Поскольку центры обработки данных искусственного интеллекта (ИИ) продолжают масштабироваться, а требования к пропускной способности сети быстро растут, индустрия оптической связи выходит за рамки эпохи 800G и переходит к оптическим модулям 1,6T, 3,2T и даже 6,4T. В ходе этого перехода традиционные технологии кремниевой фотоники сталкиваются с ограничениями в полосе пропускания, энергоэффективности и производительности модуляции.

Среди новых решений,Тонкопленочный ниобат лития (TFLN)привлек значительное внимание благодаря своим исключительным электрооптическим свойствам. Ожидается, что TFLN, широко известная как одна из наиболее многообещающих платформ для фотонных интегральных схем (PIC) следующего поколения, сыграет решающую роль в высокоскоростных оптических модулях, кластерах искусственного интеллекта и архитектурах совместной оптики (CPO).

Сегодня отрасль вступает в решающий этап, когда TFLN переходит от высокопроизводительной лабораторной технологии к крупномасштабному коммерческому внедрению.

Что такое тонкопленочный ниобат лития?

Ниобат лития (LiNbO₃) уже давно признан одним из наиболее важных электрооптических материалов в оптической связи. Обычные модуляторы из ниобата лития широко используются в системах когерентной оптической передачи данных на большие расстояния благодаря своим превосходным характеристикам модуляции.

Однако традиционные устройства из ниобата лития относительно велики, и их трудно интегрировать в компактные фотонные схемы.

Технология тонкопленочного ниобата лития устраняет эти ограничения путем переноса слоя ниобата лития нанометрового размера на изолирующую подложку с помощью передовых процессов, таких как ионная нарезка, соединение пластин и прецизионная полировка. Эта структура, широко известная какНиобат лития на изоляторе (LNOI), сочетает в себе превосходные электрооптические свойства ниобата лития с масштабируемостью производства полупроводников.

По сравнению с обычными фотонными платформами TFLN предлагает ряд преимуществ:

• Чрезвычайно высокий электрооптический коэффициент
• Сверхнизкие потери оптического распространения
• Полоса пропускания более 100 ГГц
• Низкое энергопотребление
• Компактный размер устройства
• Совместимость с фотонной интеграцией
• Поддержка будущих оптических сетей 3,2T и 6,4T.

Эти преимущества делают TFLN ведущим кандидатом на разработку технологий оптических межсоединений следующего поколения.

Основные проблемы, стоящие на пути коммерциализации TFLN

Несмотря на выдающиеся характеристики, TFLN по-прежнему сталкивается с рядом технических и производственных проблем, прежде чем достигнет широкого распространения.

1. Производство пластин большого диаметра.

Основой отрасли TFLN является производство высококачественных пластин LNOI.

В настоящее время в коммерческом производстве доминируют 4-дюймовые и 6-дюймовые пластины, а 8-дюймовые пластины вступают в раннюю стадию индустриализации. Также ведутся исследования 12-дюймовых пластин.

Однако масштабирование размера пластины создает серьезные производственные проблемы:

• Поддержание однородности толщины пленки
• Устранение дефектов интерфейса склеивания
• Контроль деформации пластины
• Управление присущей ниобату лития хрупкостью
• Обеспечение стабильной крупномасштабной урожайности

В результате глобальные производственные мощности для высококачественных пластин LNOI остаются ограниченными, что создает препятствия для расширения отрасли.

2. Чрезвычайно высокие требования к нанотехнологиям

Устройства TFLN основаны на оптических волноводах нанометрового размера и высокочастотных электродных структурах.

Изготовление этих устройств требует:

• Расширенная литография
• Прецизионное сухое травление
• Оптимизация боковой стенки волновода
• Изготовление высокочастотных радиочастотных электродов
• Сверхточное управление процессом

Даже незначительные изменения в размерах волновода могут существенно повлиять на:

• Оптические вносимые потери
• Эффективность модуляции
• Пропускная способность устройства
• Выход производства

Более того, одновременное достижение волноводов с низкими потерями и высокими частотными характеристиками остается серьезной инженерной задачей.

3. Гетерогенная интеграционная сложность.

Будущее оптических межсоединений, скорее всего, будет зависеть от гетерогенной интеграции, а не от единой материальной платформы.

Типичная архитектура может сочетать в себе:

• Кремниевая фотоника для крупномасштабной интеграции
• Фосфид индия (InP) для лазерных источников
• TFLN для высокоскоростной модуляции

Хотя этот подход максимизирует производительность системы, интеграция нескольких материалов создает такие проблемы, как:

• Несоответствие теплового расширения
• Проблемы с надежностью склеивания
• Потери связи
• Требования к точности центровки
• Сложность упаковки

Повышение эффективности гетерогенной интеграции считается одной из наиболее важных вех для будущих систем CPO.

4. Высокие производственные затраты.

Хотя TFLN обеспечивает превосходную производительность, он остается более дорогим, чем многие конкурирующие технологии.

