Поскольку искусственный интеллект, облачные вычисления и гипермасштабируемые центры обработки данных продолжают расширяться, спрос на более высокую пропускную способность и более низкое энергопотребление достиг беспрецедентного уровня. Традиционные электрические межсоединения приближаются к своим физическим пределам, создавая критическое узкое место для будущей вычислительной инфраструктуры.

Лидеры отрасли все чаще соглашаются с тем, что будущее передачи данных – за оптическими соединениями. Среди множества новых фотонных материалов тонкопленочный ниобат лития (TFLN) быстро стал одной из наиболее многообещающих платформ для систем оптической связи следующего поколения.

Что заставило этот материал, созданный десятилетиями, внезапно стать одной из самых популярных технологий в фотонике?

Растущая потребность в оптических межсоединениях

Современные кластеры искусственного интеллекта теперь состоят из тысяч или даже сотен тысяч графических процессоров, работающих одновременно. Поскольку скорость сети увеличивается с 400G до 800G, 1,6T и, в конечном итоге, до 3,2T, традиционные медные межсоединения сталкиваются с серьезными проблемами:

• Увеличение потерь сигнала на более высоких частотах
• Ограниченное расстояние передачи
• Рост энергопотребления
• Трудности с терморегулированием
• Проблемы с электромагнитными помехами

Поскольку трафик данных продолжает расти в геометрической прогрессии, оптическая связь представляет собой превосходную альтернативу благодаря:

• Сверхвысокая пропускная способность
• Низкие потери при передаче
• Снижение энергопотребления
• Целостность сигнала на большом расстоянии
• Невосприимчивость к электромагнитным помехам

Эти преимущества делают оптические технологии незаменимыми для будущей инфраструктуры искусственного интеллекта и сетей облачных вычислений.

Ниобат лития: проверенный электрооптический материал

Ниобат лития (LiNbO₃) широко используется в системах оптической связи с 1960-х годов.

Ниобат лития, который часто называют «оптическим кремнием» в фотонике, обладает несколькими выдающимися свойствами материала:

На протяжении десятилетий объемные модуляторы из ниобата лития были золотым стандартом для телекоммуникаций на большие расстояния и высокопроизводительных оптических систем.

Однако традиционные массовые устройства имели ряд ограничений:

• Большие размеры устройства
• Требования к высокому напряжению привода
• Ограниченная плотность интеграции
• Сложность интеграции с кремниевыми фотонными платформами
• Более высокие производственные затраты

По мере того, как кремниевая фотоника набирала обороты, ниобат лития временно потерял внимание, несмотря на его превосходные электрооптические характеристики.

Прорыв: тонкопленочный ниобат лития

Поворотным моментом стала коммерциализация тонкопленочного ниобата лития (TFLN).

Технология TFLN использует передовые процессы ионной нарезки и соединения пластин для переноса ультратонких монокристаллических слоев ниобата лития на изолирующие подложки, такие как кремний, сапфир или диоксид кремния.

Эту структуру обычно называютНиобат лития на изоляторе (LNOI).

Ключевые преимущества TFLN

1. Сверхвысокая пропускная способность

Модуляторы TFLN могут легко превысить полосу пропускания 100 ГГц и быстро приближаются к частоте 200 ГГц.

Эта возможность напрямую поддерживает следующее поколение:

• Оптические модули 800G
• Оптические трансиверы 1,6 Тл
• Системы оптической связи 3,2Т

2. Низкое энергопотребление.

Сильное ограничение оптических и электрических полей значительно повышает эффективность модуляции.

Как результат:

• Напряжения привода значительно снижены
• Потребление энергии может достигать всего нескольких десятков фемтоджоулей на бит (фДж/бит).

Это особенно важно для крупных центров обработки данных искусственного интеллекта, где энергоэффективность напрямую влияет на эксплуатационные расходы.

3. Превосходное качество сигнала

Устройства TFLN предлагают:

• Низкие вносимые потери
• Низкий оптический чирп
• Отличная линейность
• Высокое соотношение сигнал/шум

Эти характеристики необходимы для современных когерентных систем связи.

4. Компактный размер устройства

Субмикронная структура волновода позволяет устройствам TFLN быть намного меньшими, чем традиционные компоненты из объемного ниобата лития.

Это позволяет:

• Более высокая плотность интеграции
• Фотонные интегральные схемы (PIC)
• Комбинированная оптика (CPO)
• Гетерогенная интеграция с кремниевой фотоникой

Почему искусственный интеллект стимулирует бум TFLN

Быстрый рост генеративного искусственного интеллекта фундаментально изменил архитектуру центров обработки данных.

Сегодняшние кластеры обучения ИИ требуют огромных объемов данных для перемещения между:

• графические процессоры
• Переключатели
• Ускорители
• Системы памяти

В этих средах пропускная способность связи стала столь же важной, как и вычислительная мощность.

Поскольку электрические межсоединения приближаются к физическим ограничениям, оптические межсоединения становятся скорее обязательными, чем необязательными.

Эта тенденция ускоряет внедрение:

• Кремниевая фотоника
• Комбинированная оптика (CPO)
• Архитектуры оптического ввода-вывода
• Усовершенствованные электрооптические модуляторы

TFLN имеет уникальные возможности для поддержки всех этих технологий.

Тонкопленочный ниобат лития и компактная оптика

Co-Packaged Optics (CPO) считается одной из важнейших инноваций для будущих центров обработки данных.

Вместо размещения оптических модулей на передней панели сетевого оборудования CPO интегрирует оптические модули непосредственно рядом с коммутационными ASIC.

Преимущества включают в себя:

• Снижение вносимых потерь
• Улучшенная целостность сигнала
• Низкое энергопотребление
• Более высокая общая эффективность системы

Однако CPO также предъявляет строгие требования к:

• Размер устройства
• Тепловыделение
• Потребляемая мощность
• Эффективность модуляции

Тонкопленочный ниобат лития решает эти проблемы лучше, чем многие альтернативные технологии, что делает его предпочтительной платформой для будущих оптических двигателей.

За пределами коммуникаций: многофункциональная фотонная платформа

Ценность TFLN выходит за рамки оптической связи.

Его исключительные электрооптические и нелинейно-оптические свойства делают его привлекательным для:

Квантовая фотоника

• Квантовое преобразование частоты
• Генерация запутанных фотонов
• Квантовые системы связи

Микроволновая фотоника

• Обработка радиочастотного сигнала
• Радарные системы
• Расширенные сенсорные приложения

Интегрированная нелинейная оптика

• Генерация частотной гребенки
• Преобразование частоты
• Оптическая обработка сигналов

Такая универсальность позволяет использовать единую платформу материалов для поддержки нескольких быстрорастущих рынков.

Перспективы на будущее

Успех тонкопленочного ниобата лития — это не просто результат усовершенствованной технологии производства.

Скорее, оно представляет собой сближение двух мощных тенденций:

1. Созревший материал с исключительными электрооптическими характеристиками.
2. Рынок, которому срочно необходимы именно такие возможности.

Поскольку оптические сети развиваются в сторону скоростей передачи 1,6Т и 3,2Т, а инфраструктура искусственного интеллекта требует все большей эффективности полосы пропускания, ожидается, что тонкопленочный ниобат лития будет играть все более важную роль в фотонных системах следующего поколения.

То, что когда-то считалось нишевым материалом, теперь становится одной из основополагающих технологий эпохи оптических вычислений.