คริสตัลไนโอเบตลิตียม ฟิล์มบางกระจกเดียวและการพัฒนาในอนาคตของพวกเขาในอุตสาหกรรมชิปโฟตอนิก

คริสตัลไนโอเบตลิตียม ฟิล์มบางกระจกเดียวและการพัฒนาในอนาคตของพวกเขาในอุตสาหกรรมชิปโฟตอนิก

ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของแอปพลิเคชั่น เช่น เทคโนโลยีสื่อสาร 5G/6G ข้อมูลขนาดใหญ่ และปัญญาประดิษฐ์ ความต้องการสําหรับชิปโฟตอนิกรุ่นใหม่กําลังเพิ่มขึ้น. คริสตัลไนโอเบทลิเดียม, ด้วยคุณสมบัติไฟฟ้า-ออปติก, ออปติกไม่เชิงเส้น และออปติกพีเซโอไฟฟ้าที่ดีที่สุดของพวกเขา, ได้กลายเป็นวัสดุหลักสําหรับชิปโฟตอนิกและเป็นที่รู้จักในฐานะ "ซิลิคอนออปติก" ของยุคโฟตอนิกในช่วงปีที่ผ่านมา, มีการก้าวหน้าในการจัดทําฟิล์มบางไอนิกริสตัลเดียวของลิเดียมไนโอบาท และเทคโนโลยีการแปรรูปอุปกรณ์การบูรณาการสูงขึ้น, อิเล็กทรออปติก ultrafast ผลลัพธ์, ความกว้างของแบนด์วิดและการบริโภคพลังงานที่ต่ํา คุณสมบัติเหล่านี้เปิดโอกาสการใช้งานที่กว้างขวางในสาขา เช่น high-speedอุปกรณ์ประกอบแสงรวมและคอนตัมออปติกส์

บทความนี้นําเสนอความก้าวหน้าในการวิจัยและพัฒนาในประเทศและต่างประเทศของคริสตัลไนโอเบตลิธีียมเกรดแสง, เทคโนโลยีการเตรียมแผ่นบางแท้และนโยบายที่เกี่ยวข้อง, รวมถึงการใช้งานล่าสุดของพวกเขาในชิปโฟตอนิกส์, แพลตฟอร์มออปติกอินทิกรีต, และอุปกรณ์ออปติกควอนตัมลิทธิียมไนโอเบท ครีสต้าl-เครือข่ายอุตสาหกรรมอุปกรณ์หนังบาง และให้ข้อเสนอแนะสําหรับการพัฒนาในอนาคตประเทศจีนอยู่ในระดับที่ทันสมัยของระดับนานาชาติ ในด้านฟิล์มบางกระจกเดียวของลิเดียมไนโอเบท และอุปกรณ์ออฟโตอีเลคทรอนิกส์ที่ใช้ลิเดียมไนโอเบทโดยการปรับปรุงระบบอุตสาหกรรมและเสริมสร้างการวิจัยพื้นฐานประเทศจีนคาดว่าจะสร้างกลุ่มอุตสาหกรรมลิเดียมไนโอเบทที่สมบูรณ์แบบจากการเตรียมวัสดุถึงการออกแบบอุปกรณ์ การผลิตและการใช้

ฟิล์มบางของลิทธิียมไนโอเบทได้กลายเป็นวัสดุที่สําคัญในการสมัครสําหรับรุ่นต่อไปของสับสราตชิปประมวลผลข้อมูลโฟโตนิกที่บูรณาการหลายประการความจุตลาดที่คาดการณ์สําหรับเครื่องปรับแสงบนพื้นฐานของวัสดุคริสตัลไนโอเบทลิเดียม.7 พันล้านในปี 2026 เมื่อเทียบกับซิลิคอนโฟตอนิกส์โมดูเลเตอร์และโมดูเลเตอร์อินเดียมฟอสฟิด โมดูเลเตอร์ไนโอเบทลิตียมหนังบางมีข้อดี เช่น ความกว้างแบนด์เบดสูง ความสูญเสียการใส่ที่ต่ําการบริโภคพลังงานต่ํา, ความน่าเชื่อถือสูง, และอัตราการสูญเสียสูง. พวกเขายังสามารถลดขนาดเล็ก, ตอบโจทย์ความต้องการที่เพิ่มขึ้นสําหรับโมดูลออปติกที่มีความสอดคล้องขนาดเล็กและโมดูลออปติกสําหรับการสื่อสารข้อมูล.จีนได้รับการควบคุมอิสระของวัสดุคริสตัลปัจจุบันผู้ผลิตในประเทศหลายรายได้ปล่อยโหล่งโมดูลออปติกลิเดียมไนโอเบทแบบหนังบาง 800 Gbpsกับลูกค้าด้านล่างที่กําลังทดสอบสินค้าที่ตรงกันข้อดีของ 1.6 T โมดูลออปติกอลการใช้งานจะกลายเป็นที่สําคัญมากขึ้นในอนาคต

