Cristais de niobato de lítio, filmes finos de cristal único e seu desenvolvimento futuro na indústria de chips fotônicos.

Cristais de niobato de lítio, filmes finos de cristal único e seu desenvolvimento futuro na indústria de chips fotônicos.

Com o rápido desenvolvimento de aplicações como a tecnologia de comunicação 5G/6G, big data e inteligência artificial, a demanda por chips fotónicos de próxima geração está a crescer. Cristais de niobato de lítio, com suas excelentes propriedades eletro-ópticas, ópticas não lineares e piezoelétricas, tornaram-se o material principal para chips fotônicos e são conhecidos como o "sílico óptico" da era fotônica.Nos últimos anos, foram realizados avanços na preparação de películas finas de niobato de lítio de cristal único e tecnologias de processamento de dispositivos, que demonstram vantagens como o menor tamanho,maior integração, efeitos eletro-ópticos ultra-rápidos, largura de banda larga e baixo consumo de energia. Estas características oferecem amplas perspectivas de aplicação em campos como os moduladores eletro-ópticos de alta velocidade,Óptica integrada, e óptica quântica.

Este artigo apresenta os progressos nacionais e internacionais de investigação e desenvolvimento de cristais de niobato de lítio de grau óptico, tecnologias de preparação de filme fino de cristal único,e políticas relevantesO relatório analisa as tendências de desenvolvimento e os desafios da tecnologia de informação e comunicação.Crysta de niobato de lítioA indústria dos aparelhos de película fina fornece sugestões para o desenvolvimento futuro.A China está à altura do nível avançado internacional nos domínios dos filmes finos de niobato de lítio de cristal único e dos dispositivos optoeletrônicos à base de niobato de lítio.No entanto, a industrialização de materiais cristalinos de niobato de lítio de alta qualidade continua a apresentar uma lacuna significativa.A China deverá formar um cluster industrial completo de niobato de lítio, desde a preparação do material até ao projeto, fabrico e aplicação do dispositivo.

Os filmes finos de niobato de lítio tornaram-se um importante material candidato para a próxima geração de substratos de chips de processamento de informação fotônicos integrados multifuncionais.Prevê-se que a capacidade de mercado dos moduladores ópticos baseados em materiais cristalinos de niobato de lítio alcance os 36 milhões de dólares.7 mil milhões até 2026. Em comparação com os moduladores fotónicos de silício e os moduladores de fosfeto de ínio, os moduladores de niobato de lítio de filme fino oferecem vantagens como alta largura de banda, baixa perda de inserção,baixo consumo de energiaOs módulos ópticos de alta fiabilidade e alta taxa de extinção também permitem a miniaturização, satisfazendo a crescente demanda por módulos ópticos coerentes e módulos ópticos menores para comunicação de dados.A China conseguiu um controlo independente sobre os materiais cristalinos., filmes finos de cristal, métodos de processamento, dispositivos e sistemas.com clientes a jusante que já testam os produtos correspondentesAs vantagens das aplicações de módulos ópticos de 1,6 T serão mais proeminentes no futuro.

1.Progresso da investigação sobre cristais de niobato de lítio e filmes finos de cristal único

As propriedades físicas e químicas dos cristais únicos de niobato de lítio dependem em grande parte da relação [Li]/[Nb] e das impurezas.Cristais de niobato de lítio (CLN), que têm a mesma composição, são deficientes em lítio, contendo um grande número de vagas de lítio (VLi) e defeitos de pontos de nióbio (Nb) anti-localizados.com uma relação [Li]/[Nb] próxima de 1:1Os cristais únicos de niobato de lítio são classificados em materiais de grau acústico e óptico.As instituições relevantes envolvidas no crescimento de cristais de niobato de lítio são indicadas no quadro 1., sendo as empresas japonesas as principais contribuintes para o crescimento do niobato de lítio de grau óptico.a taxa de produção nacional de wafers de niobato de lítio de qualidade óptica é inferior a 5%, tornando-se fortemente dependente das importações.

A empresa japonesa Yamamoto Ceramics industrializou com sucesso cristais e wafers de niobato de lítio de 8 polegadas (Figura 1 ((a)).(Tiantong) e China Electronics Technology Deqing Huaying Electronics Co.., Ltd. (Deqing Huaying) produziram cristais de niobato de lítio de 8 polegadas e wafers em 2000 e 2019, respectivamente, mas ainda não alcançaram a produção em massa industrial.Em termos estequiométricos e ópticos, niobato de lítioNo entanto, a diferença tecnológica entre as empresas nacionais de produção de cristais de niobato de lítio e as empresas japonesas continua a ser de cerca de 20 anos.Há uma necessidade urgente na China de fazer avanços na teoria de crescimento e tecnologia de processo de cristais de niobato de lítio de alta qualidade óptica.

