लिथियम नियोबेट क्रिस्टल, एकल क्रिस्टल पतली फिल्म, और फोटोनिक चिप उद्योग में उनका भविष्य विकास।

लिथियम नियोबेट क्रिस्टल, एकल क्रिस्टल पतली फिल्म, और फोटोनिक चिप उद्योग में उनका भविष्य विकास।

5जी/6जी संचार प्रौद्योगिकी, बिग डेटा और कृत्रिम बुद्धि जैसे अनुप्रयोगों के तेजी से विकास के साथ, अगली पीढ़ी के फोटॉनिक चिप्स की मांग बढ़ रही हैलिथियम निओबेट क्रिस्टल, अपने उत्कृष्ट इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल, गैर-रैखिक ऑप्टिकल, और पिज़ोइलेक्ट्रिक गुणों के साथ, फोटॉनिक चिप्स के लिए मुख्य सामग्री बन गए हैं और उन्हें फोटॉनिक युग का "ऑप्टिकल सिलिकॉन" के रूप में जाना जाता है।हाल के वर्षों में, लिथियम निओबेट एकल क्रिस्टल पतली फिल्मों और उपकरण प्रसंस्करण प्रौद्योगिकियों की तैयारी में सफलता मिली है, जो छोटे आकार जैसे फायदे प्रदर्शित करते हैं,उच्च समावेशन, अल्ट्राफास्ट इलेक्ट्रो-ऑप्टिक प्रभाव, व्यापक बैंडविड्थ और कम बिजली की खपत। ये विशेषताएं उच्च गति इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्यूलेटर जैसे क्षेत्रों में व्यापक अनुप्रयोग संभावनाएं प्रदान करती हैं,एकीकृत प्रकाशिकी, और क्वांटम ऑप्टिक्स।

इस लेख में ऑप्टिकल ग्रेड लिथियम निओबेट क्रिस्टल, एकल क्रिस्टल पतली फिल्म तैयारी प्रौद्योगिकियों के घरेलू और अंतर्राष्ट्रीय अनुसंधान और विकास प्रगति का परिचय दिया गया है।और संबंधित नीतियां, साथ ही फोटॉनिक चिप्स, एकीकृत ऑप्टिकल प्लेटफार्मों और क्वांटम ऑप्टिकल उपकरणों में उनके नवीनतम अनुप्रयोगों का विश्लेषण करता है।लिथियम निओबेट क्रिस्टाl- पतली फिल्म-उपकरण उद्योग श्रृंखला और भविष्य के विकास के लिए सुझाव प्रदान करता है।लिथियम निओबेट एकल क्रिस्टल पतली फिल्मों और लिथियम निओबेट आधारित ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के क्षेत्र में चीन अंतरराष्ट्रीय उन्नत स्तर के बराबर है।उच्च गुणवत्ता वाले लिथियम नियोबेट क्रिस्टल सामग्री के औद्योगीकरण में अभी भी एक महत्वपूर्ण अंतर है।चीन में पूरी तरह से लिथियम निओबेट औद्योगिक क्लस्टर बनने की उम्मीद है।, सामग्री की तैयारी से लेकर उपकरण के डिजाइन, निर्माण और अनुप्रयोग तक।

लिथियम नियोबेट पतली फिल्म अगली पीढ़ी के बहुआयामी एकीकृत फोटोनिक सूचना प्रसंस्करण चिप सब्सट्रेट के लिए एक महत्वपूर्ण उम्मीदवार सामग्री बन गई है।लिथियम नियोबेट क्रिस्टल सामग्री पर आधारित ऑप्टिकल मॉड्यूलेटर के लिए बाजार क्षमता का अनुमान $36 तक पहुंचने का अनुमान है2026 तक.7 बिलियन। सिलिकॉन फोटोनिक मॉड्यूलेटर और इंडियम फॉस्फिड मॉड्यूलेटर की तुलना में, पतली फिल्म लिथियम निओबेट मॉड्यूलेटर उच्च बैंडविड्थ, कम सम्मिलन हानि,कम बिजली की खपतवे लघुकरण को भी सक्षम करते हैं, छोटे सुसंगत ऑप्टिकल मॉड्यूल और डेटा संचार के लिए ऑप्टिकल मॉड्यूल की बढ़ती मांग को पूरा करते हैं।चीन ने क्रिस्टल सामग्री पर स्वतंत्र नियंत्रण हासिल किया हैवर्तमान में कई घरेलू निर्माताओं ने 800 जीबीपीएस पतली फिल्म लिथियम नियोबेट ऑप्टिकल मॉड्यूल समाधान जारी किए हैं,जो ग्राहक पहले से ही संबंधित उत्पादों का परीक्षण कर रहे हैं1.6 टी ऑप्टिकल मॉड्यूल के अनुप्रयोगों के फायदे भविष्य में अधिक प्रमुख हो जाएंगे।