1.ความก้าวหน้าของการวิจัยเกี่ยวกับคริสตัลไนโอเบตลิธีียมและฟิล์มบางที่มีคริสตัลเดียว

คุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของคริสตัลตัวเดียวของลิเดียมไนโอเบตขึ้นอยู่กับอัตราส่วน [Li] / [Nb] และภาวะจุลย่อยคริสตัลลิตியம்ไนโอเบต (CLN), ที่มีองค์ประกอบเดียวกัน, มีความขาดแคลนลิเดียม, ซึ่งมีจํานวนมากของจุดว่างลิเดียม (VLi) และจุดผิดพลาดของนิโอบี (Nb) ต่อสถานที่. คริสตัลลิเดียมไนโอเบท (SLN) สตอยิโอเมตรมีสัดส่วน [Li]/[Nb] ใกล้ 1:1, มีประสิทธิภาพยอดเยี่ยม แต่ยากที่จะเตรียมและมีต้นทุนการผลิตที่สูง.สถาบันที่เกี่ยวข้องที่เกี่ยวข้องกับการเติบโตของคริสตัลไนโอเบตลิเดียม ได้แสดงอยู่ในตาราง 1, โดยบริษัทญี่ปุ่นเป็นผู้สร้างส่วนร่วมหลักในการเติบโตของลิตยูมไนโอเบทประเภทออทคีอัตราการผลิตในประเทศของแผ่นไนโอเบตลิเดียมประเภทแสงน้อยกว่า 5%ทําให้มันต้องพึ่งพาการนําเข้าอย่างมาก

บริษัทยามาโมโต้ เซรามิกส์ ของญี่ปุ่นได้ผลิตคริสตัลและโวฟเฟอร์ไนโอเบตลิธีਅਮขนาด 8 นิ้วอย่างสําเร็จ (รูป 1 ((a)) ในประเทศ, บริษัทเทียนตองฮอลดิ้งส์ จํากัด(Tiantong) และ บริษัท ไชน่า อิเล็กทรอนิกส์ เทคโนโลยี เดคิง ฮัวยิง อิเล็กทรอนิกส์ จํากัด., Ltd (Deqing Huaying) ทั้งคู่ได้ผลิตคริสตัลและโวฟเฟอร์ไนโอเบทลิเดียมขนาด 8 นิ้วในปี 2000 และ 2019 ตามลําดับ แต่ยังไม่ได้ผลิตเป็นจํานวนมากในอุตสาหกรรมในแง่ของสเตอคิโอเมตริกและเกรดแสงของลิเดียมไนโอเบท, ยังคงมีช่องว่างทางด้านเทคโนโลยีประมาณ 20 ปีระหว่างบริษัทในประเทศและบริษัทญี่ปุ่นมีความจําเป็นอย่างเร่งด่วนในจีนที่จะสร้างความก้าวหน้าในทฤษฎีการเติบโตและเทคโนโลยีกระบวนการของคริสตัลไนโอเบตลิธีียมที่มีคุณภาพสูง.

