3 minuti per capire il cristallo di niobato di litio (2)
Principali applicazioni dei cristalli di niobato di litio
(1) Applicazione piezoelettrica
Il cristallo di niobato di litio ha un'elevata temperatura di Curie, piccolo coefficiente di temperatura dell'effetto piezoelettrico, elevato coefficiente di accoppiamento elettromeccanico, bassa perdita dielettrica, proprietà fisiche e chimiche stabili del cristallo, buone prestazioni di elaborazione, e cristalli facili da preparare di grandi dimensioni e di alta qualità. È un eccellente materiale di cristallo piezoelettrico.
Rispetto al quarzo piezoelettrico comunemente usato, il cristallo di niobato di litio ha un'elevata velocità del suono, che può preparare dispositivi ad alta frequenza.
Perciò, i cristalli di niobato di litio possono essere utilizzati nei risonatori, trasduttori, linee di ritardo, filtri, eccetera., e in settori civili come le comunicazioni mobili, comunicazioni satellitari, elaborazione del segnale digitale, televisione, trasmissione, radar, telerilevamento e telemetria, nonché contromisure elettroniche, spolette, guida e altri campi militari, uno dei più utilizzati è il filtro per onde acustiche di superficie (SAWF).
2.4 Filtro acustico di superficie GHz (SEGA) sulla sinistra; piccolo duplexer SAW a destra
(2) Applicazioni ottiche
Oltre all'effetto piezoelettrico, l'effetto fotoelettrico del cristallo di niobato di litio è molto ricco, tra cui l'effetto elettro-ottico e l'effetto ottico non lineare hanno prestazioni eccezionali e sono anche i più utilizzati.
Inoltre, i cristalli di niobato di litio possono preparare guide d'onda ottiche di alta qualità attraverso lo scambio di protoni o la diffusione del titanio, e può anche preparare cristalli periodicamente polarizzati attraverso l'inversione di polarizzazione.
Perciò, è stato ampiamente utilizzato nei modulatori elettro-ottici, modulatori di fase, interruttori ottici integrati, Q-switch elettro-ottici, deflessione elettro-ottica, sensori ad alta tensione, rilevamento del fronte d'onda, oscillatori ottici parametrici, e superreticoli ferroelettrici.
Inoltre, applicazioni basate su cristalli di niobato di litio come cunei birifrangenti, ottica olografica, rivelatori piroelettrici a infrarossi, e sono stati segnalati anche laser a guida d'onda drogati con erbio.
Modulatore elettro-ottico al niobato di litio
(3) Superreticoli dielettrici
In 1962, Armstrong et al.. proposto per primo il concetto di Quasi-Phase-Match (QPM, Quasi-fase-match), che utilizza il vettore reticolo invertito fornito dal superreticolo per compensare il disadattamento di fase nel processo parametrico ottico.
La direzione di polarizzazione del ferroelettrico determina il segno della polarizzabilità non lineare χ2. La struttura del dominio ferroelettrico con la direzione di polarizzazione periodica opposta può essere preparata nel ferroelettrico per realizzare la tecnologia di adattamento quasi-fase, compresi niobato di litio e tantalato di litio, potassio titanilfosfato e altri cristalli possono essere preparati cristalli periodicamente polarizzati, tra loro, Il cristallo di niobato di litio è il materiale più antico e più utilizzato nella preparazione e applicazione di questa tecnologia.
L'applicazione iniziale di cristalli di niobato di litio periodicamente polarizzati è considerata principalmente applicata alla conversione della frequenza laser. In 2014, Jin et al. ha progettato un chip fotonico integrato a superreticolo ottico basato su un percorso ottico riconfigurabile in guida d'onda al niobato di litio, e ha realizzato per la prima volta l'efficiente generazione di fotoni entangled e la modulazione elettro-ottica ad alta velocità sul chip.
Si può dire che la proposta e lo sviluppo della teoria del superreticolo dielettrico ha spinto l'applicazione del niobato di litio e di altri cristalli ferroelettrici a un nuovo livello. Ha importanti prospettive applicative nei laser a stato solido, pettini di frequenza ottica, compressione dell'impulso laser, sagomatura del fascio, e sorgenti luminose entangled nelle comunicazioni quantistiche.
Prospettiva del cristallo di niobato di litio
(1) Applicazione acustica
L'attuale rete di comunicazione mobile di quinta generazione (5G) l'implementazione include la banda di frequenza sub-6G di 3 ~ 5 GHz e la banda di frequenza dell'onda millimetrica sopra 24 GHz. L'aumento della frequenza di comunicazione non solo richiede che le proprietà piezoelettriche dei materiali cristallini possano essere soddisfatte, ma richiede anche wafer più sottili e una minore spaziatura tra gli elettrodi interdigitali, e il processo di fabbricazione dei dispositivi è fortemente sfidato.
Perciò, nell'era del 4G e prima, i filtri acustici di superficie ampiamente utilizzati nei cristalli di niobato di litio e nei cristalli di tantalato di litio stanno affrontando la concorrenza dei dispositivi a onde acustiche sfuse (BAW) e risonatori acustici con cavità a film sottile (FBAR) nell'era del 5G. .
I cristalli di niobato di litio hanno fatto rapidi progressi nei filtri a frequenza più alta, e i materiali e le tecniche di fabbricazione dei dispositivi mostrano ancora un grande potenziale. Con lo sviluppo di materiali a film sottile a cristallo singolo di niobato di litio e nuove tecnologie di dispositivi acustici, come uno dei dispositivi principali delle future comunicazioni 5G, i filtri RF front-end basati su cristalli di niobato di litio hanno importanti prospettive applicative.
