3 Minuten, um den Lithiumniobat-Kristall zu verstehen (2)
Hauptanwendungen von Lithiumniobat-Kristallen
(1) Piezoelektrische Anwendung
Lithiumniobatkristall hat eine hohe Curie-Temperatur, kleiner Temperaturkoeffizient des piezoelektrischen Effekts, hoher elektromechanischer Kopplungskoeffizient, geringer dielektrischer Verlust, stabile physikalische und chemische Eigenschaften des Kristalls, gute Verarbeitungsleistung, und einfach große und hochwertige Kristalle herzustellen. Es ist ein ausgezeichnetes piezoelektrisches Kristallmaterial.
Verglichen mit dem üblicherweise verwendeten piezoelektrischen Kristallquarz, Lithiumniobat-Kristall hat eine hohe Schallgeschwindigkeit, die Hochfrequenzgeräte vorbereiten können.
Deshalb, Lithiumniobat-Kristalle können in Resonatoren verwendet werden, Wandler, Verzögerungsleitungen, Filter, usw., und in zivilen Bereichen wie Mobilfunk, Satellitenkommunikation, digitale Signalverarbeitung, Fernsehen, Rundfunk-, Radar, Fernerkundung und Telemetrie, sowie elektronische Gegenmaßnahmen, Zünder, Führung und andere militärische Bereiche, Einer der am weitesten verbreiteten ist der Oberflächenwellenfilter (SAWF).
2.4 GHz Oberflächenfilter (SAH) auf der linken Seite; kleiner SAW-Duplexer rechts
(2) Optische Anwendungen
Neben dem piezoelektrischen Effekt, Der photoelektrische Effekt von Lithiumniobatkristall ist sehr reich, unter denen der elektrooptische Effekt und der nichtlineare optische Effekt eine hervorragende Leistung aufweisen und auch am weitesten verbreitet sind.
Außerdem, Lithiumniobatkristalle können durch Protonenaustausch oder Titandiffusion hochwertige optische Wellenleiter herstellen, und können auch periodisch polarisierte Kristalle durch Polarisationsinversion herstellen.
Deshalb, es wurde in elektrooptischen Modulatoren weit verbreitet verwendet, Phasenmodulatoren, integrierte optische Schalter, elektrooptische Q-Switches, elektrooptische Ablenkung, Hochspannungssensoren, Wellenfronterkennung, optische parametrische Oszillatoren, und ferroelektrische Übergitter.
Zusätzlich, Anwendungen auf Basis von Lithiumniobat-Kristallen wie doppelbrechende Keile, Holographische Optik, pyroelektrische Infrarotdetektoren, und erbiumdotierte Wellenleiterlaser wurden ebenfalls berichtet.
Elektrooptischer Modulator aus Lithiumniobat
(3) Dielektrische Übergitter
In 1962, Armstronget al. schlug zuerst das Konzept des Quasi-Phase-Match vor (QPM, Quasi-Phasen-Match), der den invertierten Gittervektor verwendet, der durch das Übergitter bereitgestellt wird, um die Phasenfehlanpassung in dem optisch parametrischen Prozess zu kompensieren.
Die Polarisationsrichtung des Ferroelektrikums bestimmt das Vorzeichen der nichtlinearen Polarisierbarkeit χ2. Die ferroelektrische Domänenstruktur mit der entgegengesetzten periodischen Polarisationsrichtung kann im Ferroelektrikum hergestellt werden, um die Quasi-Phasenanpassungstechnologie zu realisieren, einschließlich Lithiumniobat und Lithiumtantalat, Kaliumtitanylphosphat und andere Kristalle können periodisch polarisierte Kristalle hergestellt werden, darunter, Lithiumniobatkristall ist das früheste und am weitesten verbreitete Material bei der Herstellung und Anwendung dieser Technologie.
Die anfängliche Anwendung periodisch polarisierter Lithiumniobat-Kristalle wird hauptsächlich als Anwendung auf die Laserfrequenzumwandlung angesehen. In 2014, Jinet al. entwarfen einen integrierten photonischen Chip mit optischem Übergitter, der auf einem rekonfigurierbaren Lichtweg aus Lithiumniobat-Wellenleitern basiert, und realisierte erstmals die effiziente Erzeugung verschränkter Photonen und elektrooptischer Hochgeschwindigkeitsmodulation auf dem Chip.
