3 minutter til at forstå lithiumniobatkrystal（2）

Vigtigste anvendelser af lithium niobat krystaller

(1) Piezoelektrisk applikation

Lithium niobat krystal har høj Curie temperatur, lille temperaturkoefficient for piezoelektrisk effekt, høj elektromekanisk koblingskoefficient, lavt dielektrisk tab, stabile fysiske og kemiske egenskaber af krystal, god behandlingsydelse, og let at tilberede krystaller i stor størrelse og høj kvalitet. Det er et fremragende piezoelektrisk krystalmateriale.

Sammenlignet med den almindeligt anvendte piezoelektriske krystalkvarts, lithium niobate krystal har en høj lydhastighed, som kan forberede højfrekvente enheder.

Derfor, lithiumniobatkrystaller kan bruges i resonatorer, transducere, forsinkelseslinjer, filtre, etc., og på civile områder såsom mobilkommunikation, satellitkommunikation, digital signalbehandling, television, udsendelse, radar, fjernmåling og telemetri, samt elektroniske modforanstaltninger, tændrør, vejledning og andre militære områder, en af de mest udbredte er overflade akustiske bølgefilter (SAWF).

2.4 GHz overflade akustisk filter (SAV) til venstre; lille SAW duplexer til højre

(2) Optiske applikationer

Ud over den piezoelektriske effekt, den fotoelektriske effekt af lithiumniobatkrystal er meget rig, blandt hvilke den elektro-optiske effekt og den ikke-lineære optiske effekt har enestående ydeevne og er også de mest udbredte.

i øvrigt, lithiumniobatkrystaller kan forberede optiske bølgeledere af høj kvalitet gennem protonudveksling eller titaniumdiffusion, og kan også fremstille periodisk polariserede krystaller gennem polarisationsinversion.

Derfor, det har været meget brugt i elektro-optiske modulatorer, fase modulatorer, integrerede optiske kontakter, elektro-optiske Q-switche, elektro-optisk afbøjning, højspændingssensorer, bølgefrontdetektion, optiske parametriske oscillatorer, og ferroelektriske supergitter.

Desuden, applikationer baseret på lithiumniobatkrystaller såsom dobbeltbrydende kiler, holografisk optik, infrarøde pyroelektriske detektorer, og erbium-doterede bølgelederlasere er også blevet rapporteret.

Lithium Niobate elektro-optisk modulator

(3) Dielektriske supergitter

I 1962, Armstrong et al.. først foreslog konceptet Quasi-Phase-Match (QPM, Kvasi-Phase-Match), som bruger den omvendte gittervektor leveret af supergitteret til at kompensere for fasemismatchet i den optiske parametriske proces.

Polarisationsretningen af det ferroelektriske bestemmer tegnet for den ikke-lineære polariserbarhed χ2. Den ferroelektriske domænestruktur med den modsatte periodiske polarisationsretning kan forberedes i det ferroelektriske for at realisere kvasi-fasetilpasningsteknologien, herunder lithiumniobat og lithiumtantalat, kaliumtitanylphosphat og andre krystaller kan fremstilles periodisk polariserede krystaller, blandt dem, lithiumniobat krystal er det tidligste og mest udbredte materiale til fremstilling og anvendelse af denne teknologi.

Den indledende anvendelse af periodisk polariserede lithiumniobatkrystaller anses hovedsageligt for at blive anvendt til laserfrekvenskonvertering. I 2014, Jin et al. designet en optisk supergitter integreret fotonisk chip baseret på en rekonfigurerbar lithium niobate bølgeleder optisk vej, og realiserede den effektive generation af sammenfiltrede fotoner og højhastigheds elektro-optisk modulering på chippen for første gang.

Det kan siges, at forslaget og udviklingen af dielektrisk supergitter-teori har skubbet anvendelsen af lithiumniobat og andre ferroelektriske krystaller til et nyt niveau. Det har vigtige anvendelsesmuligheder i all-solid-state lasere, optiske frekvenskamme, laser puls kompression, stråleformning, og sammenfiltrede lyskilder i kvantekommunikation.

Udsigt til Lithium Niobate Crystal

(1) Akustisk applikation

Det nuværende mobilkommunikationsnetværk af femte generation (5G) implementering inkluderer sub-6G frekvensbåndet på 3~5 GHz og millimeterbølgefrekvensbåndet ovenfor 24 GHz. Forøgelsen af kommunikationsfrekvensen kræver ikke kun, at de piezoelektriske egenskaber af krystallinske materialer kan opfyldes, men kræver også tyndere wafere og mindre interdigital elektrodeafstand, og fremstillingsprocessen af enheder er meget udfordret.

Derfor, i 4G-tiden og før, akustiske overfladefiltre, der er meget udbredt i lithiumniobatkrystaller og lithiumtantalatkrystaller, står over for konkurrencen fra bulk akustiske bølgeanordninger (BAW) og akustiske resonatorer med tynd filmhulrum (FBAR) i 5G-tiden. .

Lithiumniobatkrystaller har gjort hurtige fremskridt i højere frekvensfiltre, og materialer og apparatfremstillingsteknikker viser stadig et stort potentiale. Med udviklingen af lithiumniobat enkeltkrystal tyndfilmsmaterialer og nye akustiske enhedsteknologier, som en af kerneenhederne i fremtidens 5G-kommunikation, front-end RF-filtre baseret på lithiumniobatkrystaller har vigtige anvendelsesmuligheder.

