Les cristaux de niobate de lithium, les films minces monocristallins et leur développement futur dans l'industrie des puces photoniques.

Les cristaux de niobate de lithium, les films minces monocristallins et leur développement futur dans l'industrie des puces photoniques.

Avec le développement rapide d'applications telles que la technologie de communication 5G/6G, le big data et l'intelligence artificielle, la demande de puces photoniques de nouvelle génération est en croissance.. les cristaux de niobate de lithium, avec leurs excellentes propriétés électro-optiques, optiques non linéaires et piézoélectriques, sont devenues le matériau de base des puces photoniques et sont connues comme le " silicium optique " de l'ère photonique.Ces dernières années, des percées ont été réalisées dans la préparation de films minces monocristallins de niobate de lithium et dans les technologies de traitement des dispositifs, qui présentent des avantages tels que des dimensions plus petites,une meilleure intégrationCes caractéristiques offrent de larges perspectives d'application dans des domaines tels que les modulateurs électro-optiques à grande vitesse,optique intégrée, et l'optique quantique.

Cet article présente les progrès de recherche et développement nationaux et internationaux des cristaux de niobate de lithium de qualité optique, des technologies de préparation de films minces monocristallins,et les politiques pertinentes, ainsi que leurs dernières applications dans les puces photoniques, les plates-formes optiques intégrées et les dispositifs optiques quantiques.crysta au niobate de lithiumL'industrie des appareils à film mince et fournit des suggestions pour le développement futur.La Chine est à égalité avec le niveau avancé international dans les domaines des films minces monocristallins au niobate de lithium et des dispositifs optoélectroniques à base de niobate de lithium.En optimisant l'aménagement industriel et en renforçant la recherche de base, les pays de l'Afrique de l'Ouest ont réalisé des progrès considérables en ce qui concerne l'utilisation des matériaux de cristal de niobate de lithium de haute qualité.La Chine devrait former un groupe industriel complet de niobate de lithium, de la préparation des matériaux à la conception, la fabrication et l'application des dispositifs.

Les films minces de niobate de lithium sont devenus un matériau candidat important pour la prochaine génération de substrats multifonctionnels intégrés de puces de traitement d'information photonique.La capacité de marché prévue pour les modulateurs optiques basés sur des matériaux cristallins au niobate de lithium devrait atteindre 36 $.7 milliards d'ici 2026. Comparés aux modulateurs photoniques au silicium et aux modulateurs au phosphure d'indium, les modulateurs au niobate de lithium à film mince offrent des avantages tels qu'une large bande passante, une faible perte d'insertion,faible consommation d'énergieIls permettent également la miniaturisation, répondant ainsi à la demande croissante de modules optiques cohérents plus petits et de modules optiques pour la communication de données.La Chine a obtenu un contrôle indépendant sur les matériaux cristallinsÀ l'heure actuelle, plusieurs fabricants nationaux ont publié des solutions de modules optiques au lithium niobate à film mince de 800 Gbps,avec des clients en aval qui testent déjà les produits correspondantsLes avantages des applications de modules optiques 1.6 T deviendront plus importants à l'avenir.

1.Les progrès de la recherche sur les cristaux de niobate de lithium et les films minces monocristallins

Les propriétés physiques et chimiques des cristaux simples de niobate de lithium dépendent en grande partie du rapport [Li]/[Nb] et des impuretés.Cristaux de niobate de lithium, qui ont la même composition, sont déficients en lithium, contiennent un grand nombre de vides de lithium (VLi) et des défauts de niobium (Nb) anti-site.avec un rapport [Li]/[Nb] proche de 1:1Les cristaux simples de niobate de lithium sont classés en matériaux acoustiques et optiques.Les établissements concernés par la croissance des cristaux de niobate de lithium figurent dans le tableau 1., les entreprises japonaises étant les principaux contributeurs à la croissance du niobate de lithium de qualité optique.le taux de production intérieure de plaquettes au niobate de lithium de qualité optique est inférieur à 5%, ce qui la rend fortement dépendante des importations.

La société japonaise Yamamoto Ceramics a réussi à industrialiser des cristaux et des plaquettes de niobate de lithium de 8 pouces (figure 1 ((a)).(Tiantong) et China Electronics Technology Deqing Huaying Electronics Co.., Ltd. (Deqing Huaying) ont tous deux produit des cristaux de niobate de lithium de 8 pouces et des plaquettes en 2000 et 2019, respectivement, mais ils n'ont pas encore atteint une production industrielle de masse.En niobate de lithium de qualité stéchiométrique et optiqueEn ce qui concerne la production de niobate de lithium, il reste un écart technologique d'environ 20 ans entre les entreprises nationales de production de niobate de lithium et les entreprises japonaises.il est urgent en Chine de faire des percées dans la théorie de croissance et la technologie de processus de cristaux de niobate de lithium de haute qualité optique.

