băng thông xử lý siêu rộng 67 GHz và độ chính xác tính toán tuyệt vời.một sự hợp tác giữa Đại học Nankai và Đại học Thành phố Hồng Kông đã dẫn đến sự phát triển thành công của radar sóng milimét photon lithium niobate mỏng đầu tiên trên thế giới, dựa trên một nền tảng lithium niobate 4 inch màng mỏng, đạt được tiến bộ đột phá trong độ phân giải phát hiện khoảng cách và tốc độ ở mức độ centimet,cũng như radar khẩu độ tổng hợp ngược (ISAR) hình ảnh hai chiều (Hình 2 ((b))Các radar sóng milimet truyền thống thường yêu cầu nhiều thành phần riêng biệt để làm việc cùng nhau nhưng thông qua công nghệ tích hợp trên chip,tất cả các chức năng cốt lõi của radar được tích hợp vào một 15 mm × 1chip.5 mm × 0.5 mm, làm giảm đáng kể sự phức tạp của hệ thống. Công nghệ này sẽ được áp dụng trong các lĩnh vực như radar xe hơi thời đại 6G, radar trên không và hệ thống nhà thông minh.

2.3 Ứng dụng quang học lượng tử đã tích hợp các thiết bị chức năng khác nhau trên niobate lithium màng mỏng

chẳng hạn như các nguồn ánh sáng bị vướng mắc, các bộ điều chế quang điện, bộ chia chùm dẫn sóng, v.v.Thiết kế tích hợp này cho phép tạo hiệu quả và thao tác tốc độ cao của trạng thái lượng tử quang trên chip, nâng cao chức năng và sức mạnh của chip lượng tử, cung cấp các giải pháp hiệu quả hơn cho xử lý và truyền thông lượng tử.Các nhà nghiên cứu tại Đại học Stanford đã kết hợp kim cương và lithium niobate vào một con chip duy nhất, trong đó cấu trúc phân tử của kim cương dễ thao tác và có thể chứa các bit lượng tử cố định, trong khi lithium niobate có thể thay đổi tần số ánh sáng đi qua nó,cho phép điều chế quang họcSự kết hợp vật liệu này cung cấp những ý tưởng mới để cải thiện hiệu suất và mở rộng chức năng của chip lượng tử.Việc tạo ra và thao tác các trạng thái lượng tử quang học nén là nền tảng cốt lõi của các công nghệ tăng cường lượng tửMột nhóm nghiên cứu tại Caltech đã phát triển thành công một nền tảng nanophotonics tích hợp dựa trên lithium niobate,cho phép tạo ra và đo trạng thái nén trên cùng một chip quang. 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、 Xu hướng và thách thức phát triển: Với sự phát triển của trí tuệ nhân tạo và các mô hình lớn

Các điểm tăng trưởng cho tương lai của lithium niobate sẽ chủ yếu tập trung vào lĩnh vực chip quang cao cấp (Bảng 5),đặc biệt bao gồm những bước đột phá trong các công nghệ chip quang lõi như các bộ điều chế quang tốc độ cao, laser và máy dò; thúc đẩy việc áp dụng lithium niobate màng mỏng trong chip quang học để tăng hiệu suất thiết bị;tăng cường nghiên cứu và phát triển các công nghệ sản xuất phim mỏng lithium niobate để đạt được sản xuất phim chất lượng cao quy mô lớn; và thúc đẩy sự tích hợp lithium niobate màng mỏng với các thiết bị quang điện tử dựa trên silicon để giảm chi phí.

Đề xuất sản phẩm liên quan

2 inch 3 inch 4 inch LNOI LiNbO3 Wafer Lithium Niobate Thin Films Layer On Silicon Substrate