1.लिथियम नियोबेट क्रिस्टल और एकल क्रिस्टल पतली फिल्मों पर अनुसंधान प्रगति

लिथियम निओबेट एकल क्रिस्टल के भौतिक और रासायनिक गुण काफी हद तक [Li]/[Nb] अनुपात और अशुद्धियों पर निर्भर करते हैं।लिथियम निओबेट (CLN) क्रिस्टल, जिनकी संरचना समान है, उनमें लिथियम की कमी है, जिसमें बड़ी संख्या में लिथियम रिक्त स्थान (VLi) और एंटी-साइट निओबियम (Nb) बिंदु दोष हैं। स्टोइकिओमेट्रिक लिथियम निओबेट (SLN) क्रिस्टल,एक [Li]/[Nb] अनुपात के साथ 1 के करीब:1लिथियम निओबेट एकल क्रिस्टल को ध्वनिक और ऑप्टिकल ग्रेड सामग्री में वर्गीकृत किया जाता है।लिथियम निओबेट क्रिस्टल की वृद्धि में लगे प्रासंगिक संस्थान तालिका 1 में दिखाए गए हैं।, जिसमें जापानी कंपनियां ऑप्टिकल ग्रेड लिथियम नियोबेट के विकास में मुख्य योगदानकर्ता हैं।ऑप्टिकल ग्रेड लिथियम नियोबेट वेफर्स की घरेलू उत्पादन दर 5% से कम है, जिससे यह आयात पर काफी निर्भर है।

जापानी कंपनी यामामोटो सेरेमिक्स ने 8 इंच के लिथियम निओबेट क्रिस्टल और वेफर्स (चित्र 1 ((a)) को सफलतापूर्वक औद्योगीकृत किया है। घरेलू स्तर पर, तियानटोंग होल्डिंग्स कं, लिमिटेड।(तियानटोंग) और चीन इलेक्ट्रॉनिक्स टेक्नोलॉजी डेकिंग हुआयिंग इलेक्ट्रॉनिक्स कं., लिमिटेड (डेकिंग हुआयिंग) दोनों ने क्रमशः 2000 और 2019 में 8 इंच के लिथियम निओबेट क्रिस्टल और वेफर्स तैयार किए, लेकिन उन्होंने अभी तक औद्योगिक बड़े पैमाने पर उत्पादन हासिल नहीं किया है।स्टोकिओमेट्रिक और ऑप्टिकल ग्रेड लिथियम निओबेट के संदर्भ में, घरेलू लिथियम नियोबेट क्रिस्टल विकास कंपनियों और जापानी कंपनियों के बीच लगभग 20 साल का तकनीकी अंतर बना हुआ है।चीन में उच्च गुणवत्ता वाले ऑप्टिकल ग्रेड लिथियम निओबेट क्रिस्टल के विकास सिद्धांत और प्रक्रिया प्रौद्योगिकी में सफलता प्राप्त करने की तत्काल आवश्यकता है।.