Les percées internationales dans les structures photoniques, les puces photoniques et les appareils au niobate de lithium sont largement attribuées au développement et à l'industrialisation des matériaux à film mince au niobate de lithium.Cependant, en raison de la fragilité des cristaux simples de niobate de lithium, il est très difficile de préparer des films minces de haute qualité et peu défectueux d'une épaisseur comprise entre 100 et 2000 nm.Les technologies d'implantation d'ions et de liaison directe permettent de séparer les cristaux simples en vrac en films minces monocristallins de niobate de lithium d'une épaisseur de nanomètresActuellement, seules quelques sociétés dans le monde, dont Jinan Jingzheng, Soitec SA de France et Kyocera Corporation du Japon, sont en mesure d'intégrer des photons de niobate de lithium à grande échelle.avoir maîtrisé la technologie de production de films minces monocristallins au niobate de lithiumJinan Jingzheng, utilisant les technologies de coupe de faisceau ionique et de liaison directe, a été le premier à industrialiser ces procédés.créer une marque de films minces de niobate de lithium (NanoLN) de premier plan au monde, qui soutient plus de 90% de la recherche de base et de la R & D mondiales dans les dispositifs à film mince au niobate de lithium.devenant la première entreprise de l'industrie à produire des films minces de niobate de lithium à partir de cristaux de niobate de lithium à axe X de 8 poucesLes indicateurs clés de la série de produits Jinan Jingzheng, y compris les performances physiques, l'uniformité de l'épaisseur, la suppression des défauts et l'élimination, sont à la pointe des normes internationales.

2.Applications avancées du niobate de lithium

Comparé aux matériaux monocristallins traditionnels de niobate de lithium, le niobate de lithium à film mince offre une taille plus petite, un coût inférieur, une meilleure intégration,et la capacité de fonctionner de manière stable dans une gamme plus large de conditions de température et de champ électriqueCes avantages le rendent très applicable dans des domaines tels que la communication 5G, l'informatique quantique, la communication par fibre optique et les capteurs.spécialement dans la modulation électro-optique, le traitement optique des signaux et la transmission de données à grande vitesse (tableau 1).

2.1 Modulateur électro-optique à grande vitesse Modulateurs au niobate de lithium

sont largement utilisés dans les réseaux de communication optique de base ultra-haut débit, avec leurs avantages en termes de vitesse élevée, de faible consommation d'énergie et de rapport signal/bruit élevé,réseaux de communication optique sous-marinsLes technologies clés telles que la photolithographie de grande taille, la fabrication de guides d'onde à très faible perte, la fabrication de circuits de circuits de données, la fabrication de circuits de données et la fabrication d'équipements de traitement de données.et l'intégration hétérogène ont conduit au développement de modulateurs au niobate de lithium à film mince, ce qui leur permet de prendre en charge des applications de modules optiques à haute vitesse de 800 Gbps et 1,6 T.Le niobate de lithium à film mince offre des caractéristiques exceptionnelles telles qu'une bande passante ultra-haute, faible consommation d'énergie, faible perte, petite taille et capacité à réaliser une production de masse au niveau des plaquettes, ce qui en fait un matériau idéal pour les modulateurs électro-optiques.Le marché mondial des modulateurs au niobate de lithium à film mince est en croissance constante, dont la taille du marché mondial devrait atteindre 2 milliards de dollars d'ici 2029, avec un taux de croissance annuel composé de 41,0%.

Au niveau international, 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, tandis que Fujitsu Optical Devices Ltd. a lancé le premier modulateur de niobate de lithium à film mince 200 GBaud commercial au monde en 2021. Des progrès significatifs ont également été réalisés en Chine.