(2) Optiske kommunikationsapplikationer

Optiske modulatorer er nøglekomponenterne i højhastigheds optiske kommunikationsnetværk. De fremtidige krav til lithiumniobat elektro-optiske modulatorer inkluderer højere modulationshastigheder, miniaturisering og integration.

På nuværende tidspunkt, de elektrooptiske lithiumniobatmodulatorer, der anvendes i kommercielle applikationer, er hovedsageligt 40/100 Gbps, og højere hastighed lithium niobat modulatorer er blevet udviklet. For eksempel, i 2017, Fujitsu udgav en 600 Gbps lithium niobate elektro-optisk modulator. På nuværende tidspunkt, 400 Gbps og 600 Gbps-produkter kommer gradvist ind på markedet.

Optisk kommunikationsteknologi er en vigtig del af opbygningen af femte generations mobilkommunikationsnetværk, og den elektrooptiske lithiumniobatmodulator, som kerneenheden, vil også indlede større udvikling.

(3) Fotonisk integreret chip

Fotoner er blevet meget brugt i højkapacitetskommunikation, optisk lagring, informationsoverførsel, informationsbehandling, detektion og andre felter. Som udviklingen af elektronik fra diskrete komponenter til integrerede kredsløb, kravene til miniaturisering, integration, lavt strømforbrug, modularisering, intelligens og høj pålidelighed af fotonikenheder bliver højere og højere. Erstatter diskret optik.

Udviklingen af integrerede fotonikchips i det tidlige stadie var hovedsageligt drevet af efterspørgslen efter optisk kommunikation, og der blev udført forskning omkring siliciumbaseret fotonik og indiumphosphid-baseret integration.

Siliciumbaserede fotonik integrerede chips har udviklet sig hurtigt på grund af det enorme modne halvledermateriale og procesteknologisystem, men siliciumbaseret laserpræparationsteknologi har altid været en mangel, og er i øjeblikket afhængig af blandet integration med indiumphosphid; Nogle indiumphosphid-integrerede fotoniske chips er blevet kommercialiseret, og deres ydeevne er bedre end silicium-baserede fotonik integrerede chips, men de mangler en generel procesplatform som silicium, og procesteknologien er kompleks og dyr.

Lithium niobat-baseret integreret fotonik forskning, som er drevet af efterspørgslen efter optisk kommunikation, fokuserer hovedsageligt på Mach-Zehnder interferenslysmodulatorer, fase modulatorer, og integrerede optiske kontakter.

Ud over efterspørgslen efter integreret fotonik inden for optisk kommunikation, den fremtidige efterspørgsel efter fotonik-baseret optisk kvanteinformationsbehandling, optisk databehandling, biosensing, billeddiagnostik, signalbehandling, opbevaring, 3D display, etc. Den hybride integrationsordning er svær at anvende.

Fra perspektivet af enkelt teknologiudvikling, næsten alle fotoniske komponenter er blevet realiseret baseret på lithiumniobatkrystaller, inklusive:

Mode-låste lasere, Q-switched lasere og optiske forstærkere realiseret ved sjældne jordarters doping;
Optiske bølgeledere realiseret ved titaniumdiffusion og protonudveksling, samt integrerede optiske kontakter, optiske crossovers, optiske koblinger, og enkelt-foton detektion;
Intensitet, fase- og polarisationsmodulation, bølgefrontdetektion og optisk pulsvalg, etc., realiseret ved elektro-optisk effekt;
Optisk frekvenskonvertering og kvantefiltret fotongenerering realiseret af ikke-lineære optiske effekter;
Gitterriste, holografisk opbevaring, fasekonjugatorer, rumlige lysmodulatorer, etc. realiseret ved fotorefraktiv effekt;
Nye enheder såsom helt optiske logiske porte, halve hugorme, og frekvenskamme udviklet fra lithiumniobat fotoniske krystaller og lithiumniobat optiske mikrohulrum;
Den gensidige omvendelse og sansning af kraft, varme, lys og andre signaler realiseres gennem piezoelektrisk effekt, pyroelektrisk effekt, og fotoelastisk effekt.

I det aktuelt udviklede optoelektroniske materialesystem, det er sjældent at udvikle så mange grundlæggende optiske komponenter, fotonikenheder og optoelektroniske enheder baseret på det samme værtsmateriale. Dette gør også folk fulde af forventninger om, at lithiumniobatkrystaller vil spille en vigtigere rolle i udviklingen af integrerede fotonikchips i fremtiden.

Ultra-overflade mikro-nano struktur fremstillet af lithium niobat krystaller (Kilde: Nankai Universitet)

Lithiumniobatkrystaller integrerer en række optoelektroniske egenskaber og kan opfylde praktiske krav til ydeevne, som er meget sjældne i optoelektroniske materialer. Med udvikling og forbedring af kerneteknologier som teorien, klargøring og påføring af lithiumniobat krystal integrerede fotonikchips, lithium niobat krystal er blevet en “optisk silicium” materiale i den fotoniske æra, at skabe et strategisk grundlag for udviklingen af integreret fotonik.

Hvis du har brug for spørgsmål relateret til optisk krystalskæring, Vær venlig Læg en besked, svar umiddelbart efter at have modtaget beskeden.

3 minutter til at forstå lithiumniobatkrystal（2）