Kristal Lithium Niobate, Film Tipis Kristal Tunggal, dan Pengembangan Masa Depan Mereka dalam Industri Chip Fotonik.

Kristal Lithium Niobate, Film Tipis Kristal Tunggal, dan Pengembangan Masa Depan Mereka dalam Industri Chip Fotonik.

Dengan perkembangan cepat aplikasi seperti teknologi komunikasi 5G/6G, data besar, dan kecerdasan buatan, permintaan untuk chip fotonik generasi berikutnya meningkat. Kristal litium niobate, dengan elektro-optik yang sangat baik, optik nonlinear, dan sifat piezoelektrik, telah menjadi bahan inti untuk chip fotonik dan dikenal sebagai "silikon optik" dari era fotonik.Dalam beberapa tahun terakhir, terobosan telah dilakukan dalam persiapan film tipis kristal tunggal lithium niobate dan teknologi pengolahan perangkat, yang menunjukkan keuntungan seperti ukuran yang lebih kecil,integrasi yang lebih tinggi, efek elektro-optik yang sangat cepat, bandwidth yang luas, dan konsumsi daya yang rendah.optik terintegrasi, dan optik kuantum.

Artikel ini memperkenalkan kemajuan penelitian dan pengembangan domestik dan internasional kristal niobat lithium kelas optik, teknologi persiapan film tipis kristal tunggal,dan kebijakan yang relevan, serta aplikasi terbaru mereka dalam chip fotonik, platform optik terintegrasi, dan perangkat optik kuantum.Lithium niobate crystal- rantai industri perangkat film tipis dan memberikan saran untuk pengembangan masa depan.China setara dengan tingkat canggih internasional di bidang lithium niobate single-crystal thin films dan perangkat optoelectronic berbasis lithium niobate, namun masih ada kesenjangan yang signifikan dalam industrialisasi bahan kristal lithium niobate berkualitas tinggi. dengan mengoptimalkan tata letak industri dan memperkuat penelitian dasar,China diperkirakan akan membentuk kelompok industri lithium niobate yang lengkap, dari persiapan bahan untuk desain perangkat, manufaktur, dan aplikasi.

Lithium niobate thin films telah menjadi bahan kandidat penting untuk generasi berikutnya dari substrate chip pemrosesan informasi fotonik terintegrasi multifungsi.Perkiraan kapasitas pasar untuk modulator optik berdasarkan bahan kristal lithium niobate diperkirakan mencapai $36.7 miliar pada tahun 2026. Dibandingkan dengan modulator fotonik silikon dan modulator indium fosfida, modulator niobat lithium film tipis menawarkan keuntungan seperti bandwidth tinggi, kehilangan insersi rendah,konsumsi daya rendahMereka juga memungkinkan miniaturisasi, memenuhi permintaan yang meningkat untuk modul optik koheren yang lebih kecil dan modul optik untuk komunikasi data.China telah mencapai kontrol independen atas bahan kristal, film tipis kristal, metode pemrosesan, perangkat, dan sistem. Saat ini beberapa produsen domestik telah merilis solusi modul optik lithium niobate film tipis 800 Gbps,dengan pelanggan hilir yang sudah menguji produk yang sesuaiKeuntungan dari aplikasi modul optik 1.6 T akan menjadi lebih menonjol di masa depan.

1.Kemajuan Penelitian pada Kristal Niobate Litium dan Film Tipis Kristal Tunggal

Sifat fisik dan kimia kristal tunggal lithium niobate sangat tergantung pada rasio [Li]/[Nb] dan kotoran.Kristal Lithium Niobate (CLN), yang memiliki komposisi yang sama, kekurangan lithium, mengandung sejumlah besar ruang kosong lithium (VLi) dan cacat titik anti-situs niobium (Nb).dengan rasio [Li]/[Nb] mendekati 1:1Lithium niobate kristal tunggal diklasifikasikan menjadi bahan kelas akustik dan kelas optik.Lembaga yang relevan yang terlibat dalam pertumbuhan kristal lithium niobate ditunjukkan dalam Tabel 1, dengan perusahaan-perusahaan Jepang menjadi kontributor utama pertumbuhan niobate lithium kelas optik.tingkat produksi domestik wafer niobate lithium kelas optik kurang dari 5%, sehingga sangat bergantung pada impor.

Perusahaan Jepang Yamamoto Ceramics telah berhasil mengindustrialkan kristal lithium niobate 8 inci dan wafer (Gambar 1 ((a)).(Tiantong) dan China Electronics Technology Deqing Huaying Electronics Co., Ltd (Deqing Huaying) keduanya memproduksi kristal lithium niobate 8 inci dan wafer pada tahun 2000 dan 2019, namun mereka belum mencapai produksi massal industri.Dalam hal stoichiometric dan kelas optik lithium niobate, masih ada kesenjangan teknologi sekitar 20 tahun antara perusahaan pertumbuhan kristal lithium niobate domestik dan perusahaan Jepang.ada kebutuhan mendesak di Cina untuk membuat terobosan dalam teori pertumbuhan dan teknologi proses kristal niobate lithium berkualitas tinggi.

