3 minutes pour comprendre le cristal de niobate de lithium (2)
Principales applications des cristaux de niobate de lithium
(1) Application piézoélectrique
Le cristal de niobate de lithium a une température de Curie élevée, petit coefficient de température de l'effet piézoélectrique, coefficient de couplage électromécanique élevé, faible perte diélectrique, propriétés physiques et chimiques stables du cristal, bonne performance de traitement, et facile à préparer des cristaux de grande taille et de haute qualité. C'est un excellent matériau cristallin piézoélectrique.
Comparé au quartz cristal piézoélectrique couramment utilisé, le cristal de niobate de lithium a une vitesse de son élevée, qui peut préparer des appareils à haute fréquence.
Donc, les cristaux de niobate de lithium peuvent être utilisés dans les résonateurs, transducteurs, lignes à retard, filtres, etc., et dans les domaines civils tels que les communications mobiles, communication par satellite, traitement des signaux numériques, télévision, diffusion, radar, télédétection et télémétrie, ainsi que des contre-mesures électroniques, fusées, orientation et autres domaines militaires, l'un des plus utilisés est le filtre à ondes acoustiques de surface (SAWF).
2.4 Filtre acoustique de surface GHz (VU) à gauche; petit duplexeur SAW à droite
(2) Applications optiques
En plus de l'effet piézoélectrique, l'effet photoélectrique du cristal de niobate de lithium est très riche, parmi lesquels l'effet électro-optique et l'effet optique non linéaire ont des performances exceptionnelles et sont également les plus largement utilisés.
en outre, les cristaux de niobate de lithium peuvent préparer des guides d'ondes optiques de haute qualité par échange de protons ou diffusion de titane, et peut également préparer des cristaux périodiquement polarisés par inversion de polarisation.
Donc, il a été largement utilisé dans les modulateurs électro-optiques, modulateurs de phase, commutateurs optiques intégrés, commutateurs Q électro-optiques, déviation électro-optique, capteurs haute tension, détection de front d'onde, oscillateurs paramétriques optiques, et super-réseaux ferroélectriques.
En outre, applications à base de cristaux de niobate de lithium telles que les coins biréfringents, optique holographique, détecteurs pyroélectriques infrarouges, et des lasers à guide d'ondes dopés à l'erbium ont également été signalés.
Modulateur électro-optique au niobate de lithium
(3) Super-réseaux diélectriques
Dans 1962, Armstrong et al.. a d'abord proposé le concept de Quasi-Phase-Match (QPM, Quasi-Phase-Match), qui utilise le vecteur de réseau inversé fourni par le super-réseau pour compenser le décalage de phase dans le processus paramétrique optique.
La direction de polarisation du ferroélectrique détermine le signe de la polarisabilité non linéaire χ2. La structure de domaine ferroélectrique avec la direction de polarisation périodique opposée peut être préparée dans le ferroélectrique pour réaliser la technologie d'accord de quasi-phase, dont niobate de lithium et tantalate de lithium, le phosphate de titanyle de potassium et d'autres cristaux peuvent être préparés des cristaux périodiquement polarisés, parmi eux, le cristal de niobate de lithium est le matériau le plus ancien et le plus largement utilisé dans la préparation et l'application de cette technologie.
L'application initiale des cristaux de niobate de lithium polarisés périodiquement est principalement considérée comme étant appliquée à la conversion de fréquence laser. Dans 2014, Jin et al. conception d'une puce photonique intégrée à super-réseau optique basée sur un chemin optique de guide d'ondes reconfigurable en niobate de lithium, et réalisé pour la première fois la génération efficace de photons intriqués et la modulation électro-optique à grande vitesse sur la puce.
On peut dire que la proposition et le développement de la théorie des super-réseaux diélectriques ont poussé l'application du niobate de lithium et d'autres cristaux ferroélectriques à un nouveau niveau.. Il a d'importantes perspectives d'application dans les lasers tout solide, peignes de fréquence optique, compression des impulsions laser, mise en forme du faisceau, et sources lumineuses intriquées dans les communications quantiques.
Perspective du cristal de niobate de lithium
(1) Application acoustique
Le réseau de communication mobile actuel de cinquième génération (5g) le déploiement comprend la bande de fréquence sous-6G de 3 ~ 5 GHz et la bande de fréquence d'ondes millimétriques ci-dessus 24 GHz. L'augmentation de la fréquence de communication exige non seulement que les propriétés piézoélectriques des matériaux cristallins puissent être satisfaites, mais nécessite également des tranches plus minces et un espacement des électrodes interdigitées plus petit, et le processus de fabrication des dispositifs est fortement contesté.
Donc, à l'ère de la 4G et avant, les filtres acoustiques de surface largement utilisés dans les cristaux de niobate de lithium et les cristaux de tantalate de lithium font face à la concurrence des dispositifs à ondes acoustiques de volume (BAW) et résonateurs acoustiques à cavité à couche mince (FBAR) à l'ère de la 5G. .
