تفاصيل المدونة

بلورات نيوبات الليثيوم، الأفلام الرقيقة ذات الكريستال الواحد، وتطويرها المستقبلي في صناعة الرقائق الفوتونية.

مع التطور السريع للتطبيقات مثل تكنولوجيا الاتصالات 5G / 6G والبيانات الضخمة والذكاء الاصطناعي ، يزداد الطلب على رقائق الفوتونية من الجيل التاليبلورات نيوبات الليثيوم، مع خصائصها البصرية الكهربائية وغير الخطيّة البصريّة والكهربائيّة الجسديّة الممتازة، أصبحت المادة الأساسيّة للشرائح الفوتونية وتُعرف باسم "السيليكون البصريّ" في عصر الفوتون.في السنوات الأخيرة، تم إحراز اختراقات في إعداد الأفلام الرقيقة لليثيوم نيوبات الكريستال الواحد وتقنيات معالجة الأجهزة، والتي تظهر مزايا مثل الحجم الأصغر،تكامل أعلى، والآثار الكهربائية البصرية فائقة السرعة، وعرض النطاق الترددي الواسع، وانخفاض استهلاك الطاقة.البصريات المتكاملةوالبصريات الكمية

تقدم هذه المقالة التقدم المحلي والدولي في مجال البحث والتطوير في بلورات نيوبات الليثيوم ذات الدرجة البصرية، وتقنيات تحضير فيلم رقيق من بلورات واحدة،والسياسات ذات الصلة، وكذلك أحدث تطبيقاتها في الرقائق الفوتونية، والمنصات البصرية المتكاملة، والأجهزة البصرية الكمية.كريستا نيوبات الليثيوم- سلسلة صناعة أجهزة الأفلام الرقيقة وتقدم اقتراحات للتنمية المستقبلية.الصين على قدم المساواة مع المستوى الدولي المتقدم في مجالات الأفلام الرقيقة البلورية الواحدة من نيوبات الليثيوم والأجهزة البصرية الإلكترونية القائمة على نيوبات الليثيوم، ولكن لا تزال هناك فجوة كبيرة في التصنيع من المواد الكريستالية النيوبات الليثيوم عالية الجودة.من المتوقع أن تشكل الصين مجموعة صناعية كاملة من نيوبات الليثيوم، من إعداد المواد إلى تصميم الجهاز والتصنيع والتطبيق.

أصبحت الأفلام الرقيقة لليثيوم نيوبات مادة مرشحة مهمة للجيل القادم من الرقائق الفوتونية المتكاملة متعددة الوظائف لمعالجة المعلومات.من المتوقع أن تصل قدرة السوق المتوقعة للمعدلات البصرية القائمة على مواد بلورية نيوبات الليثيوم إلى 36 دولار أمريكي.7 مليار بحلول عام 2026. بالمقارنة مع وحدات الصور الفوتونية للسيليكون و وحدات الفوسفيد الانديوم ، توفر وحدات ليثيوم نيوبات ذات الأفلام الرقيقة مزايا مثل عرض النطاق الترددي العالي ، وانخفاض خسارة الإدراج ،استهلاك طاقة منخفض، والموثوقية العالية، ونسبة الانقراض العالية. كما أنها تسمح بالتصغير، وتلبية الطلب المتزايد على وحدات بصرية متماسكة أصغر والوحدات البصرية لاتصالات البيانات.لقد حققت الصين سيطرة مستقلة على مواد البلورفي الوقت الحاضر ، أطلق العديد من الشركات المصنعة المحلية حلول وحدات الليثيوم نيوبات البصرية ذات الأفلام الرقيقة 800 جيجابايت في الساعة ،مع العملاء في الأسفل الذين يختبرون بالفعل المنتجات المقابلةستصبح مزايا تطبيقات الوحدة البصرية 1.6 T أكثر بروزًا في المستقبل.

