Los cristales de niobato de litio, las películas finas de cristal único y su desarrollo futuro en la industria de chips fotónicos.

Los cristales de niobato de litio, las películas finas de cristal único y su desarrollo futuro en la industria de chips fotónicos.

Con el rápido desarrollo de aplicaciones como la tecnología de comunicación 5G/6G, el big data y la inteligencia artificial, la demanda de chips fotónicos de próxima generación está creciendoCristales de niobato de litio, con sus excelentes propiedades electro-ópticas, ópticas no lineales y piezoeléctricas, se han convertido en el material principal para los chips fotónicos y se conocen como el " silicio óptico " de la era fotónica.En los últimos años, se han realizado avances en la preparación de películas finas de niobato de litio de cristal único y en las tecnologías de procesamiento de dispositivos, que demuestran ventajas tales como un tamaño más pequeño,mayor integración, efectos electro-ópticos ultrarrápidos, ancho de banda amplio y bajo consumo de energía.óptica integrada, y la óptica cuántica.

Este artículo presenta los avances nacionales e internacionales en investigación y desarrollo de cristales de niobato de litio de grado óptico, tecnologías de preparación de películas finas de cristal único,y las políticas pertinentes, así como sus últimas aplicaciones en chips fotónicos, plataformas ópticas integradas y dispositivos ópticos cuánticos.Crysta de niobato de litioLa industria de la película fina y los dispositivos de la cadena y ofrece sugerencias para el desarrollo futuro.China está a la par con el nivel avanzado internacional en los campos de películas finas de niobato de litio de cristal único y dispositivos optoelectrónicos basados en niobato de litio.En la actualidad, la industrialización de los materiales de cristal de niobato de litio de alta calidad sigue siendo un problema importante, ya que se ha optimizado la estructura industrial y se ha reforzado la investigación básica.Se espera que China forme un grupo industrial completo de niobato de litio, desde la preparación del material hasta el diseño, fabricación y aplicación del dispositivo.

Las películas delgadas de niobato de litio se han convertido en un material candidato importante para la próxima generación de sustratos de chips de procesamiento de información fotónica integrados multifuncionales.Se prevé que la capacidad de mercado de los moduladores ópticos basados en materiales cristalinos de niobato de litio alcance los US$ 36 millones.En comparación con los moduladores fotónicos de silicio y los moduladores de fosfuro de indio, los moduladores de niobato de litio de película delgada ofrecen ventajas tales como un ancho de banda alto, una baja pérdida de inserción,bajo consumo de energíaTambién permiten la miniaturización, satisfaciendo la creciente demanda de módulos ópticos coherentes más pequeños y módulos ópticos para la comunicación de datos.China ha logrado el control independiente de los materiales de cristalEn la actualidad, varios fabricantes nacionales han lanzado soluciones de módulos ópticos de niobato de litio de película delgada de 800 Gbps.con clientes posteriores que ya prueban los productos correspondientesLas ventajas de las aplicaciones de módulos ópticos de 1.6 T serán más prominentes en el futuro.

1.Progreso de la investigación sobre cristales de niobato de litio y películas finas de cristal único

Las propiedades físicas y químicas de los cristales individuales de niobato de litio dependen en gran medida de la relación [Li]/[Nb] y las impurezas.Cristales de niobato de litio (CLN), que tienen la misma composición, son deficientes en litio, contienen un gran número de vacíos de litio (VLi) y defectos de punto de niobio (Nb) en el anti-sitio.con una relación [Li]/[Nb] cercana a 1:1Los cristales individuales de niobato de litio se clasifican en materiales de grado acústico y óptico.En el cuadro 1 se muestran las entidades pertinentes dedicadas al crecimiento de cristales de niobato de litio., siendo las empresas japonesas las principales contribuyentes al crecimiento del niobato de litio de grado óptico.la tasa de producción nacional de obleas de niobato de litio de grado óptico es inferior al 5%, por lo que depende en gran medida de las importaciones.

La empresa japonesa Yamamoto Ceramics ha industrializado con éxito cristales y obleas de niobato de litio de 8 pulgadas (Figura 1 ((a)).(Tiantong) y China Electronics Technology Deqing Huaying Electronics Co.., Ltd. (Deqing Huaying) elaboraron cristales y obleas de niobato de litio de 8 pulgadas en 2000 y 2019, respectivamente, pero aún no han alcanzado la producción en masa industrial.Niobato de litio de grado estequiométrico y ópticoPor lo tanto, la diferencia tecnológica entre las empresas nacionales de producción de cristales de niobato de litio y las empresas japonesas sigue siendo de unos 20 años.existe una necesidad urgente en China de hacer avances en la teoría de crecimiento y tecnología de proceso de cristales de niobato de litio de alta calidad óptica.