Os avanços internacionais em estruturas fotônicas de niobato de lítio, chips fotônicos e dispositivos são em grande parte atribuídos ao desenvolvimento e industrialização de materiais de filme fino de niobato de lítio.No entanto, devido à fragilidade dos cristais únicos de niobato de lítio, é muito difícil preparar filmes finos de baixa qualidade e de baixo defeito, com espessuras na gama nanométrica (100-2000 nm).A implantação de íons e as tecnologias de ligação direta permitem a separação de cristais individuais a granel em filmes finos de niobato de lítio de cristal único de espessura nanométricaNo momento, apenas algumas empresas a nível mundial, incluindo a Jinan Jingzheng, a Soitec SA da França e a Kyocera Corporation do Japão,ter dominado a tecnologia de produção de películas finas de niobato de lítio de cristal únicoJinan Jingzheng, usando as tecnologias de corte de feixe de íons e ligação direta, foi o primeiro a industrializar estes processos.criação de uma marca líder mundial de películas finas de niobato de lítio (NanoLN), que apoia mais de 90% da pesquisa básica global e da I&D em dispositivos de filme fino de niobato de lítio.tornando-se a primeira empresa da indústria a produzir filmes finos de niobato de lítio a partir de cristais de niobato de lítio de 8 polegadas no eixo XOs principais indicadores da série de produtos Jinan Jingzheng, incluindo desempenho físico, uniformidade de espessura, supressão de defeitos e eliminação, estão na vanguarda dos padrões internacionais.

2.Aplicações avançadas do niobato de lítio

Em comparação com os materiais monocristalinos tradicionais de niobato de lítio, o niobato de lítio de filme fino oferece menor tamanho, menor custo, maior integração,e a capacidade de operar de forma estável sob uma gama mais ampla de condições de temperatura e campo elétricoEstas vantagens tornam-na altamente aplicável em campos como comunicação 5G, computação quântica, comunicação de fibra óptica e sensores.especialmente na modulação eletro-óptica, processamento de sinal óptico e transmissão de dados de alta velocidade (quadro 1).

2.1 Moduladores eletro-ópticos de alta velocidade Moduladores de niobato de lítio

com as suas vantagens de alta velocidade, baixo consumo de energia e elevada relação sinal/ruído, são amplamente utilizadas em redes de comunicação óptica de backbone de ultra-alta velocidade,Redes de comunicação óptica submarinasTecnologias-chave como a fotolitografia de grandes dimensões, a fabricação de guias de ondas de ultrabaixa perda,e integração heterogênea impulsionaram o desenvolvimento de moduladores de niobato de lítio de película fina, permitindo-lhes suportar aplicações de módulos ópticos de alta velocidade de 800 Gbps e 1,6 T. Em comparação com materiais como o fosfeto de ínio, fotônicos de silício e niobato de lítio tradicional, os níveis de nitrogênio em nitrogênio são mais elevados do que os níveis de nitrogênio em nitrogênio.Niobato de lítio de filme fino oferece características excepcionais, como largura de banda ultra-alta, baixo consumo de energia, baixa perda, pequeno tamanho e a capacidade de alcançar a produção em massa de wafer, tornando-o um material ideal para moduladores eletro-ópticos.O mercado mundial de moduladores de niobato de lítio de película fina está em constante crescimento, com o tamanho do mercado global previsto para atingir 2 mil milhões de dólares em 2029, com uma taxa de crescimento anual composta de 41,0%.

A nível internacional, 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, enquanto a Fujitsu Optical Devices Ltd. lançou o primeiro modulador de niobato de lítio de filme fino de 200 GBaud comercial do mundo em 2021.

