Da sich künstliche Intelligenz, schnelle optische Kommunikation, Quantentechnologien und photonische integrierte Schaltungen weiterentwickeln, gewinnen fortschrittliche optische Materialien immer mehr an Bedeutung.Lithiumniobat (LiNbO3 oder LN) hat sich aufgrund seiner hervorragenden elektrooptischen, nichtlinearen, akustisch-optischen und elektrisch-optischen Eigenschaften als eines der vielversprechendsten photonischen Materialien herausgestellt.und thermooptische Eigenschaften.

Seit Jahrzehnten wird Lithiumniobat in großen Mengen in optischen Modulatoren, Frequenzwandlern und Lasersystemen eingesetzt.herkömmliche LN-Wellenleitungen mit geringer Integrationsdichte und schwacher optischer Einschränkung, was ihre Anwendung in photonischen Chips der nächsten Generation einschränkt.

Die Vermarktung vonLithiumniobat auf Isolator (LNOI)Die Kommission hat diese Situation grundlegend verändert.

Dünnschicht-Lithiumniobat verbindet die außergewöhnlichen optischen Eigenschaften von LN mit der Kompaktheit und Skalierbarkeit der modernen integrierten Photonik.Damit wird sie zu einer der wichtigsten Materialplattformen für die zukünftige optische Kommunikation und photonische Integration..

Was macht Lithiumniobat so besonders?

Lithiumniobat ist ein multifunktionaler Kristall, der gleichzeitig auf mehrere physikalische Felder reagieren kann, einschließlich:

• Optische Felder
• Elektrische Felder
• Akustische Wellen
• Wärmeeffekte

Diese Multiphysik-Fähigkeit macht LN für fortgeschrittene photonische Systeme sehr geeignet.

Wichtige optische Eigenschaften von Lithiumniobat

Weites optisches Transparenzfenster

Lithiumniobat bietet einen breiten Übertragungsbereich von:

• 320 nm bis 5000 nm

Dies ermöglicht Anwendungen in:

• Telekommunikationsphotonik
• Infrarotoptik
• Quantenphotonik
• Nichtlineare Optik

Starke elektrooptische Wirkung

LN zeigt den bekannten Pockels-Effekt, bei dem sich der Brechungsindex linear mit der angelegten Spannung ändert.

Diese Eigenschaft ermöglicht:

• mit einer Leistung von mehr als 1000 W
• Signalverarbeitung mit geringer Latenzzeit
• Energieeffiziente optische Kommunikation

Im Vergleich zur Siliziumphotonik bieten LN-Modulatoren deutlich schnellere Reaktionsgeschwindigkeiten und geringere Signalverzerrungen.

Ausgezeichnete nichtlineare optische Leistung

Lithiumniobat verfügt über einen großen nichtlinearen Koeffizienten zweiter Ordnung, was es für:

• Zweite harmonische Generation (SHG)
• Summe der Frequenzgenerierung (SFG)
• Differenzfrequenzgenerierung (DFG)
• Erzeugung von optischen Frequenzkämmen
• Erzeugung von Quantenphotonpaaren

Daher gilt LN als eines der wichtigsten nichtlinearen optischen Materialien in der integrierten Photonik.

Akustoptische und piezoelektrische Eigenschaften

LN unterstützt außerdem:

• Akustisch-optische Modulation
• Piezoelektrische Kupplung
• Mikrowellen-optische Wechselwirkung

Dies macht sie für folgende Zwecke sehr attraktiv:

• HF-Photonik
• Mikrowellenfotonische Systeme
• Akustisch-optische Geräte

Der Aufstieg von dünnschichtigem Lithiumniobat (LNOI)

Traditionelle LN-Massengeräte stützten sich hauptsächlich auf Diffusionswellenleitungen mit sehr niedrigem Brechungsindex-Kontrast.

• Großes Gerät Fußabdruck
• Schwache optische Einschränkung
• Begrenzte Integrationsfähigkeit

Das Aufkommen der LNOI-Technologie löste diese Einschränkungen.