2.2 Plateforme optique intégrée au niobate de lithium

Sur la plateforme optique intégrée au niobate de lithium, des applications allant des peignes de fréquence aux convertisseurs et modulateurs de fréquence ont été réalisées.L'intégration des lasers sur les puces au niobate de lithium demeure un défi importantEn 2022, une équipe de recherche de l'université de Harvard, en collaboration avec HyperLight et Freedom Photonics,a démontré avec succès une source d'impulsion femtoseconde au niveau de la puce et le premier laser haute puissance entièrement intégré au monde sur une puce au niobate de lithium (figure 2 ((a))Ces lasers à puce au niobate de lithium sont intégrés à des lasers plug-and-play de haute performance, ce qui peut réduire considérablement le coût, la complexité,et la consommation d'énergie des futurs systèmes de communicationIls peuvent également être intégrés dans de plus grands systèmes optiques et ont de larges applications dans des domaines tels que la détection, les horloges atomiques, le lidar, l'information quantique et les télécommunications de données.Développement ultérieur des lasers intégrés à largeur de ligne étroiteEn 2023, des chercheurs de l'ETH de Zurich et d'IBM ont réalisé une faible perte, une largeur de ligne étroite, un débit d'écoulement plus faible et une fréquence plus faible.taux de modulation élevé, une sortie laser stable sur une plate-forme optique intégrée hétérogène niobate-nitrure de silicium au lithium, avec une fréquence de répétition d'environ 10 GHz, une impulsion optique de 4,8 ps à 1 065 nm,énergie supérieure à 20,6 pJ et une puissance de pointe supérieure à 0,5 W.

Des chercheurs de l'Institut national des normes et de la technologie (NIST) aux États-Unis,sur la base de l'introduction de guides d'onde intégrés nano-photoniques à couches minces de niobate de lithium, a réussi à générer un spectre de fréquence continue couvrant de l'ultraviolet au spectre visible en combinant la dispersion de l'ingénierie et le rapprochement de quasi-phase. 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, atteignant des vitesses 1000 fois plus rapides que les processeurs électroniques traditionnels, avec une bande passante de traitement ultra large de 67 GHz et une excellente précision de calcul.une collaboration entre l'Université de Nankai et l'Université de la ville de Hong Kong a conduit au développement réussi du premier radar photonique à ondes millimétriques à lithium niobate à film mince intégré au monde, basée sur une plateforme de niobate de lithium à film mince de 4 pouces, réalisant des progrès révolutionnaires dans la résolution de détection de distance et de vitesse au niveau du centimètre,ainsi qu'une imagerie bidimensionnelle par radar à ouverture synthétique inverse (ISAR) (figure 2 (b))Les radars traditionnels à ondes millimétriques nécessitent généralement plusieurs composants discrets pour fonctionner ensemble, mais grâce à la technologie d'intégration sur puce,toutes les fonctions de base du radar sont intégrées dans un seul 15 mm × 1Cette technologie sera appliquée dans des domaines tels que les radars de véhicules de l'ère 6G, les radars aéroportés et les systèmes domestiques intelligents.

2.3 Les applications optiques quantiques ont intégré divers dispositifs fonctionnels sur du niobate de lithium à film mince.

comme les sources lumineuses enchevêtrées, les modulateurs électro-optiques, les diviseurs de faisceaux à guidage d'onde, etc.Cette conception intégrée permet une génération efficace et une manipulation à grande vitesse des états quantiques optiques sur la puce, améliorant la fonctionnalité et la puissance des puces quantiques, fournissant des solutions plus efficaces pour le traitement et la transmission d'informations quantiques.Des chercheurs de l'université de Stanford ont combiné du niobate de lithium et du diamant en une seule puce., où la structure moléculaire du diamant est facile à manipuler et peut accueillir des bits quantiques fixes, tandis que le niobate de lithium peut changer la fréquence de la lumière qui le traverse,permettant une modulation optiqueCette combinaison de matériaux offre de nouvelles idées pour améliorer les performances et étendre la fonctionnalité des puces quantiques.La génération et la manipulation d' états quantiques optiques compressés est la base des technologies améliorées quantiquesUne équipe de chercheurs de Caltech a développé avec succès une plateforme nanophotonique intégrée basée sur le niobate de lithium.permettant la génération et la mesure d'états compressés sur la même puce optique. 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、Tendances et défis de développement: avec le développement de l'intelligence artificielle et des grands modèles

Les points de croissance pour l'avenir du niobate de lithium se concentreront principalement sur le domaine des puces optiques haut de gamme (tableau 5),notamment les percées dans les technologies de base des puces optiques telles que les modulateurs optiques à grande vitesse, les lasers et les détecteurs; promouvoir l'application du niobate de lithium à film mince dans les puces optiques pour améliorer les performances des appareils;renforcement de la recherche et du développement sur les technologies de fabrication de films minces au niobate de lithium afin de réaliser une production à grande échelle de films de haute qualité; et promouvoir l'intégration du niobate de lithium à film mince avec des dispositifs optoélectroniques à base de silicium afin de réduire les coûts.

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