Warum hatDünnschicht-Lithiumniobat PlötzlichSo beliebt werden?

Vor nicht allzu langer Zeit erklärte NVIDIA-CEO Jensen Huang, dass KI der nächsten Generation seiInfrastrukturWilleerfordernAmassiv Mengevon optischen Verbindungen, wie zKupfer Kabelkann das nicht mehr erfüllenNachfrage.

Das ist kein alarmierendes Gerede.

Wir betreten die Welt des Lichts

Mit demschnell Entwicklungder Informationstechnologie,global DatenVerkehr istAnbauexponentiell, und dieNachfragefür InformationenKapazitätUndVerarbeitung Fähigkeitgeht weitererheben. Angetrieben vonentstehenTechnologien wie 5G-Kommunikation, das Internet der Dinge, CloudRechnen, großDaten, und künstliche Intelligenz, traditionellelektronischKommunikationssysteme sindzunehmendmit Bandbreitenengpässen und hoher Leistung konfrontiertVerbrauchHerausforderungen.

Die optische Kommunikationstechnologie hat die Vorteile einer hohen Bandbreite und einer geringen BandbreiteVerlustund Immunität gegen elektromagnetische StrahlungInterferenzist zu einer Schlüssellösung für diese Herausforderungen geworden.

DergrundlegendGrund, warum KI der nächsten GenerationInfrastrukturmussverlassenWas optische Verbindungen stark beeinträchtigt, ist, dass die „Verbindungswand“ ersetzt wurdeRechnenStrom als größter Engpass. Da GPU-Cluster auf Zehntausende oder sogar Hunderttausende Karten skaliert werden, sind Einzelkarten erforderlich.Kanal DatenPreise sindbewegen zu224G. Beim PhysischenSchicht,Kupfer Kabelschlagen dieGrenzen verhängtvonHautWirkung und DielektrikumVerlust,komprimierenihrewirksam Übertragung Distanzauf weniger als 2 Meter. Dadurch sind sie nicht in der Lage, die Scale-Out-Vorgaben zu erfüllenAnforderungenüberServer Gestelle.

Gleichzeitig können rein optische Verbindungen dies tunreduzierenLeistungVerbrauch proEinheitsbandbreite um mehr als 40 %, was sie zu einem der größten machtvielversprechendWege zur Lösung desEnergie-Effizienz Krisein KI-Fabriken.

Lithiumniobat: Ein Material, das warteteJahrzehntefür seinen Moment

Elektrooptische Modulatoren oder EOMs sind der SchlüsselKomponentenin optischen Kommunikationssystemen. IhrehauptsächlichFunktion ist zukonvertierenund modulierenelektrisch Signalein optischSignale. Ihre Leistungdirekt wirktDieÜbertragungGeschwindigkeit, KraftVerbrauch,SignalQualität undStabilitätdesgesamteKommunikationssystem.

GesamtStruktur eines Glasfaser-Kommunikationssystems

Lithiumniobat oder LiNbO₃ ist ein kritisches elektrooptisches Material. Aufgrund seines hervorragenden elektrooptischen Effekts, des relativ hohen Brechungsindex von etwa 2,2, des breiten Transparenzfensters von etwa 350 nm bis 5 μm und der hohen chemischen Stabilität gilt es in der Photonik-Community seit langem als „optisches Silizium“. Seit den 1960er Jahren wird Lithiumniobat häufig in elektrooptischen Modulatoren verwendet.

Obwohl Lithiumniobat auf Systemebene unverzichtbar war, blieb es während der Welle der Integration auf Chipebene fast drei Jahrzehnte lang weitgehend zurück.

Der Grund liegt in den Einschränkungen herkömmlicher Lithiumniobat-Massenmodulatoren. Diese Geräte modulieren optische Signale, indem sie ein elektrisches Feld verwenden, um die Phase oder Intensität des Lichts zu steuern. Aufgrund der physikalischen Eigenschaften des Materials und der Einschränkungen herkömmlicher Verarbeitungstechnologien liegen Massenwellenleiter aus Lithiumniobat jedoch typischerweise im Millimeter- bis Zentimeterbereich vor. Dies begrenzt die Interaktionseffizienz zwischen dem optischen Feld und dem elektrischen Feld, was bedeutet, dass eine effektive Modulation oft hohe Ansteuerspannungen im Bereich von mehreren Volt bis zu mehreren zehn Volt erfordert.

