リチウムニオバート結晶,単結結晶薄膜,およびフォトニックチップ産業における将来の開発

リチウムニオバート結晶,単結結晶薄膜,およびフォトニックチップ産業における将来の開発

5G/6G通信技術,ビッグデータ,人工知能などのアプリケーションの急速な発展により,次世代の光子チップの需要は増加していますリチウムニオバート結晶優れた電光,非線形光,ピエゾ電気特性を持つ光子チップのコア材料となり,光子時代の"光学シリコン"として知られています.近年リチウムニオバートの単結晶薄膜と装置処理技術の製造において,より小さなサイズなどの利点が示されています.より高い統合超高速電光効果,広い帯域幅,低消費電力.これらの特性により,高速電光調節器などの分野での幅広い応用の可能性があります.統合光学量子光学についてです

この記事では,光学級のリチウムニオバート結晶,単結晶薄膜製剤技術,国内外の研究開発の進展について紹介しています.関連政策フォトニックチップ,統合光学プラットフォーム,量子光学装置における最新の応用について説明します.リチウムニオバートクリスタ薄膜機器の産業連鎖で,将来の発展のための提案を提供します.中国はリチウムニオバート単結晶薄膜とリチウムニオバートベースの光電子機器の分野で国際的先進レベルと同等です高品質のリチウムニオバート結晶材料の工業化には依然として大きなギャップがあります.中国が完全なリチウムニオバート産業クラスターを形成すると予想される材料の準備から 装置の設計,製造,応用まで

リチウムニオバートの薄膜は次世代の多機能統合光子情報処理チップ基板のための重要な候補材料になりました.リチウムニオバート結晶材料に基づく光学調節器の市場容量は36ドルに達すると予測されている.薄膜リチウムニオバートモジュレーターは,シリコン光子モジュレーターとインディウムホスフィードモジュレーターと比較して,高い帯域幅,低挿入損失,低電力消費また,小型化も可能となり,より小さなコアレンタル光学モジュールやデータ通信用の光学モジュールに対する需要が増えている.中国が結晶材料を 独立的にコントロールできた現在,いくつかの国内メーカーは800Gbps薄膜リチウムニオバート光学モジュールソリューションをリリースしています.下流顧客が既に対応製品をテストしている場合1.6 T オプティカル モジュールの応用の利点は将来的により顕著になる.

1.リチウムニオバート結晶と単結晶薄膜に関する研究進展

リチウムニオバートの単結晶の物理的および化学的性質は,主に[Li]/[Nb]比率および不純物に依存する.リチウムニオバート (CLN) 結晶, 同様の組成物で,リチウム欠乏性があり,大量にリチウム空白 (VLi) と抗部位ニオビウム (Nb) ポイント欠陥を含んでいます. ストイキオメトリックリチウムニオバート (SLN) 結晶,1に近い[Li]/[Nb]比で:1リチウムニオバートの単結晶は,音響グレードと光学グレードの材料に分類される.リチウムニオバート結晶の成長に従事する関連機関は,表1に示されています.現在,日本企業は光学レベルのリチウムニオバートの成長に主要な貢献者である.光学級のリチウムニオバートウエフルの国内生産率は5%未満輸入に依存している.

日本製ヤマモトセラミックス社は,8インチリチウムニオバート結晶とウエファー (図1a) を工業化することに成功している.国内では,天東ホールディングス株式会社 (株).(天東) と中国電子技術デqing Huaying Electronics Co.., Ltd (Deqing Huaying) はそれぞれ2000年と2019年に8インチリチウムニオバート結晶とウエフルを製造したが,まだ産業用大量生産を達成していない.ステキオメトリクスおよび光学級のリチウムニオバート日本企業と国内リチウムニオバート結晶生産会社には 約20年の技術格差が残っています中国では,高品質の光学グレードのリチウムニオバート結晶の成長理論とプロセス技術で突破を起こす緊急の必要性があります.

リチウムニオバートの光子構造,光子チップ,および装置における国際的突破は,主にリチウムニオバートの薄膜材料の開発と工業化に起因する.しかしリチウムニオバートの単結晶の脆さにより,ナノメートルの厚さ (100-2000nm) の低欠陥,高品質の薄膜を準備することは非常に困難です.イオンインプランテーションと直接結合技術により,大量の単結晶をナノメートルの厚さのリチウムニオバート単結晶薄膜に分離できます現在,Jinan Jingzheng,フランスのSoitec SA,日本のKyocera Corporationなど,世界中で数少ない企業が,リチウムニオバートの単結晶薄膜の製造技術に精通していることこのプロセスを工業化した最初の技術者でした世界的にリーダーとなるリチウムニオバート薄膜 (NanoLN) のブランドを創出する, リチウムニオバートの薄膜装置における世界の基礎研究と研究開発の90%以上をサポートしています. 2023年に,ジナン・ジングゼンは8インチ光学グレードのリチウムニオバートの薄膜を導入しました (図1 (b))8インチX軸のリチウムニオバート結晶からリチウムニオバート薄膜を製造した業界初の会社になりました物理性能,厚さの均一性,欠陥抑制,排除を含むジナン・ジンチェン製品シリーズの主要な指標は,国際基準の最前線にあります.