К основным факторам затрат относятся:

• Дорогие пластины LNOI
• Сложные производственные процессы
• Ограниченный масштаб производства
• Проблемы оптимизации доходности
• Длинные квалификационные циклы

Для гипермасштабных центров обработки данных баланс затрат и производительности имеет решающее значение. Поэтому снижение производственных затрат за счет массового производства остается ключевой задачей отрасли.

5. Незрелая экосистема

По сравнению со зрелой индустрией кремниевых полупроводников, экосистема TFLN все еще развивается.

Текущие проблемы включают в себя:

• Нехватка опытных инженеров
• Ограниченные инструменты автоматизации проектирования
• Неполные комплекты проектирования процессов (PDK)
• Отсутствие общеотраслевых стандартов
• Зависимость от импортного оборудования и материалов

Создание надежной экосистемы будет иметь важное значение для ускорения коммерциализации.

Будущие тенденции развития

Более высокая пропускная способность и более низкое энергопотребление

Благодаря рабочим нагрузкам искусственного интеллекта и высокопроизводительным вычислениям пропускная способность оптических соединений продолжает расти.

Дорожные карты отрасли обычно предсказывают:

Ожидается, что модуляторы TFLN будут поддерживать скорость передачи данных, превышающую 160 ГБод и, в конечном итоге, 200 ГБод при одновременном снижении напряжения привода и энергопотребления.

Такое сочетание скорости и эффективности делает TFLN особенно привлекательным для будущей инфраструктуры искусственного интеллекта.

Масштабирование в сторону 8-дюймового и 12-дюймового производства

Ожидается, что масштабирование пластин станет одним из наиболее эффективных способов снижения производственных затрат.

Ожидания отрасли включают:

• 8-дюймовые пластины становятся основной производственной платформой
• Технология 12-дюймовых пластин достигнет коммерческой зрелости позднее в этом десятилетии
• Значительное повышение урожайности
• Более низкая стоимость за устройство
• Увеличение производственных мощностей

Производство пластин большого диаметра будет играть решающую роль в обеспечении массового внедрения.

CPO станет основным драйвером роста

Традиционные сменные оптические модули приближаются к физическим пределам энергоэффективности и плотности полосы пропускания.

Co-Packaged Optics (CPO) устраняет эти ограничения, размещая оптические механизмы непосредственно рядом с переключаемыми ASIC.

Эта архитектура значительно уменьшает:

• Потери в электрических соединениях
• Энергопотребление системы
• Задержка

Поскольку модуляторы TFLN предлагают:

• Высокая пропускная способность
• Низкое напряжение привода
• Отличная линейность

они широко считаются одной из наиболее многообещающих технологий для будущих оптических двигателей CPO.

Выход за рамки оптической связи

Хотя оптическая связь остается основным рынком, TFLN все чаще используется в других передовых приложениях фотоники.

Квантовые технологии

Нелинейные оптические свойства TFLN делают его пригодным для:

• Квантовые источники света
• Квантовая связь
• Квантовое распределение ключей (QKD)
• Квантовые фотонные схемы

Лидарные системы

Его возможности высокоскоростной модуляции могут улучшить:

• Точность обнаружения
• Пространственное разрешение
• Автономные системы восприятия вождения

Оптическое зондирование и спектроскопия

Широкое окно оптической прозрачности ниобата лития позволяет применять его в:

• Биомедицинская диагностика
• Экологический мониторинг
• Промышленное зондирование
• Спектроскопия среднего инфракрасного диапазона

Эти развивающиеся рынки могут стать важными драйверами роста отрасли.

Ускорение развития внутренней цепочки поставок

В последние годы значительные инвестиции были сделаны в развитие отечественного потенциала TFLN по всей цепочке создания стоимости.

Ключевые области прогресса включают в себя:

• Производство пластин ЛНОИ
• Разработка высокоскоростного модулятора
• Гетерогенные интеграционные технологии
• Оборудование для производства полупроводников
• Платформы фотонного дизайна

Ожидается, что по мере развития этих возможностей местные поставщики будут играть все более важную роль в глобальной экосистеме TFLN.

Заключение

Тонкопленочный ниобат лития быстро становится одним из наиболее стратегически важных материалов для оптической связи следующего поколения.

Хотя проблемы в производстве пластин, нанопроизводстве, гетерогенной интеграции, снижении затрат и развитии экосистем остаются, темпы развития отрасли продолжают расти.

По мере масштабирования производства 8-дюймовых пластин, распространения архитектуры CPO и роста спроса на искусственный интеллект ожидается, что TFLN превратится из нишевой высокопроизводительной технологии в основополагающую платформу для будущих фотонных интегральных схем.

В течение следующего десятилетия тонкопленочный ниобат лития, вероятно, станет краеугольным камнем технологии, обеспечивающей сверхскоростные оптические соединения, сети центров обработки данных искусственного интеллекта и передовые фотонные системы по всему миру.