1.التقدم البحثي في بلورات نيوبات الليثيوم والأفلام الرقيقة ذات البلورات الواحدة

تعتمد الخصائص الفيزيائية والكيميائية لبلورات نيوبات الليثيوم الفردية إلى حد كبير على نسبة [Li]/[Nb] والشوائب.بلورات نيوبات الليثيوم (CLN)، والتي لها نفس التكوين ، هي نقص الليثيوم ، وتحتوي على عدد كبير من فراغات الليثيوم (VLi) وعيوب نقطة النيوبيوم (Nb) ضد الموقع.مع نسبة [Li]/[Nb] تقترب من 1:1، تقدم أداءً ممتازًا ولكنها صعبة التحضير وتحتوي على تكاليف إنتاج مرتفعة. يتم تصنيف بلورات الليثيوم نيوبات الفردية إلى مواد ذات درجة صوتية ودرجة بصرية.يتم عرض المؤسسات ذات الصلة المشاركة في نمو بلورات نيوبات الليثيوم في الجدول 1، مع شركات يابانية هي المساهمين الرئيسيين في نمو نيوبات الليثيوم من الدرجة البصرية.معدل الإنتاج المحلي للوفافات الليثيوم نيوباتية من الدرجة البصرية أقل من 5٪، مما يجعلها تعتمد بشكل كبير على الواردات.

وقد نجحت شركة ياماموتو السيراميك اليابانية في صناعة بلورات نيوبات الليثيوم ووافيرات 8 بوصات (الشكل 1 ((أ)).(تيانتونغ) وشركة الصين للتكنولوجيا الإلكترونية.، Ltd (Deqing Huaying) كل من كريستالات نيوبات الليثيوم 8 بوصات والوافير في عامي 2000 و 2019 على التوالي ، لكنها لم تحقق بعد الإنتاج الضخم الصناعي.من الناحية الستيوكيومترية والبصرية نيوبات الليثيوم، لا تزال هناك فجوة تكنولوجية تبلغ حوالي 20 عاما بين شركات زراعة بلورات نيوبات الليثيوم المحلية والشركات اليابانية.هناك حاجة ملحة في الصين لتحقيق اختراقات في نظرية النمو وتكنولوجيا عملية بلورات نيوبات الليثيوم ذات الجودة العالية.

تُعزى الاختراقات الدولية في الهياكل الفوتونية لليثيوم نيوبات والشرائح الفوتونية والأجهزة إلى حد كبير إلى تطوير وتصنيع مواد فيلم رقيق لليثيوم نيوبات.مع ذلك، وبسبب هشاشة بلورات نيوبات الليثيوم الفردية، فمن الصعب جداً تحضير أفلام رقيقة منخفضة العيوب عالية الجودة مع سمك في نطاق نانومتر (100-2000 نانومتر).تسمح تقنيات زرع الأيونات والربط المباشر بفصل الكريستالات الفردية السائبة إلى أفلام رقيقة من نيوبات الليثيوم من الكريستال الواحد سمكها نانومتر، مما يجعل التكامل الفوتوني لليثيوم نيوبات على نطاق واسع ممكنا. حاليا، سوى عدد قليل من الشركات في جميع أنحاء العالم، بما في ذلك جينان جينجشنغ، سويتيك SA من فرنسا، وكيوسيرا شركة اليابان،يتقن تكنولوجيا إنتاج الأفلام الرقيقة لليثيوم نيوباتجينان جينج تشينغ، باستخدام قطع شعاع الأيونات وتقنيات الجمع المباشر، كان أول من صناع هذه العمليات،إنشاء علامة تجارية رائدة عالمياً من أفلام الليثيوم النيوبات الرقيقة (NanoLN)، والتي تدعم أكثر من 90٪ من البحث الأساسي العالمي والبحث والتطوير في أجهزة ليتيم نيوبات رقيقة الفيلم. في عام 2023 ، قدم جينان جينغتشينغ أفلام رقيقة ليتيم نيوبات بـ 8 بوصات من الدرجة البصرية (الشكل 1 ((ب)) ،لتصبح أول شركة في هذه الصناعة لإنتاج ليتيم نيوبات أفلام رقيقة من 8 بوصات محور إكس ليتيم نيوبات بلوراتالمؤشرات الرئيسية لسلسلة منتجات جينان جينجشنغ، بما في ذلك الأداء الفيزيائي، وتوحيد السماكة، وقمع العيوب، والقضاء عليها، هي في طليعة المعايير الدولية.

2.التطبيقات المتقدمة لنيوبات الليثيوم

بالمقارنة مع مواد الليثيوم النيوبات البلورية الواحدة التقليدية، يقدم ليثيوم النيوبات السطح الرقيق حجمًا أصغر وتكلفة أقل وتكاملًا أعلى.والقدرة على العمل بشكل مستقر في نطاق أوسع من درجات الحرارة وظروف الحقل الكهربائيهذه المزايا تجعلها قابلة للتطبيق بشكل كبير في مجالات مثل الاتصالات 5G والحوسبة الكمية والاتصالات بالألياف الضوئية والأجهزة الاستشعارية.خاصة في تعديل الكهربائي البصري، معالجة الإشارات البصرية، ونقل البيانات عالية السرعة (الجدول 1).