Es kann gesagt werden, dass der Vorschlag und die Entwicklung der dielektrischen Übergittertheorie die Anwendung von Lithiumniobat und anderen ferroelektrischen Kristallen auf ein neues Niveau gehoben hat. Es hat wichtige Anwendungsaussichten in Festkörperlasern, optische Frequenzkämme, Laserpulskompression, Strahlformung, und verschränkte Lichtquellen in der Quantenkommunikation.
Aussicht auf Lithiumniobat-Kristall
(1) Akustische Anwendung
Das aktuelle Mobilfunknetz der fünften Generation (5G) Der Einsatz umfasst das Sub-6G-Frequenzband von 3 bis 5 GHz und das darüber liegende Millimeterwellen-Frequenzband 24 GHz. Die Erhöhung der Kommunikationsfrequenz erfordert nicht nur, dass die piezoelektrischen Eigenschaften kristalliner Materialien erfüllt werden können, erfordert aber auch dünnere Wafer und kleinere interdigitale Elektrodenabstände, und der Herstellungsprozess von Geräten wird stark herausgefordert.
Deshalb, in der 4G-Ära und davor, Die in Lithiumniobat-Kristallen und Lithiumtantalat-Kristallen weit verbreiteten akustischen Oberflächenfilter stehen der Konkurrenz von akustischen Volumenwellengeräten gegenüber (BAW) und akustische Dünnfilm-Hohlraumresonatoren (FBAR) im 5G-Zeitalter. .
Lithiumniobat-Kristalle haben bei Hochfrequenzfiltern schnelle Fortschritte gemacht, und Materialien und Herstellungstechniken für Geräte weisen noch immer ein großes Potenzial auf. Mit der Entwicklung von Lithiumniobat-Einkristall-Dünnschichtmaterialien und neuen akustischen Gerätetechnologien, als eines der Kerngeräte der zukünftigen 5G-Kommunikation, Front-End-HF-Filter auf Basis von Lithiumniobat-Kristallen haben wichtige Anwendungsaussichten.
(2) Optische Kommunikationsanwendungen
Optische Modulatoren sind die Schlüsselkomponenten optischer Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsnetzwerke. Zu den zukünftigen Anforderungen an elektrooptische Lithiumniobat-Modulatoren gehören höhere Modulationsraten, Miniaturisierung und Integration.
Momentan, die elektrooptischen Lithiumniobat-Modulatoren, die in kommerziellen Anwendungen verwendet werden, sind hauptsächlich 40/100 Gbit/s, und Lithiumniobat-Modulatoren mit höherer Rate wurden entwickelt. Zum Beispiel, In 2017, Fujitsu hat eine 600 Gbps elektrooptischer Lithiumniobat-Modulator. Momentan, 400 Gbit/s und 600 Gbps-Produkte kommen nach und nach auf den Markt.
Die optische Kommunikationstechnologie ist ein wichtiger Bestandteil beim Aufbau des Mobilfunknetzes der fünften Generation, und der elektrooptische Lithiumniobat-Modulator, als Kerngerät, wird auch eine größere Entwicklung einleiten.
(3) Photonisch integrierter Chip
Photonen sind in der Hochleistungskommunikation weit verbreitet, optischer Speicher, Informationsübermittlung, Informationsverarbeitung, Erkennung und andere Bereiche. Wie die Entwicklung der Elektronik von diskreten Bauelementen zu integrierten Schaltkreisen, Anforderungen an die Miniaturisierung, Integration, Energieeffizient, Modularisierung, Intelligenz und hohe Zuverlässigkeit von Photonik-Geräten werden immer höher. Ersetzt diskrete Optiken.
Die Entwicklung integrierter Photonik-Chips in der Anfangsphase wurde hauptsächlich durch die Nachfrage nach optischer Kommunikation vorangetrieben, und es wurden Forschungen rund um Silizium-basierte Photonik und Indiumphosphid-basierte Integration durchgeführt.