लिथियम नियोबेट फोटोनिक संरचनाओं, फोटोनिक चिप्स और उपकरणों में अंतर्राष्ट्रीय सफलताएं काफी हद तक लिथियम नियोबेट पतली फिल्म सामग्री के विकास और औद्योगिकीकरण के लिए जिम्मेदार हैं।हालांकि, लिथियम निओबेट एकल क्रिस्टल की भंगुरता के कारण, नैनोमीटर रेंज (100-2,000 एनएम) में मोटाई के साथ कम दोष, उच्च गुणवत्ता वाली पतली फिल्म तैयार करना बहुत चुनौतीपूर्ण है।आयन प्रत्यारोपण और प्रत्यक्ष बंधन प्रौद्योगिकियां नैनोमीटर मोटी लिथियम निओबेट एकल क्रिस्टल पतली फिल्मों में थोक एकल क्रिस्टल को अलग करने की अनुमति देती हैंवर्तमान में, दुनिया भर में केवल कुछ ही कंपनियां, जिनमें जिनान जिंगज़ेंग, फ्रांस की सोइटेक एसए और जापान की क्योसेरा कॉर्पोरेशन शामिल हैं,लिथियम नियोबेट एकल क्रिस्टल पतली फिल्मों के उत्पादन प्रौद्योगिकी में महारत हासिल की हैजिनान जिंझेंग ने आयन बीम स्लाइसिंग और डायरेक्ट बॉन्डिंग कोर टेक्नोलॉजी का प्रयोग करते हुए इन प्रक्रियाओं का औद्योगीकरण किया।लिथियम निओबेट पतली फिल्मों (नैनोएलएन) का विश्व में अग्रणी ब्रांड बनाना, जो लिथियम नियोबेट पतली फिल्म उपकरणों में वैश्विक बुनियादी अनुसंधान और अनुसंधान एवं विकास के 90% से अधिक का समर्थन करता है। 2023 में, जिनान जिंगज़ेंग ने 8 इंच की ऑप्टिकल ग्रेड लिथियम नियोबेट पतली फिल्मों (चित्र 1 ((b)),उद्योग में पहली कंपनी बनने के लिए 8 इंच एक्स-अक्ष लिथियम niobate क्रिस्टल से लिथियम niobate पतली फिल्मों का उत्पादनजिनान जिंगझेंग की उत्पाद श्रृंखला के प्रमुख संकेतकों, जिनमें भौतिक प्रदर्शन, मोटाई एकरूपता, दोष दमन और उन्मूलन शामिल हैं, अंतरराष्ट्रीय मानकों के सबसे आगे हैं।

2.लिथियम नियोबेट के उन्नत अनुप्रयोग

पारंपरिक लिथियम नियोबेट एकल क्रिस्टल सामग्री की तुलना में, पतली फिल्म लिथियम नियोबेट छोटे आकार, कम लागत, उच्च एकीकरण,और तापमान और विद्युत क्षेत्र की स्थितियों की एक व्यापक रेंज के तहत स्थिर रूप से काम करने की क्षमताये फायदे इसे 5जी संचार, क्वांटम कंप्यूटिंग, फाइबर ऑप्टिक संचार और सेंसर जैसे क्षेत्रों में अत्यधिक लागू करते हैं।विशेष रूप से विद्युत-ऑप्टिक मॉड्यूलेशन में, ऑप्टिकल सिग्नल प्रोसेसिंग और हाई स्पीड डेटा ट्रांसमिशन (टेबल 1) ।

2.1 उच्च गति इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्यूलेटर लिथियम नियोबेट मॉड्यूलेटर

उच्च गति, कम बिजली की खपत और उच्च संकेत-शोर अनुपात के अपने लाभों के साथ, अल्ट्रा-हाई-स्पीड बैकबोन ऑप्टिकल संचार नेटवर्क में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं,पनडुब्बी ऑप्टिकल संचार नेटवर्कप्रमुख प्रौद्योगिकियां जैसे कि बड़े आकार की फोटोलिथोग्राफी, अल्ट्रा-लो-लॉस वेवगाइड निर्माण,और विषम एकीकरण ने पतली फिल्म लिथियम नियोबेट मॉड्यूलेटर के विकास को प्रेरित किया है, जो उन्हें 800 जीबीपीएस और 1.6 टी उच्च गति वाले ऑप्टिकल मॉड्यूल अनुप्रयोगों का समर्थन करने में सक्षम बनाता है।पतली फिल्म वाले लिथियम निओबेट में असाधारण विशेषताएं हैं जैसे कि अति-उच्च बैंडविड्थ, कम बिजली की खपत, कम हानि, छोटे आकार, और वेफर स्तर के बड़े पैमाने पर उत्पादन को प्राप्त करने की क्षमता, इसे इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्यूलेटर के लिए एक आदर्श सामग्री बनाती है।पतली फिल्म लिथियम नियोबेट मॉड्यूलेटर के लिए वैश्विक बाजार लगातार बढ़ रहा है2029 तक वैश्विक बाजार का आकार 2 बिलियन डॉलर तक पहुंचने की उम्मीद है, जिसमें 41.0% की संयुग्मित वार्षिक वृद्धि दर है।