ความก้าวหน้าระหว่างประเทศในโครงสร้างโฟตอนิกของลิเดียมไนโอเบท ชิปโฟตอนิกและอุปกรณ์ส่วนใหญ่ถูกอ้างอิงให้กับการพัฒนาและอุตสาหกรรมของวัสดุผนังบางของลิเดียมไนโอเบทอย่างไรก็ตาม, เนื่องจากความเปราะบางของคริสตัลเดียวของไนโอเบทลิเดียม, มันมีความท้าทายมากที่จะเตรียมฟิล์มบางที่มีคุณภาพสูงและความบกพร่องต่ําที่มีความหนาในช่วงนาโนเมตร (100-2,000 nm)เทคโนโลยีการฝังไอออนและการผูกตรงทําให้สามารถแยกคริสตัลเดี่ยวจํานวนมากออกเป็นแผ่นบางของไนโครสตัลเดี่ยวของไนโครสตัลเดี่ยวของลิเดียมไนโอเบทขนาดนาโนเมตรปัจจุบันมีเพียงบริษัทไม่กี่บริษัททั่วโลก รวมถึง Jinan Jingzheng, Soitec SA ของฝรั่งเศส และ Kyocera Corporation ของญี่ปุ่นมีทักษะด้านเทคโนโลยีการผลิตฟิล์มบางกระจกเดียวของลิเดียมไนโอบัตจินาน จิงเจง ใช้เทคโนโลยีตัดแสงไอออน และการผูกตรง เป็นคนแรกที่นํากระบวนการเหล่านี้มาใช้ในอุตสาหกรรมสร้างแบรนด์ชั้นนําของโลกของฟิล์มบางของลิเดียมไนโอเบท (NanoLN), ซึ่งสนับสนุนกว่า 90% ของการวิจัยพื้นฐานและ R & D ทั่วโลกในอุปกรณ์แผ่นบางของลิเดียมไนโอเบท ในปี 2023 จีนานจิงเจงนําเสนอแผ่นบางของลิเดียมไนโอเบทขนาด 8 นิ้ว (รูป 1 ((b))),กลายเป็นบริษัทแรกในอุตสาหกรรมที่ผลิตฟิล์มบางของลิเดียมไนโอเบทจากคริสตัลลิเดียมไนโอเบท 8 นิ้วตัวชี้วัดสําคัญของ Jinan Jingzheng รายการสินค้า, รวมถึงผลงานทางกายภาพ, ความหนาแบบเดียวกัน, การยับยั้งความบกพร่อง, และการกําจัด, เป็นแนวหน้าของมาตรฐานสากล.

2.การนํา Lithium Niobate มาใช้ในส่วนที่สูง

เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุไนโคลสเดียวของลิเดียมไนโอเบทแบบดั้งเดิม ลิเดียมไนโอเบทหนังบางมีขนาดเล็กกว่า ค่าใช้จ่ายต่ํากว่า การบูรณาการสูงกว่าและความสามารถในการทํางานอย่างมั่นคง ภายใต้อุณหภูมิและสภาพสนามไฟฟ้าที่กว้างกว่าข้อดีเหล่านี้ทําให้มันสามารถนําไปใช้ได้อย่างสูงในสาขาต่างๆ เช่น การสื่อสาร 5G, การคํานวณควอนตัม, การสื่อสารไฟเบอร์ออปติก และเซ็นเซอร์โดยเฉพาะในการปรับปรุงไฟฟ้าแสง, การประมวลผลสัญญาณทางออนไลน์ และการส่งข้อมูลความเร็วสูง (ตารางที่ 1)

2.1 โมดูเลอเตอร์ไฟฟ้าออปติกความเร็วสูง โมดูเลอเตอร์ลิทธิียมไนโอเบท

ด้วยข้อดีของความเร็วสูง, การบริโภคพลังงานต่ํา, และอัตราการต่อรองสัญญาณกับเสียงเสียงสูง, ได้ถูกใช้อย่างแพร่หลายในเครือข่ายการสื่อสารออฟติก Backbone ความเร็วสูงสุดเครือข่ายการสื่อสารทางแสงใต้ทะเลเทคโนโลยีหลัก เช่น โฟโตลิโตกราฟีขนาดใหญ่ การผลิตสายคลื่นสูญเสียมากน้อยและการบูรณาการที่ไม่เหมือนกันได้ขับเคลื่อนการพัฒนาของตัวปรับลิตยูมไนโอเบท, ทําให้พวกเขาสามารถสนับสนุน 800 Gbps และ 1.6 T การใช้งานโมดูลแสงความเร็วสูงไนโอเบทลิเดียมหนังบาง มีคุณสมบัติที่โดดเด่น เช่น ความกว้างแบนด์สูงสุด, การบริโภคพลังงานที่ต่ํา, ความสูญเสียที่ต่ํา, ขนาดเล็ก, และความสามารถในการบรรลุการผลิตขนาดใหญ่ในระดับแผ่น, ทําให้มันเป็นวัสดุที่เหมาะสมสําหรับเครื่องปรับแสงไฟฟ้าตลาดโลกสําหรับเครื่องปรับลิตยูมไนโอเบทหนังบาง กําลังเติบโตอย่างต่อเนื่อง, โดยขนาดตลาดโลกคาดว่าจะถึง 2 พันล้านดอลลาร์ในปี 2029 โดยอัตราการเติบโตรายปีรวม 41.0%