Les cristaux de niobate de lithium ont fait des progrès rapides dans les filtres à haute fréquence, et les matériaux et les techniques de fabrication de dispositifs présentent encore un grand potentiel. Avec le développement de matériaux à couches minces monocristallines de niobate de lithium et de nouvelles technologies de dispositifs acoustiques, comme l'un des principaux dispositifs des futures communications 5G, les filtres RF frontaux à base de cristaux de niobate de lithium ont d'importantes perspectives d'application.
(2) Applications de communication optique
Les modulateurs optiques sont les composants clés des réseaux de communication optique à haut débit. Les futures exigences pour les modulateurs électro-optiques au niobate de lithium incluent des taux de modulation plus élevés, miniaturisation et intégration.
Maintenant, les modulateurs électro-optiques au niobate de lithium utilisés dans les applications commerciales sont principalement 40/100 Gbit/s, et des modulateurs de niobate de lithium à taux plus élevé ont été développés. Par exemple, dans 2017, Fujitsu a publié un 600 Modulateur électro-optique en niobate de lithium Gbps. Maintenant, 400 Gbit/s et 600 Les produits Gbps arrivent progressivement sur le marché.
La technologie de communication optique est une partie importante de la construction du réseau de communication mobile de cinquième génération, et le modulateur électro-optique en niobate de lithium, comme périphérique central, inaugurera également un plus grand développement.
(3) Puce photonique intégrée
Les photons ont été largement utilisés dans les communications à haute capacité, stockage optique, transmission d'informations, traitement d'informations, détection et autres domaines. Comme le développement de l'électronique des composants discrets aux circuits intégrés, les exigences de la miniaturisation, l'intégration, Basse consommation énergétique, modularisation, l'intelligence et la haute fiabilité des dispositifs photoniques sont de plus en plus élevées. Remplace les optiques discrètes.
Le développement des puces photoniques intégrées à ses débuts était principalement motivé par la demande de communication optique, et des recherches ont été menées autour de la photonique à base de silicium et de l'intégration à base de phosphure d'indium.
Les puces photoniques intégrées à base de silicium se sont développées rapidement en raison de l'énorme matériau semi-conducteur mature et du système de technologie de processus, mais la technologie de préparation au laser à base de silicium a toujours été une lacune, et repose actuellement sur une intégration mixte avec du phosphure d'indium; Certaines puces photoniques intégrées au phosphure d'indium ont été commercialisées, et leurs performances sont meilleures que les puces photoniques intégrées à base de silicium, mais ils manquent d'une plate-forme de processus générale comme le silicium, et la technologie du processus est complexe et coûteuse.
Recherche en photonique intégrée à base de niobate de lithium, qui est motivée par la demande de communication optique, se concentre principalement sur les modulateurs de lumière d'interférence Mach-Zehnder, modulateurs de phase, et commutateurs optiques intégrés.
En plus de la demande de photonique intégrée dans le domaine de la communication optique, la demande future pour le traitement de l'information quantique optique basé sur la photonique, informatique optique, biodétection, détection d'imagerie, traitement de signal, stockage, 3Affichage D, etc.. Le schéma d'intégration hybride est difficile à appliquer.
Du point de vue du développement d'une seule technologie, presque tous les composants photoniques ont été réalisés à base de cristaux de niobate de lithium, comprenant:
- Lasers à verrouillage de mode, Lasers à commutation Q et amplificateurs optiques réalisés par dopage aux terres rares;
- Guides d'ondes optiques réalisés par diffusion de titane et échange de protons, ainsi que des commutateurs optiques intégrés, croisements optiques, couplages optiques, et détection de photon unique;
- Intensité, modulation de phase et de polarisation, détection de front d'onde et sélection d'impulsion optique, etc., réalisé par effet électro-optique;
- Conversion de fréquence optique et génération de photons intriqués quantiques réalisées par des effets optiques non linéaires;
- Caillebotis, stockage holographique, conjugueurs de phase, modulateurs spatiaux de lumière, etc.. réalisé par effet photoréfractif;
- Nouveaux dispositifs tels que les portes logiques tout optiques, demi additionneurs, et des peignes de fréquence élaborés à partir de cristaux photoniques de niobate de lithium et de microcavités optiques de niobate de lithium;
- La conversion mutuelle et le sentiment de force, Chauffer, la lumière et d'autres signaux sont réalisés par effet piézoélectrique, effet pyroélectrique, et effet photoélastique.
Dans le système de matériaux optoélectroniques actuellement développé, il est rare de développer autant de composants optiques de base, dispositifs photoniques et dispositifs optoélectroniques basés sur le même matériau hôte. Cela rend également les gens pleins d'attentes quant au fait que les cristaux de niobate de lithium joueront un rôle plus important dans le développement de puces photoniques intégrées à l'avenir..
Structure micro-nano ultra-surface préparée par des cristaux de niobate de lithium (La source: Université de Nankai)
Les cristaux de niobate de lithium intègrent une variété de propriétés optoélectroniques et peuvent répondre aux exigences de performances pratiques, qui sont très rares dans les matériaux optoélectroniques. Avec le développement et l'amélioration des technologies de base telles que la théorie, préparation et application de puces photoniques intégrées à cristaux de niobate de lithium, le cristal de niobate de lithium est devenu un “silicium optique” matériau à l'ère photonique, fournir une base stratégique pour le développement de la photonique intégrée.
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