अंतरराष्ट्रीय स्तर पर, a research team from Harvard University successfully developed a 100 GHz bandwidth complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS)-compatible integrated Mach-Zehnder interferometer (MZI) electro-optic modulator in 2018, जबकि फुजीत् सु ऑप्टिकल डिवाइस लिमिटेड ने 2021 में दुनिया का पहला वाणिज्यिक 200 जीबाउड पतली फिल्म लिथियम निओबेट मॉड्यूलेटर लॉन्च किया। चीन में भी महत्वपूर्ण प्रगति हुई है।

2.2 लिथियम नियोबेट एकीकृत ऑप्टिकल प्लेटफार्म

लिथियम नियोबेट एकीकृत ऑप्टिकल प्लेटफॉर्म पर, आवृत्ति कंघी से लेकर आवृत्ति कनवर्टर और मॉड्यूलेटर तक के अनुप्रयोगों को प्राप्त किया गया है।लीथियम नियोबेट चिप्स पर लेजर को एकीकृत करना एक महत्वपूर्ण चुनौती बनी हुई है2022 में, हार्वर्ड विश्वविद्यालय से एक शोध टीम, हाइपरलाइट और फ्रीडम फोटोनिक्स के सहयोग से,सफलतापूर्वक चिप-स्तर के फेमटोसेकंड पल्स स्रोत और लिथियम नियोबेट चिप पर दुनिया का पहला पूरी तरह से एकीकृत उच्च-शक्ति वाला लेजर प्रदर्शित किया (चित्र 2))ये लिथियम नियोबेट चिप लेजर उच्च प्रदर्शन, प्लग-एंड-प्ले लेजर के साथ एकीकृत हैं, जो लागत, जटिलता,भविष्य के संचार प्रणालियों की बिजली की खपतइन्हें बड़ी ऑप्टिकल प्रणालियों में भी एकीकृत किया जा सकता है और सेंसर, परमाणु घड़ी, लीडर, क्वांटम सूचना और डेटा दूरसंचार जैसे क्षेत्रों में व्यापक अनुप्रयोग हैं।संकीर्ण रेखा चौड़ाई वाले एकीकृत लेजरों का आगे विकास, उच्च स्थिरता, और उच्च गति समायोज्य आवृत्ति क्षमताओं भी उद्योग में एक महत्वपूर्ण मांग है। 2023 में, ईटीएच ज्यूरिख और आईबीएम के शोधकर्ताओं ने कम नुकसान, संकीर्ण लाइन चौड़ाई,उच्च-मॉड्यूलेशन दर, एक लिथियम निओबेट-सिलिकॉन नाइट्राइड विषम एकीकृत ऑप्टिकल प्लेटफॉर्म पर स्थिर लेजर आउटपुट, लगभग 10 GHz की दोहराव दर के साथ, 1,065 एनएम पर 4.8 पीएस ऑप्टिकल पल्स,ऊर्जा 2 से अधिक.6 पीजे और 0.5 वाट से अधिक पीक पावर

संयुक्त राज्य अमेरिका के राष्ट्रीय मानक और प्रौद्योगिकी संस्थान (एनआईएसटी) के शोधकर्ताओं ने,मल्टी सेगमेंट नैनोफोटोनिक एकीकृत पतली फिल्म लिथियम नियोबेट वेवगाइड के परिचय पर आधारित, सफलतापूर्वक एक निरंतर आवृत्ति कंघी स्पेक्ट्रम पराबैंगनी से दृश्यमान स्पेक्ट्रम तक फैलने वाले इंजीनियरिंग फैलाव और chirped अर्ध-चरण मिलान को मिलाकर उत्पन्न किया। The research team from City University of Hong Kong developed an integrated lithium niobate microwave photonic chip that can use optics for ultrafast simulation of electronic signal processing and computation, पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक प्रोसेसर की तुलना में 1,000 गुना तेज गति प्राप्त करने के लिए, 67 GHz अल्ट्रा-वाइड प्रोसेसिंग बैंडविड्थ और उत्कृष्ट गणना सटीकता के साथ।नानकाई विश्वविद्यालय और हांगकांग सिटी विश्वविद्यालय के बीच सहयोग से दुनिया के पहले एकीकृत पतली फिल्म लिथियम निओबेट फोटोनिक मिलीमीटर तरंग रडार का सफल विकास हुआ।, एक 4 इंच पतली फिल्म लिथियम niobate मंच पर आधारित है, सेंटीमीटर स्तर दूरी और गति का पता लगाने के संकल्प में सफलता हासिल की,साथ ही विपरित सिंथेटिक एपर्चर रडार (ISAR) दो आयामी इमेजिंग (चित्र 2 ((b))पारंपरिक मिलीमीटर तरंग रडारों को आमतौर पर एक साथ काम करने के लिए कई अलग-अलग घटकों की आवश्यकता होती है, लेकिन ऑन-चिप एकीकरण प्रौद्योगिकी के माध्यम से,रडार के सभी मुख्य कार्य एक एकल 15 मिमी × 1 में एकीकृत हैं.5 मिमी × 0.5 मिमी चिप, सिस्टम जटिलता को काफी कम करती है। इस तकनीक को 6 जी युग के वाहन रडार, हवाई रडार और स्मार्ट होम सिस्टम जैसे क्षेत्रों में लागू किया जाएगा।