ในระดับนานาชาติ 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, ขณะที่บริษัท ฟูจิตซู ออปติกัล ดีวิวส์ จํากัด เปิดตัวเครื่องปรับปรุงลิตยูไนโอเบทหนังบางขนาด 200 GBaud แบบพาณิชย์ครั้งแรกของโลกในปี 2021 มีความก้าวหน้าที่สําคัญในจีนเช่นกัน

2.2 พลาตฟอร์มออทติกอินทิกรีตของลิตยูมไนโอเบท

บนแพลตฟอร์มออทติกที่บูรณาการของลิเดียมไนโอเบท ได้บรรลุการใช้งานตั้งแต่กางเขนความถี่จนถึงเครื่องแปลงความถี่และเครื่องปรับการบูรณาการเลเซอร์ในชิปไนโอเบทลิเดียมยังคงเป็นโจทย์ที่สําคัญในปี 2022 ทีมงานวิจัยจากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด ร่วมกับ ไฮเปอร์ไลท์ และฟรีดัม โฟตอนิกส์ได้แสดงอย่างสําเร็จแหล่งผลักดัน femtosecond ระดับชิป และเลเซอร์พลังงานสูงที่บูรณาการอย่างเต็มที่ครั้งแรกในโลกบนชิปไนโอเบทลิเดียม (รูป 2))เลเซอร์ชิปไนโอเบทลิเดียมเหล่านี้ถูกบูรณาการกับ เลเซอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงและการบริโภคพลังงานของระบบสื่อสารในอนาคตพวกมันยังสามารถบูรณาการในระบบออปติกส์ขนาดใหญ่ได้ และมีการใช้งานที่กว้างขวางในสาขาต่างๆ เช่น การตรวจจับ นาฬิกาอะตอม ลีดาร์ ข้อมูลควอนตัม และการโทรคมนาคมข้อมูลการพัฒนาเลเซอร์ที่บูรณาการต่อด้วยความกว้างเส้นแคบความมั่นคงสูง และความสามารถในการปรับความถี่ความเร็วสูง เป็นความต้องการที่สําคัญในอุตสาหกรรมในปี 2023 นักวิจัยจาก ETH Zurich และ IBM ได้สําเร็จการสูญเสียน้อย ความกว้างเส้นแคบอัตราการปรับปรุงสูง, การออกเลเซอร์ที่มั่นคงบนแพลตฟอร์มออทติกที่บูรณาการแบบไม่เหมือนกันของลิเดียมไนโอเบท-ซิลิคอนไนไนไตรด์, ด้วยอัตราการซ้ําประมาณ 10 GHz, อัตราการกระแทกออทติก 4.8 ps ที่ 1,065 nmพลังงานเกิน 2.6 pJ และพลังงานสูงสุดเกิน 0.5 W

นักวิจัยจากสถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติ (NIST) ในสหรัฐฯโดยพัฒนาเครื่องนําคลื่นไนโอบาตลิเดียม (lithium niobate waveguides) ที่มีส่วนประกอบหลายส่วน, ได้ผลิตความถี่ความถี่แบบต่อเนื่อง ที่กว้างจากแสงอัลตรไวโอเล็ต ไปจนถึงแสงที่มองเห็นได้ โดยการรวมการกระจายและการผสมผสานครึ่งระยะ 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, ประสบความเร็ว 1,000 เท่าเร็วกว่าโปรเซสเซอร์อิเล็กทรอนิกส์ดั้งเดิม, ด้วยความกว้างของแบนด์บานด์การประมวลผล ultra-wide 67 GHz และความแม่นยําการคํานวณที่ดีเยี่ยมการร่วมมือระหว่างมหาวิทยาลัยนานคาย และมหาวิทยาลัยกรุงฮ่องกง ส่งผลให้มีการพัฒนาเรดาร์คลื่นมิลลิเมตรฟอทอนิกส์ลิตียมไนโอเบทแบบผสมผสานแบบผสมผสานครั้งแรกในโลก, ซึ่งใช้บนแพลตฟอร์มลิธีียมไนโอเบทขนาด 4 นิ้ว ทําให้มีความก้าวหน้าในระดับเซนติเมตร ความไกลและความเร็วและการถ่ายภาพสองมิติจากเรดาร์อัตราการเปิดแบบสังเคราะห์ (ISAR) (รูป 2 ((b))ราดาร์คลื่นมิลลิเมตรแบบดั้งเดิม ปกติต้องมีส่วนประกอบที่แยกแยกหลายส่วน เพื่อทํางานด้วยกัน แต่ผ่านเทคโนโลยีการบูรณาการในชิปฟังก์ชันหลักทั้งหมดของราดาร์ถูกรวมเข้ากับ 15 mm × 1ชิปขนาด.5 mm × 0.5 mm ลดความซับซ้อนของระบบลงอย่างมาก เทคโนโลยีนี้จะนําไปใช้ในสาขาต่างๆ เช่น ราดาร์รถยนต์ยุค 6G, ราดาร์อากาศ และระบบบ้านฉลาด