Los avances internacionales en estructuras fotónicas de niobato de litio, chips fotónicos y dispositivos se atribuyen en gran medida al desarrollo e industrialización de materiales de película delgada de niobato de litio.Sin embargo, debido a la fragilidad de los cristales simples de niobato de litio, es muy difícil preparar películas finas de baja calidad y de bajo defecto con espesores en el rango de nanómetros (100-2000 nm).Las tecnologías de implantación iónica y de unión directa permiten la separación de cristales individuales a granel en películas finas de niobato de litio de un solo cristal de espesor nanométricoEn la actualidad, sólo unas pocas empresas en todo el mundo, entre ellas Jinan Jingzheng, Soitec SA de Francia y Kyocera Corporation de Japón, pueden fabricar el niobato de litio.han dominado la tecnología de producción de películas finas de niobato de litio de cristal únicoJinan Jingzheng, utilizando las tecnologías de corte de haz de iones y unión directa, fue el primero en industrializar estos procesos.creación de una marca líder a nivel mundial de películas finas de niobato de litio (NanoLN), que apoya más del 90% de la investigación básica mundial y la I + D en dispositivos de película delgada de niobato de litio.convirtiéndose en la primera empresa de la industria en producir películas finas de niobato de litio a partir de cristales de niobato de litio de 8 pulgadas en el eje XLos indicadores clave de la serie de productos de Jinan Jingzheng, incluidos el rendimiento físico, la uniformidad del grosor, la supresión de defectos y la eliminación, están a la vanguardia de los estándares internacionales.

2.Aplicaciones avanzadas del niobato de litio

En comparación con los materiales monocristales tradicionales de niobato de litio, el niobato de litio de película delgada ofrece un tamaño más pequeño, un menor costo, una mayor integración,y la capacidad de operar de forma estable en un rango más amplio de condiciones de temperatura y campo eléctricoEstas ventajas lo hacen altamente aplicable en campos como la comunicación 5G, la computación cuántica, la comunicación de fibra óptica y los sensores.especialmente en la modulación electro-óptica, el procesamiento de señales ópticas y la transmisión de datos de alta velocidad (cuadro 1).

2.1 Modulador electroóptico de alta velocidad Moduladores de niobato de litio

con sus ventajas de alta velocidad, bajo consumo de energía y alta relación señal-ruido, se utilizan ampliamente en redes de comunicación óptica de columna vertebral de ultraalta velocidad,redes de comunicación óptica submarinasLas tecnologías clave, como la fotolitografía de gran tamaño, la fabricación de guías de onda de pérdida ultrabaja, la fabricación dey la integración heterogénea han impulsado el desarrollo de moduladores de niobato de litio de película delgadaEn comparación con materiales como el fosfuro de indio, fotónica de silicio y niobato de litio tradicional, el niobato de litio es un material de alta calidad.el niobato de litio de película delgada ofrece características sobresalientes como un ancho de banda ultra alto, bajo consumo de energía, baja pérdida, pequeño tamaño y la capacidad de lograr una producción en masa a nivel de obleas, lo que lo convierte en un material ideal para moduladores electroópticos.El mercado mundial de los moduladores de niobato de litio de película delgada está creciendo constantemente, con el tamaño del mercado mundial que se espera alcance los 2.000 millones de dólares para 2029, con una tasa de crecimiento anual compuesta del 41,0%.

En el ámbito 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, mientras que Fujitsu Optical Devices Ltd. lanzó el primer modulador de niobato de litio de película delgada de 200 GBaud comercial del mundo en 2021.

