Поскольку центры обработки данных искусственного интеллекта (ИИ) продолжают масштабироваться и потребности в сетевой полосе передачи быстро растут, индустрия оптической связи выходит за рамки эры 800G и движется к 1,6T, 3.2T,и даже 6В этом переходе традиционные технологии кремниевой фотоники сталкиваются с ограничениями в полосе пропускания, энергоэффективности и производительности модуляции.

Среди новых решений тонкопленочный ниобат лития (TFLN) получил значительное внимание благодаря своим исключительным электрооптическим свойствам.Широко считается одной из самых перспективных платформ для фотонических интегральных схем следующего поколения (PIC)Ожидается, что TFLN будет играть важную роль в высокоскоростных оптических модулях, кластерах ИИ и архитектурах совместной оптики (CPO).

Сегодня промышленность вступает в ключевую стадию, когда TFLN переходит от высокопроизводительной лабораторной технологии к широкомасштабному коммерческому внедрению.

Что такое тонкопленочный ниобат лития?

Литий ниобат (LiNbO3) давно признан одним из самых важных электрооптических материалов в оптической связи.Обычные модуляторы ниобата лития широко используются в системах оптической передачи на большие расстояния из-за их отличных характеристик модуляции..

Тем не менее, традиционные устройства с литиевым ниобатом являются относительно крупными и их трудно интегрировать в компактные фотонические схемы.

Технология тонкопленочного литиевого ниобата устраняет эти ограничения, перенося слой литиевого ниобата в нанометровом масштабе на изоляционный субстрат с помощью передовых процессов, таких как нарезание ионов,соединение пластинЭта структура, обычно известная какНиобат лития на изоляторе (LNOI), сочетает в себе превосходные электрооптические свойства ниобата лития с масштабируемостью производства полупроводников.

По сравнению с обычными фотоническими платформами TFLN предлагает несколько преимуществ:

• Чрезвычайно высокий электрооптический коэффициент
• Ультранизкая потеря оптического распространения
• Пропускная способность более 100 ГГц
• Более низкое потребление энергии
• Отпечаток компактного устройства
• Совместимость с фотонической интеграцией
• Поддержка будущих оптических сетей 3.2T и 6.4T

Эти преимущества делают TFLN ведущим кандидатом для технологий оптических соединений следующего поколения.

Основные проблемы, стоящие перед коммерциализацией TFLN

Несмотря на выдающиеся результаты, TFLN все еще сталкивается с несколькими техническими и производственными проблемами, прежде чем достичь широкого распространения.

1Производство вафелей большого диаметра

Основой промышленности TFLN является производство высококачественных пластинок LNOI.

В настоящее время 4-дюймовые и 6-дюймовые пластины доминируют в коммерческом производстве, в то время как 8-дюймовые пластины вступают в раннюю стадию индустриализации.

Тем не менее, масштабирование размера пластины вызывает значительные проблемы в производстве:

• Сохранение однородности толщины пленки
• Устранение дефектов интерфейса склеивания
• Управление вафровой оболочкой
• Управление врожденной ломкостью ниобата лития
• Обеспечение стабильной урожайности крупномасштабных продуктов

В результате мировой производственный потенциал для высококачественных пластинок LNOI остается ограниченным, что создает узкое горло для расширения отрасли.

2. Очень требовательные требования к нанофабрикации

Устройства TFLN основаны на оптических волноводах на нанометровом масштабе и высокочастотных электродных структурах.

Производство этих изделий требует:

• Продвинутая литография
• Точная сухая гравировка
• Оптимизация боковой стенки
• Изготовление высокочастотных радиочастотных электродов
• Ультраточное управление процессом

Даже незначительные изменения размеров волновода могут оказать существенное влияние:

• Потеря оптической вставки
• Эффективность модуляции
• Пропускная способность устройства
• Производственная доходность

Кроме того, одновременное достижение низкоубыточных волноводов и высокочастотных характеристик остается серьезной инженерной задачей.

3. Сложность гетерогенной интеграции

Будущее оптических соединений, вероятно, будет зависеть от гетерогенной интеграции, а не от одной материальной платформы.

Типичная архитектура может сочетать в себе:

• Кремниевая фотоника для масштабной интеграции
• Индий фосфид (InP) для лазерных источников
• TFLN для высокоскоростной модуляции

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

• Несоответствие теплового расширения
• Вопросы надежности облигаций
• Убытки от сцепления
• Требования к точности выравнивания
• Сложность упаковки

Улучшение производительности гетерогенной интеграции считается одной из важнейших вех для будущих систем CPO.