2.リチウムニオバートの先進的な応用

薄膜リチウムニオバートは 伝統的なリチウムニオバートのシングルクリスタル材料と比較して サイズが小さく 費用も安く 統合も向上します温度や電場条件の範囲が広い状態で安定して動作する能力これらの利点により,5G通信,量子コンピューティング,光ファイバー通信,センサーなどの分野で高度に適用できます.特に電光調節にはオプティカル信号処理と高速データ送信 (表1)

2.1 高速電気光学調節器 リチウムニオバート調節器

高速,低電力消費,高い信号/ノイズ比の利点により,超高速のバックボーン光通信ネットワークで広く使用されています.潜水艦の光通信ネットワーク大型フォトリホグラフィ,超低損失波導体製造,薄膜リチウムニオバートモジュレーターの開発を推進したインディウム・リン酸塩,シリコン・フォトニクス,伝統的なリチウム・ニオバートなどの材料と比較すると,薄膜リチウムニオバートは超高帯域幅などの優れた機能を提供しています低電力消費,低損失,小サイズ,およびウェーファーレベルの大量生産を達成する能力により,電気光学調節器のための理想的な材料となっています.薄膜リチウムニオバートモジュレーターの世界市場は,安定して成長しています2029年までに世界市場規模が 20億ドルに達すると予想され,年間成長率は41.0%に達する.

国際的に 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 20182021年,フジツー光学機器株式会社は世界初の商用200GBaud薄膜リチウムニオバートモジュレーターを発売した.中国でも大きな進歩が遂げられた.

2.2 リチウムニオバートの統合光学プラットフォーム

リチウムニオバート統合光学プラットフォームでは,周波数コンバーターとモジュレーターまで様々なアプリケーションが達成されています.レーザーをリチウムニオバートチップに統合することは依然として大きな課題です2022年 ハーバード大学の研究チームが ハイパーライトとフリーダムフォトニクスと協力してチップレベルのフェムト秒パルス源と,世界初のリチウムニオバートチップで完全に統合された高性能レーザーを成功裏に実証しました (図2 ((a))高性能のプラグ・アンド・プレイレーザーと組み合わさって 費用や複雑さを大幅に削減できます将来の通信システムの電力消費また,より大きな光学システムに統合され,センサー,原子時計,リダール,量子情報,データ通信などの分野で幅広い応用が可能である.狭い線幅の統合レーザー開発2023年に ETHチューリッヒとIBMの研究者が 低損失,狭い線幅,高調節率, リチウムニオバート・シリコンナイトリド異質の統合光学プラットフォームで安定したレーザー出力,約10GHzの繰り返し速さ, 1,065nmで4.8psの光学パルス,2 を超えたエネルギー.6 pJ,ピーク電力は0.5W以上.

米国国立標準技術研究所 (NIST) の研究者が複数のセグメントのナノフォトニック統合薄膜リチウムニオバート波導体の導入に基づく連続周波数コンムスペクトルを作りました 紫外線から可視スペクトルまで 連続周波数コンムスペクトルを作りました 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標準的な電子プロセッサより1000倍高速で 67GHz超幅の処理帯域幅と卓越した計算精度で 2025年には南海大学と香港市立大学との間の協力により,世界初の統合薄膜リチウムニオバート光子ミリ波レーダーが成功開発されました.4インチ薄膜リチウムニオバートプラットフォームをベースに センチメートルの距離と速度検出の解像度で 突破的な進歩を達成逆合成光圈レーダー (ISAR) の二次元画像 (図2 (b))伝統的なミリ波レーダーには 複数のコンポーネントが 組み合わさなければなりませんレーダーのすべてのコア機能が 15 mm × 1 の単一のレーダーに統合されています.5mm×0.5mmチップにより,システムの複雑性が著しく軽減される.この技術は,6G時代の車両レーダー,空中レーダー,スマートホームシステムなどの分野で適用される.

2.3 量子光学アプリケーションは薄膜リチウムニオバートに様々な機能装置を統合した

絡み合っている光源,電光調節器,波導線束分割器などこの統合設計により 効率的な生成と 高速操作が可能です量子チップの機能とパワーを向上させ,量子情報処理と伝送に より効率的なソリューションを提供します.スタンフォード 大学 の 研究 者 たち は ダイヤモンド と リチウム ナイオバート を 一つの チップ に 組み合わせ たダイヤモンドの分子構造は操作が容易で 固定量子ビットを収納できるが リチウムニオバートは 通過する光の周波数を変化させる光学調節を可能にするこの材料の組み合わせは,量子チップの性能を向上させ,機能性を拡大するための新しいアイデアを提供します.圧縮された光学量子状態の生成と操作は 量子強化技術の基礎ですカリフォルニア工科大学の研究チームは,リチウムニオバートに基づいた統合ナノフォトニクスプラットフォームを成功裏に開発しました.圧縮状態の生成と測定を同じ光学チップで可能とする. 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、開発傾向と課題: 人工知能と大型モデルの発展とともに

未来におけるリチウムニオバートの成長ポイントは,主に高級光学チップ分野に焦点を当てます (表5)特に高速光学モジュレーターなどのコア光学チップ技術の突破を含む装置の性能を向上させるために,薄膜リチウムニオバートの光学チップへの応用を促進する.高品質の薄膜の大規模生産を達成するために,リチウムニオバートの薄膜製造技術の研究開発を強化する■ 薄膜リチウムニオバートの統合を推進し,コスト削減のために,シリコンベースの光電子機器を導入する.

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