(2) Applicazioni di comunicazione ottica
I modulatori ottici sono i componenti chiave delle reti di comunicazione ottica ad alta velocità. I requisiti futuri per i modulatori elettro-ottici al niobato di litio includono velocità di modulazione più elevate, miniaturizzazione e integrazione.
Attualmente, sono principalmente i modulatori elettro-ottici al niobato di litio utilizzati nelle applicazioni commerciali 40/100 Gbps, e sono stati sviluppati modulatori di niobato di litio a velocità più elevata. Per esempio, In 2017, Fujitsu ha rilasciato un 600 Modulatore elettro-ottico al niobato di litio Gbps. Attualmente, 400 Gbps e 600 I prodotti Gbps stanno gradualmente entrando nel mercato.
La tecnologia di comunicazione ottica è una parte importante della costruzione della rete di comunicazione mobile di quinta generazione, e il modulatore elettro-ottico al niobato di litio, come dispositivo principale, introdurrà anche un maggiore sviluppo.
(3) Chip fotonico integrato
I fotoni sono stati ampiamente utilizzati nella comunicazione ad alta capacità, memoria ottica, trasmissione di informazioni, elaborazione delle informazioni, rilevamento e altri campi. Come lo sviluppo dell'elettronica dai componenti discreti ai circuiti integrati, i requisiti per la miniaturizzazione, integrazione, basso consumo energetico, modularizzazione, l'intelligenza e l'elevata affidabilità dei dispositivi fotonici stanno diventando sempre più elevate. Sostituisce l'ottica discreta.
Lo sviluppo di chip fotonici integrati nella fase iniziale è stato principalmente guidato dalla domanda di comunicazione ottica, e sono state condotte ricerche sulla fotonica a base di silicio e sull'integrazione a base di fosfuro di indio.
I chip integrati fotonici a base di silicio si sono sviluppati rapidamente a causa dell'enorme materiale semiconduttore maturo e del sistema tecnologico di processo, ma la tecnologia di preparazione laser a base di silicio è sempre stata una lacuna, e attualmente si basa sull'integrazione mista con fosfuro di indio; Sono stati commercializzati alcuni chip fotonici integrati con fosfuro di indio, e le loro prestazioni sono migliori dei chip integrati fotonici a base di silicio, ma mancano di una piattaforma di processo generale come il silicio, e la tecnologia di processo è complessa e costosa.
Ricerca sulla fotonica integrata basata sul niobato di litio, che è guidato dalla domanda di comunicazione ottica, si concentra principalmente sui modulatori di luce di interferenza Mach-Zehnder, modulatori di fase, e interruttori ottici integrati.
Oltre alla domanda di fotonica integrata nel campo della comunicazione ottica, la domanda futura di elaborazione di informazioni quantistiche ottiche basate sulla fotonica, calcolo ottico, biorilevamento, rilevamento delle immagini, elaborazione del segnale, Conservazione, 3visualizzazione D, eccetera. Lo schema di integrazione ibrida è difficile da applicare.
Dal punto di vista dello sviluppo tecnologico unico, quasi tutti i componenti fotonici sono stati realizzati a base di cristalli di niobato di litio, Compreso:
- Laser con modalità bloccata, Laser Q-switched e amplificatori ottici realizzati mediante drogaggio di terre rare;
- Guide d'onda ottiche realizzate mediante diffusione del titanio e scambio di protoni, così come interruttori ottici integrati, crossover ottici, accoppiamenti ottici, e rilevamento di un singolo fotone;
- Intensità, modulazione di fase e di polarizzazione, rilevamento del fronte d'onda e selezione dell'impulso ottico, eccetera., realizzato per effetto elettro-ottico;
- Conversione ottica di frequenza e generazione di fotoni quantistici entangled realizzata mediante effetti ottici non lineari;
- Grate, archiviazione olografica, coniugatori di fase, modulatori di luce spaziale, eccetera. realizzato per effetto fotorifrangente;
- Nuovi dispositivi come porte logiche completamente ottiche, mezzi sommatori, e pettini di frequenza sviluppati da cristalli fotonici di niobato di litio e microcavità ottiche di niobato di litio;
- La mutua conversione e il senso della forza, calore, la luce e altri segnali sono realizzati attraverso l'effetto piezoelettrico, effetto piroelettrico, ed effetto fotoelastico.
Nel sistema di materiale optoelettronico attualmente sviluppato, è raro sviluppare così tanti componenti ottici di base, dispositivi fotonici e dispositivi optoelettronici basati sullo stesso materiale ospite. Ciò rende anche le persone piene di aspettative sul fatto che i cristalli di niobato di litio svolgeranno un ruolo più importante nello sviluppo di chip fotonici integrati in futuro.
Struttura micro-nano ultrasuperficiale preparata da cristalli di niobato di litio (fonte: Università di Nanchino)
I cristalli di niobato di litio integrano una varietà di proprietà optoelettroniche e possono soddisfare requisiti di prestazioni pratiche, che sono molto rari nei materiali optoelettronici. Con lo sviluppo e il miglioramento delle tecnologie di base come la teoria, preparazione e applicazione di chip fotonici integrati con cristalli di niobato di litio, il cristallo di niobato di litio è diventato un “silicio ottico” materiale nell'era fotonica, fornendo una base strategica per lo sviluppo della fotonica integrata.
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