4Высокие издержки производства

Хотя TFLN обеспечивает превосходную производительность, он по-прежнему дороже, чем многие конкурирующие технологии.

К основным факторам затрат относятся:

• Дорогие пластинки LNOI
• Сложные производственные процессы
• Ограниченный объем производства
• Проблемы оптимизации урожайности
• Долгие квалификационные циклы

Для гипермасштабных центров обработки данных баланс между затратами и производительностью имеет решающее значение.Поэтому снижение производственных затрат за счет объемного производства остается ключевой целью отрасли.

5Незрелая экосистема

По сравнению с зрелой промышленностью кремниевых полупроводников, экосистема TFLN все еще развивается.

К современным проблемам относятся:

• Нехватка опытных инженеров
• Ограниченные инструменты автоматизации проектирования
• Немногокомплектные наборы для проектирования процессов (PDK)
• Отсутствие отраслевых 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 меньшее потребление энергии

Благодаря нагрузкам на ИИ и высокопроизводительным вычислениям пропускная способность оптических соединений продолжает увеличиваться.

Промышленные дорожные карты, как правило, предсказывают:

Ожидается, что модуляторы TFLN будут поддерживать baud-скорости, превышающие 160 GBaud и в конечном итоге 200 GBaud, сокращая при этом напряжение привода и потребление энергии.

Это сочетание скорости и эффективности делает TFLN особенно привлекательным для будущей инфраструктуры ИИ.

Склейка на 8-дюймовое и 12-дюймовое производство

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

Ожидания отрасли включают:

• 8-дюймовые пластинки становятся основной производственной платформой
• 12-дюймовая технология вафелей достигнет коммерческой зрелости в конце этого десятилетия
• Значительное улучшение урожайности
• Более низкие затраты на устройство
• Увеличение производственных мощностей

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

CPO станет основным драйвером роста

Традиционные подключаемые оптические модули приближаются к физическим пределам эффективности питания и плотности полосы пропускания.

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

Эта архитектура значительно сокращает:

• Потери электрических соединений
• Потребление энергии системы
• Задержка

Поскольку модуляторы TFLN предлагают:

• Высокая пропускная способность
• Низкое напряжение привода
• Отличная линейность

Они широко считаются одной из самых перспективных технологий для будущих оптических двигателей CPO.

Расширение оптической связи

Хотя оптическая связь остается основным рынком, TFLN все чаще изучается в других передовых фотонических приложениях.

Квантовые технологии

Нелинейные оптические свойства TFLN делают его подходящим для:

• Квантовые источники света
• Квантовая связь
• Распределение квантовых ключей (QKD)
• Квантовые фотонические схемы

Системы LiDAR

Его высокоскоростные возможности модуляции могут улучшить:

• Точность обнаружения
• Пространственное разрешение
• Системы восприятия автономного вождения

Оптические датчики и спектроскопия

Широкое окно оптической прозрачности ниобата лития позволяет применять его в:

• Биомедицинская диагностика
• Экологический мониторинг
• Промышленное зондирование
• Среднеинфракрасная спектроскопия

Эти развивающиеся рынки могут стать важными драйверами роста для отрасли.

Ускорение развития внутренней цепочки поставок

В последние годы были проведены значительные инвестиции в развитие отечественных возможностей TFLN по всей цепочке создания стоимости.

Ключевые области прогресса:

• Производство пластинок LNOI
• Разработка высокоскоростного модулятора
• Технологии гетерогенной интеграции
• Оборудование для производства полупроводников
• Платформы фотонического проектирования

По мере развития этих возможностей ожидается, что 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 следующего поколения оптических коммуникаций.

В то время как проблемы сохраняются в производстве пластинок, нанофабрикации, гетерогенной интеграции, сокращении затрат и развитии экосистем, темпы развития отрасли продолжают расти.

По мере того как производство 8-дюймовых пластинок увеличивается, архитектуры CPO становятся популярными, а спрос на ИИ ускоряется,Ожидается, что TFLN превратится из нишевой высокопроизводительной технологии в базовую платформу для будущих фотонических интегральных схем.

В течение следующего десятилетия, тонкопленочный литий ниобат, вероятно, станет краеугольным камнем технологии, позволяющей сверхвысокоскоростные оптические соединения, сети центров обработки данных ИИ,и передовые фотонические системы по всему миру.