2.2 Plataforma óptica integrada de niobato de lítio

No que respeita à plataforma óptica integrada de niobato de lítio, foram alcançadas aplicações que vão desde pentes de frequência até conversores e moduladores de frequência.A integração de lasers em chips de niobato de lítio continua a ser um desafio significativoEm 2022, uma equipa de investigação da Universidade de Harvard, em colaboração com a HyperLight e a Freedom Photonics,demonstrou com êxito uma fonte de pulso de femtossegundos a nível de chip e o primeiro laser de alta potência totalmente integrado no mundo num chip de niobato de lítio (Figura 2 ((a))Estes lasers de chip de niobato de lítio são integrados com lasers de alto desempenho, plug-and-play, que podem reduzir significativamente o custo, a complexidade, a complexidade e a eficiência.e consumo de energia dos futuros sistemas de comunicaçãoTambém podem ser integrados em sistemas ópticos maiores e têm amplas aplicações em campos como sensores, relógios atômicos, lidar, informação quântica e telecomunicações de dados.Desenvolvimento de lasers integrados de largura de linha estreitaEm 2023, pesquisadores da ETH Zurich e da IBM alcançaram baixas perdas, largura de linha estreita,taxa de modulação elevada, saída de laser estável numa plataforma óptica integrada heterogénea de niobato de lítio e nitruro de silício, com uma frequência de repetição de aproximadamente 10 GHz, um pulso óptico de 4,8 ps a 1.065 nm,energia superior a 20,6 pJ e potência de pico superior a 0,5 W.

Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) nos Estados Unidos,baseado na introdução de guias de onda integrados de niobato de lítio de película fina nanofotônicos multigrupos, gerou com sucesso um espectro de freqüência contínua que abrange do ultravioleta ao espectro visível, combinando a dispersão de engenharia e a correspondência de quase-fase. 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, alcançando velocidades 1000 vezes mais rápidas do que os processadores eletrónicos tradicionais, com uma largura de banda de processamento ultra larga de 67 GHz e excelente precisão computacional.Uma colaboração entre a Universidade de Nankai e a Universidade da Cidade de Hong Kong levou ao desenvolvimento bem-sucedido do primeiro radar fotónico de ondas milimétricas de niobato de lítio de filme fino integrado do mundo., baseado numa plataforma de niobato de lítio de película fina de 4 polegadas, alcançando avanços inovadores na resolução de detecção de distância e velocidade a nível de centímetros,bem como imagens bidimensionais do radar de abertura sintética inversa (ISAR) (Figura 2 ((b))Os radares tradicionais de ondas milimétricas normalmente requerem vários componentes discretos para trabalharem juntos, mas através da tecnologia de integração em chip,Todas as funções principais do radar estão integradas num único radar de 15 mm × 1A tecnologia será aplicada em áreas como radares de veículos da era 6G, radares aéreos e sistemas domésticos inteligentes.

2.3 As aplicações ópticas quânticas integraram vários dispositivos funcionais no niobato de lítio de película fina.

como fontes luminosas emaranhadas, moduladores eletro-ópticos, divisores de feixe de guia de ondas, etc.Este projeto integrado permite a geração eficiente e manipulação de alta velocidade de estados quânticos ópticos no chip, melhorando a funcionalidade e a potência dos chips quânticos, proporcionando soluções mais eficientes para o processamento e transmissão de informações quânticas.Pesquisadores da Universidade de Stanford combinaram niobato de diamante e lítio num único chip, onde a estrutura molecular do diamante é fácil de manipular e pode acomodar bits quânticos fixos, enquanto o niobato de lítio pode alterar a frequência da luz que passa através dele,com um diâmetro superior a 50 mm,Esta combinação de materiais oferece novas ideias para melhorar o desempenho e expandir a funcionalidade dos chips quânticos.A geração e manipulação de estados quânticos ópticos comprimidos é a base das tecnologias quânticas.Uma equipe de pesquisa da Caltech desenvolveu com sucesso uma plataforma de nanofotônica integrada baseada em niobato de lítio, que é um componente óptico de grande porte.que permitem a geração e medição de estados comprimidos no mesmo chip óptico. 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、Tendências e desafios de desenvolvimento: com o desenvolvimento da inteligência artificial e dos grandes modelos

Os pontos de crescimento para o futuro do niobato de lítio concentrar-se-ão principalmente no campo dos chips ópticos de ponta (quadro 5),incluindo especificamente os avanços nas tecnologias de chips ópticos essenciais, como os moduladores ópticos de alta velocidade, lasers e detectores; promover a aplicação de niobato de lítio de película fina em chips ópticos para melhorar o desempenho dos dispositivos;reforço da investigação e desenvolvimento de tecnologias de fabrico de películas finas de niobato de lítio para a produção em larga escala de películas de alta qualidade■ e promover a integração do niobato de lítio de película fina com dispositivos optoeletrônicos à base de silício para reduzir custos.

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