2.1 المنقذ الكهربائي البصري عالي السرعة المنقذات الليثيوم نيوبات

مع مزاياها من السرعة العالية واستهلاك الطاقة المنخفض ونسبة الإشارة إلى الضوضاء العالية ، تستخدم على نطاق واسع في شبكات الاتصالات البصرية العمودية فائقة السرعة ،شبكات الاتصالات البصرية تحت الماءتقنيات رئيسية مثل التصوير الفوتوغرافي الحجم الكبير، تصنيع الموجهات ذات الخسائر المنخفضة للغاية،والتكامل غير المتكافئ قد دفعت إلى تطوير وحدات ليثيوم نيوبات رقيقة الشاشة، تمكنهم من دعم تطبيقات 800 جيجابايت في الثانية و 1.6 طن من وحدات البصرية عالية السرعة. بالمقارنة مع مواد مثل فوسفيد الانديوم، فوتونيات السيليكون، ونيوبات الليثيوم التقليدية،يقدم نيوبات الليثيوم ذو الأغشية الرقيقة ميزات متميزة مثل عرض النطاق الترددي فائق الارتفاع، انخفاض استهلاك الطاقة ، وانخفاض الخسارة ، والحجم الصغير ، والقدرة على تحقيق إنتاج جماعي على مستوى الشريحة ، مما يجعله مادة مثالية للمعدلات الكهربائية البصرية.السوق العالمية لمعدلات نيوبات الليثيوم ذات الأفلام الرقيقة تنمو بشكل مطرد، حيث من المتوقع أن يصل حجم السوق العالمي إلى ملياري دولار بحلول عام 2029، مع معدل نمو سنوي مركب قدره 41.0٪.

على الصعيد الدولي 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، بينما أطلقت شركة فجيتسو للأجهزة البصرية المحدودة أول موضّل ليتيوم نيوبات رقيق الصفحة 200 جيجا باود تجاريًا في العالم في عام 2021. تم إحراز تقدم كبير أيضًا في الصين.

2.2 منصة بصرية متكاملة من نيوبات الليثيوم

على المنصة البصرية المتكاملة لليثيوم نيوبات، تم تحقيق تطبيقات تتراوح من مشطات التردد إلى محولات التردد ومنتظمات.لا يزال دمج الليزر على رقائق نيوبات الليثيوم تحديا كبيرافي عام 2022، فريق بحث من جامعة هارفارد، بالتعاون مع "هايبر لايت" و"فريدوم فوتونيكس"،أظهرت بنجاح مصدر نبضات فمتوسكوند على مستوى الشريحة وأول ليزر عالي الطاقة متكامل بالكامل في العالم على شريحة نيوبات الليثيوم (الشكل 2 ((أ))هذه الليزر الليثيوم نيوبات رقاقة متكاملة مع عالية الأداء، والكبس واللعب، والتي يمكن أن تقلل بشكل كبير من التكلفة، والتعقيد،واستهلاك الطاقة لنظم الاتصالات المستقبليةيمكن دمجها أيضًا في أنظمة بصرية أكبر ولديها تطبيقات واسعة في مجالات مثل الاستشعار والساعات الذرية والليدار والمعلومات الكمية والاتصالات السلكية واللاسلكية للبيانات.تطوير مزيد من الليزر المتكامل مع عرض خط ضيقفي عام 2023، حقق باحثون من ETH Zurich و IBM خسارة منخفضة، وعرض خط ضيق،معدل تعديل عاليإنتاج ليزر مستقر على منصة بصرية متكاملة غير متجانسة من نيوبات الليثيوم - نتريد السيليكون ، مع معدل تكرار حوالي 10 جيگاهرتز ، نبضة بصرية 4.8 ps عند 1,065 نانومتر ،طاقة تزيد عن 2.6 pJ، وذروة الذروة تزيد عن 0.5 واط.