2.3 क्वांटम ऑप्टिकल अनुप्रयोगों ने पतली फिल्म लिथियम नियोबेट पर विभिन्न कार्यात्मक उपकरणों को एकीकृत किया है

जैसे उलझे हुए प्रकाश स्रोत, इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्यूलेटर, वेवगाइड बीम स्प्लिटर आदि।यह एकीकृत डिजाइन ऑन-चिप ऑप्टिकल क्वांटम राज्यों के कुशल उत्पादन और उच्च गति वाले हेरफेर को सक्षम करता है, क्वांटम चिप्स की कार्यक्षमता और शक्ति को बढ़ाकर क्वांटम सूचना प्रसंस्करण और संचरण के लिए अधिक कुशल समाधान प्रदान करता है।स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने हीरे और लिथियम नियोबेट को एक ही चिप में मिलाया, जहां हीरे की आणविक संरचना में हेरफेर करना आसान है और इसमें निश्चित क्वांटम बिट्स हो सकते हैं, जबकि लिथियम निओबेट इसके माध्यम से गुजरने वाली प्रकाश की आवृत्ति को बदल सकता है,ऑप्टिकल मॉड्यूलेशन के लिए अनुमति देता हैयह सामग्री संयोजन क्वांटम चिप्स के प्रदर्शन में सुधार और कार्यक्षमता का विस्तार करने के लिए नए विचार प्रदान करता है।संपीड़ित ऑप्टिकल क्वांटम अवस्थाओं का सृजन और हेरफेर क्वांटम उन्नत प्रौद्योगिकियों का मूल आधार हैकैलाटेक के एक शोध दल ने लिथियम नियोबेट पर आधारित एक एकीकृत नैनोफोटोनिक्स प्लेटफॉर्म सफलतापूर्वक विकसित किया है।एक ही ऑप्टिकल चिप पर संपीड़ित अवस्थाओं के उत्पादन और माप को सक्षम करना. This technique for preparing and characterizing sub-optical period compressed states in the nanophotonics system provides an important technological path for the development of scalable quantum information systems.

3、विकास के रुझान और चुनौतियां: कृत्रिम बुद्धि और बड़े मॉडल के विकास के साथ

लिथियम नियोबेट के भविष्य के विकास के बिंदु मुख्य रूप से उच्च अंत ऑप्टिकल चिप क्षेत्र पर केंद्रित होंगे (तालिका 5) ।विशेष रूप से उच्च गति ऑप्टिकल मॉड्यूलेटर जैसे कोर ऑप्टिकल चिप प्रौद्योगिकियों में सफलताओं सहित, लेजर और डिटेक्टर; उपकरण के प्रदर्शन को बढ़ाने के लिए ऑप्टिकल चिप्स में पतली फिल्म लिथियम निओबेट के अनुप्रयोग को बढ़ावा देना;उच्च गुणवत्ता वाली फिल्मों के बड़े पैमाने पर उत्पादन को प्राप्त करने के लिए लिथियम निओबेट पतली फिल्म निर्माण प्रौद्योगिकियों के अनुसंधान और विकास को मजबूत करना; और लागत को कम करने के लिए सिलिकॉन आधारित ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के साथ पतली फिल्म लिथियम निओबेट के एकीकरण को बढ़ावा देना।

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