3 minutter til at forstå lithiumniobatkrystal（1）

Med introduktionen af “ny infrastruktur”, 5G er efterhånden kommet ind i vores liv, og tjenester som cloud computing, Virtual reality, datakommunikation, og high-definition video er også fortsat med at udvikle sig, driver opgraderingen af optiske kernenetværk til ultra-højhastigheds- og ultra-langdistancetransmission. I denne proces, der er en kerneenhed, der er essentiel – det er lithiumniobatmodulatoren (LiNbO3).

Lithium Niobate Modulator

Det rapporteres, at lithiumniobatmodulatoren er lavet ved at bruge den elektro-optiske effekt af lithiumniobatkrystal kombineret med den optoelektroniske integrationsproces. Det kan konvertere elektroniske data til fotonisk information og er kernekomponenten til at realisere elektro-optisk konvertering. Helt konkret, hvad der er fremragende ved det, vi skal først forstå den elektro-optiske effekt og anvendelse af dets råmateriale lithium niobate krystal.

Om lithiumniobatkrystaller

Lithiumniobat er en forbindelse af niob, lithium og oxygen. Det er en negativ krystal med en stor spontan polarisering (0.70 C/m2 ved stuetemperatur), og er et ferroelektrisk med den højeste Curie-temperatur (1210 °C) fundet indtil videre.

Billedet til venstre er en 3-tommer optisk kvalitet nominelt ren lithium niobate krystal med samme sammensætning; billedet til højre er en jerndoteret lithiumniobatkrystal

Lithiumniobatkrystaller har to egenskaber, der er særligt attraktive. Først, lithium niobat krystaller har mange fotoelektriske effekter, inklusive piezoelektrisk effekt, elektro-optisk effekt, ikke-lineær optisk effekt, fotorefraktiv effekt, fotovoltaisk effekt, og fotoelastisk effekt, akusto-optisk effekt og andre fotoelektriske egenskaber;

Anden, ydeevnen af lithiumniobatkrystaller er meget kontrollerbar, som er forårsaget af gitterstrukturen og rigelige defektstrukturer af lithiumniobatkrystaller. Mange egenskaber ved lithiumniobatkrystaller kan i høj grad reguleres af krystalsammensætning, element doping, og valenskontrol.

Desuden, de fysiske og kemiske egenskaber af lithiumniobatkrystaller er ret stabile, let at behandle, bredt lystransmissionsområde, stor dobbeltbrydning, og let at forberede højkvalitets optiske bølgeledere.

Derfor, den optiske modulator baseret på lithiumniobatkrystal har uovertrufne fordele inden for langdistancekommunikation: det har ikke kun en lille kvidreeffekt, høj modulationsbåndbredde, godt ekstinktionsforhold, men har også fremragende stabilitet og høj hastighed. Det er meget udbredt i langdistancekommunikation med høj hastighed og høj båndbredde.

Harvard University kommenterede engang lithiumniobat: hvis centrum for den elektroniske revolution er opkaldt efter siliciummateriale, så er fødestedet for fotonikrevolutionen sandsynligvis opkaldt efter lithiumniobat.

Fremstilling af lithiumniobatkrystaller

(1) Lithiumniobatkrystal med samme sammensætning

Til samme sammensætning af lithium niobat krystal, dens forberedelse vedtager hovedsageligt trækkemetoden. Selvom boblemetoden, metoden med guidet tilstand, og temperaturgradientmetoden er også blevet brugt til at fremstille lithiumniobatkrystaller, de har ingen åbenlyse fordele eller klare anvendelseskrav sammenlignet med trækmetoden, så de har ikke fået stor opmærksomhed.

(2) Nær støkiometrisk forhold mellem lithiumniobatkrystaller

Selvom det næsten støkiometriske forhold lithiumniobatkrystal har mange fremragende fotoelektriske egenskaber, dets forhold afviger fra det eutektiske punkt for faststof-væske og samme sammensætning, så det er umuligt at bruge den konventionelle trækkemetode til at dyrke krystaller af høj kvalitet. På nuværende tidspunkt, de vigtigste forberedelsesmetoder er lithium-rig smeltemetode, fluxmetode og diffusionsmetode.

(3) Lithium niobat enkelt krystal tynd film

Lithiumniobat enkeltkrystal tynde film kan bruges i mikro-nano strukturer såsom optiske bølgeledere og akustiske enheder, samt i fremstillingen af hybridintegrerede enheder såsom siliciumbaserede enheder. Folk har i lang tid undersøgt fremstillingen af lithiumniobat enkeltkrystal tynde film, men den eneste metode, der virkelig er blevet anvendt, er “Ion udskæring” teknologi. På nuværende tidspunkt, det er blevet kommercialiseret og kan give enkeltkrystal tyndfilmprodukter med en tykkelse på 300~900 nm.