2.3 การใช้ Quantum Optical Applications ได้นําอุปกรณ์ทํางานต่าง ๆ เข้าร่วมกับลิเดียมไนโอเบท

เช่น แหล่งแสงที่สับสน โมดูเลอเตอร์ไฟฟ้าออปติก แบ่งรังแสงแบบนําคลื่น เป็นต้นการออกแบบที่บูรณาการนี้ ทําให้เกิดการผลิตที่มีประสิทธิภาพ และการหลอกลวงความเร็วสูงของอาการคอนเทียมทางแสงบนชิปการปรับปรุงความสามารถและพลังงานของชิปควอนตัม เพื่อให้มีทางออกที่ประสิทธิภาพมากขึ้นสําหรับการประมวลผลและการส่งสารข้อมูลควอนตัมนักวิจัยที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด รวมเพชรและลิเดียมไนโอเบทเข้ากับชิปเดียว, ซึ่งโครงสร้างโมเลกุลของเพชรสามารถนําไปใช้ได้ง่าย และสามารถรองรับบิตควอนตัมที่คงอยู่ได้ ขณะที่ลิเดียมไนโอเบทสามารถเปลี่ยนแปลงความถี่ของแสงที่ผ่านมันสามารถปรับเปลี่ยนแสงได้การผสมผสานวัสดุนี้นําเสนอแนวคิดใหม่เพื่อปรับปรุงผลงานและขยายฟังก์ชันของชิปควอนตัมการผลิตและการหลอกลวงของสภาพคอนเทียมออฟติกที่คอมเพรส เป็นพื้นฐานหลักของเทคโนโลยีที่เสริมสร้างคอนเทียมกลุ่มวิจัยที่คัลเทค ได้พัฒนาแพลตฟอร์มนาโนโฟทอนิกส์แบบบูรณาการสามารถสร้างและวัดภาวะที่บดลงบนชิปออปติกส์เดียวกัน. 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、แนวโน้มการพัฒนาและความท้าทาย: กับการพัฒนาของปัญญาประดิษฐ์และแบบจําลองขนาดใหญ่

จุดการเติบโตในอนาคตของลิทธิียมไนโอเบท จะเน้นในส่วนใหญ่ในสาขาชิปออฟติกส์ระดับสูง (ตาราง 5)โดยเฉพาะอย่างยิ่งรวมถึงความก้าวหน้าในเทคโนโลยีชิปออฟติกหลัก เช่น โมดูเลอเตอร์ออฟติกความเร็วสูง, ไลเซอร์และตัวตรวจจับ; การส่งเสริมการใช้ Lithium Niobate ในชิปออปติก เพื่อเพิ่มผลงานของอุปกรณ์เสริมการวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตฟิล์มบางของลิเดียมไนโอเบท เพื่อบรรลุการผลิตฟิล์มที่มีคุณภาพสูงในขนาดใหญ่; และส่งเสริมการบูรณาการของลิตียมไนโอเบทหนังบางกับอุปกรณ์ออฟโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ซิลิคอน เพื่อลดต้นทุน

แนะนําสินค้าที่เกี่ยวข้อง

2 นิ้ว 3 นิ้ว 4 นิ้ว LNOI LiNbO3 วาเฟอร์ ลิทธิียมไนโอเบท หนังบางชั้นบนพื้นฐานซิลิคอน