Terobosan internasional dalam struktur fotonik lithium niobate, chip fotonik, dan perangkat sebagian besar dikaitkan dengan pengembangan dan industrialisasi bahan film tipis lithium niobate.Namun, karena kerapuhan kristal tunggal lithium niobate, sangat menantang untuk mempersiapkan film tipis berkualitas tinggi dengan ketebalan dalam kisaran nanometer (100-2.000 nm).Teknologi implansi ion dan ikatan langsung memungkinkan pemisahan kristal tunggal besar menjadi film tipis nikotan lithium niobate kristal tunggal tebal nanometerSaat ini, hanya beberapa perusahaan di seluruh dunia, termasuk Jinan Jingzheng, Soitec SA dari Prancis, dan Kyocera Corporation dari Jepang,telah menguasai teknologi produksi untuk lithium niobate single-crystal thin filmsJinan Jingzheng, menggunakan irisan sinar ion dan langsung ikatan teknologi inti, adalah yang pertama untuk industrialisasi proses ini,menciptakan merek yang terkemuka di dunia dari lithium niobate thin films (NanoLN), yang mendukung lebih dari 90% penelitian dasar global dan R&D dalam perangkat film tipis lithium niobate. Pada tahun 2023, Jinan Jingzheng memperkenalkan film tipis lithium niobate kelas optik 8 inci (Gambar 1 ((b))),menjadi perusahaan pertama di industri untuk memproduksi lithium niobate film tipis dari 8-inci X-axis lithium niobate kristalIndikator utama dari seri produk Jinan Jingzheng, termasuk kinerja fisik, keseragaman ketebalan, penekanan cacat, dan penghapusan, berada di garis depan standar internasional.

2.Aplikasi Lanjutan Litium Niobate

Dibandingkan dengan bahan kristal tunggal lithium niobate tradisional, lithium niobate film tipis menawarkan ukuran yang lebih kecil, biaya yang lebih rendah, integrasi yang lebih tinggi,dan kemampuan untuk beroperasi stabil di bawah rentang suhu dan kondisi medan listrik yang lebih luasKeuntungan ini membuatnya sangat dapat diterapkan di bidang seperti komunikasi 5G, komputasi kuantum, komunikasi serat optik, dan sensor.terutama dalam modulasi elektro-optik, pengolahan sinyal optik, dan transmisi data berkecepatan tinggi (Tabel 1).

2.1 Modulator elektro-optik berkecepatan tinggi Modulator Litium Niobate

dengan keunggulan kecepatan tinggi, konsumsi daya rendah, dan rasio sinyal ke kebisingan yang tinggi, banyak digunakan dalam jaringan komunikasi optik tulang belakang ultra-tinggi,jaringan komunikasi optik kapal selamTeknologi kunci seperti fotolitografi berukuran besar, manufaktur pemandu gelombang dengan kerugian ultra rendah,dan integrasi heterogen telah mendorong pengembangan thin-film lithium niobate modulator, memungkinkan mereka untuk mendukung 800 Gbps dan 1,6 T aplikasi modul optik kecepatan tinggi.Lithium niobate film tipis menawarkan fitur luar biasa seperti bandwidth ultra-tinggi, konsumsi daya rendah, kerugian rendah, ukuran kecil, dan kemampuan untuk mencapai produksi massal tingkat wafer, menjadikannya bahan yang ideal untuk modulator elektro-optik.Pasar global untuk thin-film lithium niobate modulator terus berkembang, dengan ukuran pasar global diperkirakan mencapai $ 2 miliar pada tahun 2029, dengan tingkat pertumbuhan tahunan komposit 41,0%.

Secara internasional, 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, sementara Fujitsu Optical Devices Ltd meluncurkan modulator niobate lithium thin-film 200 GBaud komersial pertama di dunia pada tahun 2021.