Typische LNOI-Struktur

Dünnschicht-Lithiumniobat besteht in der Regel aus drei Schichten:

Oberste Schicht

• Einkristall LN dünne Folie
• Dicke in Hunderten von Nanometern
• Brechungsindex ≈ 2.14

Mittlere Schicht

• Silikondioxid (SiO2) Isolationsschicht
• Typischerweise ~ 2 μm dick
• Brechungsindex ≈ 1.44

Bodenunterlage

• Silizium- oder LN-Substrat

Diese Struktur erzeugt einen hohen Brechungsindex-Kontrast von etwa 0.7, die eine starke optische Einschränkung und kompakte photonische Geräte ermöglichen.

Herstellung von Lithiumniobat mit dünnen Folien

Bei der modernen LNOI-Fabrikation werden typischerweise:

• Schneiden von Kristall-Ionen
• Direkte Waferbindung
• CMP-Polieren
• Technologien zur Trockenechichtung

Der Herstellungsprozess umfasst im Allgemeinen:

1. Implantation von He+-Ionen in LN
2. SiO2-Ablagerung
3. CMP-Polierung mit hoher Flachheit
4. Waferverbindung
5. Thermische Spaltung
6. Oberflächenpolieren

Das Ergebnis ist ein ultrafließender LN-Dünnfilm, der für eine leistungsstarke photonische Integration geeignet ist.

Integrierte photonische Geräte auf der Grundlage von dünnschichtigem Lithiumniobat

Die Einführung von LNOI löste eine große Revolution in der integrierten Photonik aus.

Heute haben Forscher erfolgreich verschiedene mikro/nano-photonische Geräte auf LN-Plattformen demonstriert.

Lithiumniobat-Wellenführer

Die optischen Wellenleitungen sind die grundlegenden Verbindungsstrukturen von Photonchips.

Zwei wesentliche Leistungsindikatoren sind:

• Fähigkeit zur optischen Einschließung
• Vermehrungsverlust

Ridge-Wellenführer

Ridge-Wellenleitungen, die durch Trockenratz gefertigt werden, sind zur gängigen Lösung geworden, da sie Folgendes bieten:

• Stärker Einschluss
• Kleiner Biegeradius
• Hohe Integrationsdichte

Zu den gängigen Fertigungstechnologien gehören:

• Elektronenstrahllithographie (EBL)
• Reaktive Ionenstickerei (RIE)
• CMP-gestützte Herstellung

Durch fortschrittliche Fertigungstechniken sind bereits folgende Vermehrungsverluste erreicht worden:

• 00,03 dB/cm

Diese Ebene ist für die groß angelegte photonische Integration sehr wettbewerbsfähig.

Resonatorenstrukturen

Optische Resonatoren sind kritische Bausteine in der integrierten Photonik.

Zu den gängigen LN-Resonatoren gehören:

Mikrodiskresonatoren

Unterstützt Flüstern Galerie Modi mit hohen Q-Faktoren.

Mikroresonanzgeräte

Weit verbreitet für:

• Optische Filterung
• Modulation
• Frequenzkämmgeneration

Photonische Kristallhöhlen

Angebot:

• Volumen im kleinen Modus
• Starke Feldverbesserung
• Verbesserte nichtlineare Wechselwirkung

Diese Resonatoren sind für kompakte integrierte optische Systeme unerlässlich.

Nichtlineare fotonische Geräte

Eine der größten Stärken von LN ̇ ist die nichtlineare Optik.

Frequenzumrechnungsgeräte

LNOI unterstützt hocheffiziente:

• SHG
• SFG
• DFG
• SPDC

unter Verwendung von Techniken wie:

• Quasi-Phase-Matching (QPM)
• Periodisch poliertes Lithiumniobat (PPLN)

Forscher haben eine extrem hohe nichtlineare Umwandlungseffizienz auf LN-Wellenleitern nachgewiesen, was die Plattform für:

• Quantenoptik
• Optische Signalverarbeitung
• Frequenzkämmsysteme

integrierte elektrooptische Modulatoren

Die elektrooptische Modulation ist nach wie vor eine der kommerziell wichtigsten Anwendungen von LN.