الباحثون من المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا في الولايات المتحدةعلى أساس إدخال الموجات المتكاملة النانوفوتونية ذات الأجزاء المتعددة لليثيوم نيوبات، نجح في توليد طيف من الترددات المستمرة التي تمتد من الأشعة فوق البنفسجية إلى الطيف المرئي عن طريق الجمع بين التشتت الهندسي ومطابقة شبه المراحل. 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، وتحقيق سرعات أسرع 1000 مرة من المعالجات الإلكترونية التقليدية، مع عرض النطاق الترددي المعالجة واسعة جدا 67 غيغاهرتز ودقة الحوسبة الممتازة.أدى التعاون بين جامعة نانكاي وجامعة مدينة هونغ كونغ إلى تطوير ناجح لأول رادار لفيلم رقيق متكامل للليثيوم نيوبات فوتوني المليميتر، استناداً إلى منصة ليتيم نيوبات رقيقة الأغشية 4 بوصات، والتي تحقق تقدماً كبيراً في مستوى المسافة وسرعة الكشف،بالإضافة إلى التصوير ثنائي الأبعاد من رادار الفتحة الاصطناعية العكسية (ISAR) (الشكل 2 ((ب))رادارات الموجات المليمترية التقليدية تتطلب عادة العديد من المكونات المنفصلة للعمل معا ولكن من خلال تكنولوجيا تكامل الشريحةيتم دمج جميع الوظائف الأساسية للرادار في 15 مم × 1 واحدرقاقة 5 ملم × 0.5 ملم ، مما يقلل بشكل كبير من تعقيد النظام. سيتم تطبيق هذه التكنولوجيا في مجالات مثل رادارات المركبات في عصر 6G ، والرادارات الجوية ، وأنظمة المنازل الذكية.

2.3 تطبيقات البصريات الكمية قد دمجت أجهزة وظيفية مختلفة على النيوبات الليثيوم رقيقة الشريحة

مثل مصادر الضوء المتشابكة، وحدات الضوء الكهرو البصرية، مُقسّمين أشعة الموجهات الموجية، الخ.هذا التصميم المتكامل يتيح توليد فعال وتلاعب عالية السرعة من الحالات الكمية البصرية على الشريحة، وتعزيز وظائف وقوة الرقائق الكمية، وتوفير حلول أكثر كفاءة لمعالجة المعلومات الكمية ونقلها.قام الباحثون في جامعة ستانفورد بجمع الماس والليثيوم نيوبات في شريحة واحدةحيث أن الهيكل الجزيئي للماس سهل التلاعب ويمكن أن يستوعب البتات الكمية الثابتة، في حين أن نيوبات الليثيوم يمكن أن يغير تردد الضوء الذي يمر من خلاله،يسمح بتعديل البصرييقدم هذا الجمع من المواد أفكارًا جديدة لتحسين أداء وشبكات الكم وتوسيع وظائفها.إن توليد وتلاعب الحالات الكمية الضوئية المضغوطة هو الأساس الأساسي للتكنولوجيات الكمية المحسنة، ولكن أنظمة إعدادها تتطلب عادة مكونات بصرية كبيرة إضافية. فريق بحثي في كالتيك طوّر بنجاح منصة نانوفوتونيك متكاملة على أساس نيوبات الليثيوم،تمكين توليد وقياس الحالات المضغوطة على نفس الشريحة البصرية. 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、اتجاهات التنمية والتحديات: مع تطوير الذكاء الاصطناعي والنماذج الكبيرة

ستتركز نقاط النمو لمستقبل نيوبات الليثيوم بشكل رئيسي على مجال الرقائق البصرية الراقية (الجدول 5) ،بما في ذلك على وجه التحديد الاختراقات في تقنيات الرقائق البصرية الأساسية مثل وحدات التحكم البصرية عالية السرعة، الليزر، وأجهزة الكشف؛ تعزيز تطبيق ليتيم نيوبات فيلم رقيق في الرسوم البصرية لتحسين أداء الجهاز؛تعزيز البحث والتطوير في تكنولوجيات تصنيع الأفلام الرقيقة من نيوبات الليثيوم لتحقيق إنتاج واسع النطاق للأفلام عالية الجودةوتشجيع دمج نيوبات الليثيوم ذو الأفلام الرقيقة مع الأجهزة البصرية الإلكترونية القائمة على السيليكون لتخفيض التكاليف.

توصية المنتج ذات الصلة

2 بوصة 3 بوصة 4 بوصة LNOI LiNbO3 وافير ليثيوم نيوبات فيلم رقيق طبقة على رصيف السيليكون