2.2 Plataforma óptica integrada de niobato de litio

En la plataforma óptica integrada de niobato de litio, se han conseguido aplicaciones que van desde peines de frecuencia hasta convertidores y moduladores de frecuencia.La integración de los láseres en los chips de niobato de litio sigue siendo un desafío significativoEn 2022, un equipo de investigación de la Universidad de Harvard, en colaboración con HyperLight y Freedom Photonics,demostró con éxito una fuente de pulso de femtosegundos a nivel de chip y el primer láser de alta potencia totalmente integrado del mundo en un chip de niobato de litio (Figura 2 ((a))Estos láseres con chip de niobato de litio están integrados con láseres de alto rendimiento, plug-and-play, lo que puede reducir significativamente el costo, la complejidad, el rendimiento y el rendimiento.y consumo de energía de los futuros sistemas de comunicaciónTambién pueden integrarse en sistemas ópticos más grandes y tienen amplias aplicaciones en campos como detección, relojes atómicos, lidar, información cuántica y telecomunicaciones de datos.Desarrollo adicional de láseres integrados con anchos de línea estrechosEn 2023, los investigadores de ETH Zurich e IBM lograron una baja pérdida, ancho de línea estrecho,velocidad de modulación elevada, salida láser estable en una plataforma óptica integrada heterogénea de niobato de litio y nitruro de silicio, con una frecuencia de repetición de aproximadamente 10 GHz, un pulso óptico de 4,8 ps a 1.065 nm,energía superior a 20,6 pJ y potencia máxima superior a 0,5 W.

Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) en los Estados Unidos,basado en la introducción de guías de onda de niobato de litio de película delgada nanofotónicas integradas multigrupos, generó con éxito un espectro de frecuencia continua que abarca desde el ultravioleta hasta el espectro visible mediante la combinación de dispersión de ingeniería y coincidencia de cuasi-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, alcanzando velocidades 1.000 veces más rápidas que los procesadores electrónicos tradicionales, con un ancho de banda de procesamiento ultraancho de 67 GHz y una excelente precisión computacional.una colaboración entre la Universidad de Nankai y la Universidad de la Ciudad de Hong Kong condujo al desarrollo exitoso del primer radar fotónico de onda milimétrica de niobato de litio de película delgada integrado en el mundo, basado en una plataforma de niobato de litio de película delgada de 4 pulgadas, logrando avances revolucionarios en la resolución de detección de distancia y velocidad a nivel de centímetros,así como imágenes bidimensionales del radar de apertura sintética inversa (ISAR) (Figura 2 ((b))Los radares de onda milimétrica tradicionales requieren normalmente múltiples componentes discretos para trabajar juntos, pero a través de la tecnología de integración en el chip,todas las funciones centrales del radar están integradas en un único radar de 15 mm × 1La tecnología se aplicará en campos como los radares de vehículos de la era 6G, los radares aéreos y los sistemas domésticos inteligentes.

2.3 Las aplicaciones ópticas cuánticas han integrado varios dispositivos funcionales en niobato de litio de película delgada.

Por ejemplo, fuentes de luz entrelazadas, moduladores electroópticos, divisores de haz de guía de ondas, etc.Este diseño integrado permite la generación eficiente y la manipulación de alta velocidad de los estados cuánticos ópticos en el chip, mejorando la funcionalidad y la potencia de los chips cuánticos, proporcionando soluciones más eficientes para el procesamiento y la transmisión de información cuántica.Investigadores de la Universidad de Stanford combinaron el niobato de litio y el diamante en un solo chip, donde la estructura molecular del diamante es fácil de manipular y puede acomodar bits cuánticos fijos, mientras que el niobato de litio puede cambiar la frecuencia de la luz que pasa a través de él,que permite la modulación ópticaEsta combinación de materiales ofrece nuevas ideas para mejorar el rendimiento y ampliar la funcionalidad de los chips cuánticos.La generación y manipulación de estados cuánticos ópticos comprimidos es la base de las tecnologías cuánticas mejoradas.Un equipo de investigación de Caltech desarrolló con éxito una plataforma de nanofotónica integrada basada en niobato de litio, que es una herramienta que se utiliza para la fabricación de los componentes ópticos.que permite la generación y medición de estados comprimidos en el mismo 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、Tendencias y retos de desarrollo: con el desarrollo de la inteligencia artificial y de los grandes modelos

Los puntos de crecimiento para el futuro del niobato de litio se centrarán principalmente en el campo de los chips ópticos de gama alta (cuadro 5),incluidos específicamente los avances en tecnologías de chips ópticos básicos como los moduladores ópticos de alta velocidad, láseres y detectores; promover la aplicación de niobato de litio de película delgada en chips ópticos para mejorar el rendimiento del dispositivo;reforzar la investigación y el desarrollo de tecnologías de fabricación de películas finas de niobato de litio para lograr la producción a gran escala de películas de alta calidad; y promover la integración del niobato de litio de película delgada con dispositivos optoelectrónicos basados en silicio para reducir los costes.

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