Maschinen und Apparate für die Herstellung von Maschinen oder Apparaten, mit einer Leistung von mehr als 1000 W

Der dünnflächige LN ermöglicht kompakte Hochgeschwindigkeits-MZM mit:

• Niedrige Halbwellenspannung
• Hohe Bandbreite
• Niedriger Einsatzverlust
• CMOS-Kompatibilität

Im Vergleich zu Siliziummodulatoren bieten LN-Modulatoren:

• Schnellere Reaktion
• Verbesserte Linearität
• geringerer Stromverbrauch

Diese Vorteile machen TFLN zu einer der führenden Technologien für:

• 800G-optische Module
• 1.6T optische Verbindungen
• KI-Datenzentrumsnetzwerke

Optische Verstärkung und Laserstrukturen

LN-Strukturen mit seltenen Erden ermöglichen:

• mit einer Leistung von mehr als 50 W
• Integrierte Laser
• Quantenlichtquellen

Zu den gängigen Dopantien gehören:

• Erbium (Er)
• Thulium (Tm)

Diese Geräte sind für integrierte optische Kommunikationssysteme sehr vielversprechend.

Optische Erkennung und Kopplungstechnologien

Eine effiziente optische Kopplung ist für praktische photonische Chips von entscheidender Bedeutung.

Zu den gängigen Kopplungsmethoden gehören:

Gitterkoppler

geeignet für

• Fiber-to-Chip-Kopplung
• Wafer-Skala-Prüfung

Kantenkopplung

Angebot:

• Breitbandbetrieb
• Niedrigerer Einsatzverlust

Konische Wellenleitkopplung

für die effiziente Umstellung von Modus zwischen:

• mit einer Leistung von mehr als 1000 W
• SiN-Wellenleitungen
• LN-Wellenleitungen

Neue Anwendungen der LNOI-Photonik

Der Lithiumniobat mit Dünnschicht erweitert sich rasch über die konventionellen Telekommunikationsanwendungen hinaus.

KI-optische Verbindungen

Hochgeschwindigkeitsmodulatoren für KI-Cluster und Hyper-Rechenzentren.

Quantenphotonik

Quanten-Erinnerungen, verflochtene Photonenergie und Quantenfrequenzumwandlung.

Mikrowellenphotonik

HF-Signalverarbeitung und Mikrowellen-Optikumwandlung.

Optische Frequenzkämme

Integrierte Frequenz-Kammgeneration für Sensorik und Kommunikation.

Integrierte optische Berechnungen

Zukunftsfotonische Rechenarchitekturen mit ultra-niedriger Latenzzeit.

Die Zukunft von dünnfilmigem Lithiumniobat

Dünnschicht-Lithiumniobat wird zunehmend als eine der wichtigsten photonischen Materialplattformen der nächsten Generation anerkannt.

Durch Kombination von:

• Starke elektrooptische Leistung
• Ausgezeichnete nichtlineare Eigenschaften
• Hohe optische Einschränkung
• CMOS-kompatible Integration

LNOI ist in der Lage, in Zukunft eine wichtige Rolle zu spielen:

• Optische Kommunikationssysteme
• KI-Netzwerkinfrastruktur
• Quanteninformationstechnologien
• integrierte Photonische Chips

Da die Fertigungstechnologie weiter ausreift, bewegt sich die Lithiumniobat-Photonik rasch von der Laborforschung hin zum groß angelegten industriellen Einsatz.

Schlussfolgerung

Dünnschicht-Lithiumniobat hat die Landschaft der integrierten Photonik verändert.

Was einst durch sperrige Gerätestrukturen eingeschränkt war, wird jetzt zu einer skalierbaren, hochdünstigen, leistungsstarken photonischen Plattform, die in der Lage ist:

• Optische Erzeugung
• Signalübertragung
• Elektrooptische Modulation
• Nichtlineare Frequenzumwandlung
• Optische Erkennung
• Quanteninformationsverarbeitung

Mit dem schnellen Wachstum von KI-Computing, Hochgeschwindigkeitsoptischen Verbindungen und fortgeschrittener photonischer Integration,LNOI wird voraussichtlich zu einer der grundlegenden Technologien für optische Systeme der nächsten Generation.