2.2 Lithium Niobate Integrated Optical Platform

Pada platform optik terintegrasi lithium niobate, aplikasi mulai dari sisir frekuensi hingga konverter frekuensi dan modulator telah dicapai.mengintegrasikan laser ke chip lithium niobate tetap menjadi tantangan yang signifikanPada tahun 2022, sebuah tim peneliti dari Universitas Harvard, bekerja sama dengan HyperLight dan Freedom Photonics,berhasil menunjukkan sumber pulsa femtosecond tingkat chip dan laser bertenaga tinggi terintegrasi penuh pertama di dunia pada chip lithium niobate (Gambar 2 ((a))Laser chip lithium niobate ini terintegrasi dengan laser plug-and-play berkinerja tinggi, yang dapat secara signifikan mengurangi biaya, kompleksitas,dan konsumsi daya sistem komunikasi masa depanMereka juga dapat diintegrasikan ke dalam sistem optik yang lebih besar dan memiliki aplikasi yang luas di bidang seperti sensing, jam atom, lidar, informasi kuantum, dan telekomunikasi data.Pengembangan lebih lanjut dari laser terintegrasi dengan lebar garis sempitPada tahun 2023, peneliti dari ETH Zurich dan IBM mencapai low-loss, narrow-line-width,tingkat modulasi tinggi, output laser stabil pada platform optik terintegrasi heterogen lithium niobate-silicon nitride, dengan tingkat pengulangan sekitar 10 GHz, denyut optik 4,8 ps pada 1.065 nm,energi lebih dari 20,6 pJ, dan daya puncak melebihi 0,5 W.

Peneliti dari National Institute of Standards and Technology (NIST) di Amerika Serikat,berdasarkan pengenalan multi-segmen nanophotonic terintegrasi thin-film lithium niobate waveguides, berhasil menghasilkan spektrum frekuensi terus-menerus yang membentang dari ultraviolet ke spektrum terlihat dengan menggabungkan dispersi rekayasa dan bernyanyi kuasi-fase yang cocok. 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, mencapai kecepatan 1.000 kali lebih cepat daripada prosesor elektronik tradisional, dengan lebar pita pemrosesan ultra-luas 67 GHz dan akurasi komputasi yang sangat baik. Pada tahun 2025,sebuah kolaborasi antara Universitas Nankai dan City University of Hong Kong mengarah pada pengembangan yang sukses dari dunia pertama terintegrasi thin-film lithium niobate fotonik millimeter-wave radar, berdasarkan platform niobate lithium 4 inci film tipis, mencapai kemajuan terobosan dalam jarak tingkat sentimeter dan resolusi deteksi kecepatan,serta radar aperture sintetis terbalik (ISAR) pencitraan dua dimensi (Gambar 2 ((b))Radar gelombang milimeter tradisional biasanya membutuhkan beberapa komponen diskrit untuk bekerja sama, tapi melalui teknologi integrasi on-chip,semua fungsi inti dari radar terintegrasi ke dalam satu 15 mm × 1.5 mm × 0.5 mm chip, secara signifikan mengurangi kompleksitas sistem. Teknologi ini akan diterapkan di bidang-bidang seperti radar kendaraan era 6G, radar udara, dan sistem rumah pintar.

2.3 Aplikasi Optik Kuantum telah mengintegrasikan berbagai perangkat fungsional pada niobate lithium film tipis

seperti sumber cahaya yang terjerat, modulator elektro-optik, pemisah sinar gelombang, dll.Desain terintegrasi ini memungkinkan generasi yang efisien dan manipulasi kecepatan tinggi dari keadaan kuantum optik pada chip, meningkatkan fungsionalitas dan kekuatan chip kuantum, menyediakan solusi yang lebih efisien untuk pemrosesan dan transmisi informasi kuantum.Para peneliti di Universitas Stanford menggabungkan berlian dan lithium niobate ke dalam satu chip, dimana struktur molekul berlian mudah dimanipulasi dan dapat mengakomodasi bit kuantum tetap, sementara lithium niobate dapat mengubah frekuensi cahaya yang melewatinyamemungkinkan modulasi optikKombinasi bahan ini menawarkan ide-ide baru untuk meningkatkan kinerja dan memperluas fungsionalitas chip kuantum.Generasi dan manipulasi keadaan kuantum optik yang terkompresi adalah dasar inti dari teknologi kuantum yang ditingkatkanSebuah tim peneliti di Caltech berhasil mengembangkan sebuah platform nanophotonics terintegrasi berdasarkan lithium niobate,memungkinkan generasi dan pengukuran keadaan terkompresi pada chip optik yang sama. 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、Trend dan Tantangan Pengembangan: Dengan perkembangan kecerdasan buatan dan model besar

Titik pertumbuhan untuk masa depan lithium niobate terutama akan berfokus pada bidang chip optik kelas atas (Tabel 5),khususnya termasuk terobosan dalam teknologi chip optik inti seperti modulator optik berkecepatan tinggi, laser, dan detektor; mempromosikan penerapan niobate lithium film tipis dalam chip optik untuk meningkatkan kinerja perangkat;memperkuat penelitian dan pengembangan teknologi pembuatan film tipis lithium niobate untuk mencapai produksi film berkualitas tinggi dalam skala besar; dan mempromosikan integrasi niobate lithium film tipis dengan perangkat optoelektronik berbasis silikon untuk mengurangi biaya.

Rekomendasi produk terkait

2 inci 3 inci 4 inci LNOI LiNbO3 Wafer Lithium Niobate Film Tipis Lapisan Pada Silikon Substrat