Integrierte Photonik-Chips auf Siliziumbasis haben sich aufgrund des riesigen ausgereiften Halbleitermaterial- und Prozesstechnologiesystems schnell entwickelt, Aber die siliziumbasierte Laservorbereitungstechnologie war schon immer ein Mangel, und stützt sich derzeit auf eine gemischte Integration mit Indiumphosphid; Einige Indiumphosphid-integrierte photonische Chips wurden kommerzialisiert, und ihre Leistung ist besser als auf Silizium basierende integrierte Photonik-Chips, aber ihnen fehlt eine allgemeine Prozessplattform wie Silizium, und die Verfahrenstechnik ist komplex und teuer.
Lithiumniobat-basierte integrierte Photonikforschung, die von der Nachfrage nach optischer Kommunikation angetrieben wird, konzentriert sich hauptsächlich auf Mach-Zehnder-Interferenzlichtmodulatoren, Phasenmodulatoren, und integrierte optische Schalter.
Hinzu kommt die Nachfrage nach integrierter Photonik im Bereich der optischen Kommunikation, die zukünftige Nachfrage nach photonikbasierter optischer Quanteninformationsverarbeitung, optisches Rechnen, Biosensorik, bildgebende Erkennung, Signalverarbeitung, Lagerung, 3D-Anzeige, usw. Das hybride Integrationsschema ist schwierig anzuwenden.
Aus der Perspektive der einzelnen Technologieentwicklung, Fast alle photonischen Komponenten wurden auf Basis von Lithiumniobat-Kristallen realisiert, einschließlich:
- Modengekoppelte Laser, Gütegeschaltete Laser und optische Verstärker, realisiert durch Dotierung mit seltenen Erden;
- Durch Titandiffusion und Protonenaustausch realisierte optische Wellenleiter, sowie integrierte optische Schalter, optische Frequenzweichen, optische Kupplungen, und Einzelphotonendetektion;
- Intensität, Phasen- und Polarisationsmodulation, Wellenfrontdetektion und optische Impulsauswahl, usw., realisiert durch elektrooptischen Effekt;
- Optische Frequenzumwandlung und quantenverschränkte Photonenerzeugung, realisiert durch nichtlineare optische Effekte;
- Gitter, holografische Speicherung, Phasenkonjugatoren, räumliche Lichtmodulatoren, usw. realisiert durch photorefraktiven Effekt;
- Neue Geräte wie rein optische Logikgatter, Halbotter, und Frequenzkämme, die aus photonischen Kristallen aus Lithiumniobat und optischen Mikrokavitäten aus Lithiumniobat entwickelt wurden;
- Die gegenseitige Wandlung und Wahrnehmung von Kraft, Wärme, Licht und andere Signale werden durch piezoelektrischen Effekt realisiert, pyroelektrischer Effekt, und photoelastische Wirkung.
In dem derzeit entwickelten optoelektronischen Materialsystem, Selten werden so viele grundlegende optische Komponenten entwickelt, Photonikgeräte und optoelektronische Geräte, die auf dem gleichen Wirtsmaterial basieren. Das weckt auch die Erwartung, dass Lithiumniobat-Kristalle in Zukunft eine wichtigere Rolle bei der Entwicklung integrierter Photonik-Chips spielen werden.
Ultra-Oberflächen-Mikro-Nano-Struktur, hergestellt durch Lithiumniobat-Kristalle (Quelle: Nankai-Universität)
Lithiumniobat-Kristalle integrieren eine Vielzahl von optoelektronischen Eigenschaften und können praktische Leistungsanforderungen erfüllen, die in optoelektronischen Materialien sehr selten sind. Mit der Entwicklung und Verbesserung von Kerntechnologien wie der Theorie, Herstellung und Anwendung von Lithiumniobat-Kristall-integrierten Photonik-Chips, Lithiumniobat-Kristall ist zu einem geworden “optisches Silizium” Material im photonischen Zeitalter, Bereitstellung einer strategischen Grundlage für die Entwicklung integrierter Photonik.
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