Darüber hinaus erschwert die große Gerätegröße die Integration in Silizium-Photonik-Plattformen, was ihre Anwendung in optoelektronischen Systemen auf Chipebene einschränkt. Herkömmliche Verarbeitungsmethoden führen außerdem zu relativ hohen Wellenleiter-Übertragungsverlusten, was die Geräteeffizienz und die Übertragungsleistung über große Entfernungen weiter einschränkt.

Infolgedessen begannen Plattformen wie Siliziumphotonik, InP und SiN schnell zu wachsen, während Lithiumniobat einst als Material mit hervorragender Leistung, aber schlechter Skalierbarkeit und geringer Integrationsdichte galt.

Die Dünnschichttechnologie kam genau zu dem Zeitpunkt, als die Industrie sie brauchte

Der Wendepunkt kam mit der Weiterentwicklung der Dünnschicht-Lithiumniobat-Technologie (TFLN).

Dünnschicht-Lithiumniobat basiert auf einer heterogenen „Lithiumniobat-Isolator-Substrat“-Struktur. Durch fortschrittliche Herstellungstechniken wie Kristallionenschneiden und chemisch-mechanisches Polieren können einkristalline Lithiumniobat-Dünnfilme vom Hauptmaterial getrennt und auf Substrate wie Silizium, Saphir oder Siliziumdioxid übertragen werden.

Im Vergleich zu massivem Lithiumniobat ermöglicht Dünnschicht-Lithiumniobat Wellenleiterstrukturen im Submikronbereich mit viel stärkerem optischen Einschluss. Dadurch wird die Interaktionseffizienz zwischen optischen und elektrischen Feldern erheblich verbessert, oft um das Zehnfache, wodurch die Antriebsspannung erheblich reduziert und die Gerätegröße verringert wird.

Darüber hinaus bietet der geringe Übertragungsverlust von Dünnschicht-Lithiumniobat einzigartige Vorteile in photonischen integrierten Schaltkreisen über große Entfernungen. Seine Kompatibilität mit siliziumbasierten Plattformen bietet auch einen neuen Weg für die heterogene integrierte Photonik.

Einkristalliner Dünnfilm aus Lithiumniobat, Quelle: Jinan Jingzheng Electronics Co., Ltd.

Ob eine Technologie populär wird, hängt zum Teil davon ab, wie gut sie ist, und zum Teil davon, ob die Ära den richtigen Anwendungsbedarf für sie bietet.

Wenn man sich mehrere wichtige Leistungsindikatoren ansieht, wird klar, warum TFLN in der 1,6T- und 3,2T-Ära aggressiv eingesetzt wird:

1. Bandbreite:Übersteigt leicht 100 GHz und bewegt sich in Richtung 200 GHz.
2. Stromverbrauch:Nur einige zehn Femtojoule pro Bit.
3. Signalqualität:Geringe Einfügungsdämpfung, extrem niedriger Chirp und ausgezeichnete Linearität.
4. Vielseitigkeit:Eine einzige Plattform kann elektrooptische, nichtlineare und quantenphotonische Funktionen unterstützen.

Aus Sicht der Branchennachfrage wächst die KI-Rechenleistung explosionsartig. Die optischen Verbindungen von Rechenzentren werden schnell von 400G auf 800G, 1,6T und sogar 3,2T aufgerüstet. Genau für diese Ära wurde Dünnschicht-Lithiumniobat entwickelt.

Nehmen Sie als Beispiel die heute viel diskutierten Co-Packaged Optics (CPO). CPO verschiebt die optische Engine vom Frontpanel-Steckmodul direkt auf das gleiche Gehäusesubstrat wie den Switch-Chip oder ASIC. Nachdem NVIDIA die Führung bei der Massenproduktion von CPO-Lösungen für seine Spectrum-X- und Quantum-Serien übernommen hatte, waren die Messergebnisse beeindruckend: Die Einfügungsdämpfung sank von etwa 22 dB auf etwa 4 dB, die Signalintegrität verbesserte sich um etwa das 63-fache und die optische Leistungseffizienz des Systems stieg um das bis zu Fünffache.

Bei CPO geht es jedoch nicht einfach darum, vorhandene optische Module an einen neuen Standort zu „verlagern“. Das Gehäusevolumen wird drastisch reduziert, das Energiebudget wird auf ein Minimum reduziert, die thermischen Bedingungen werden härter und die elektrische Umgebung wird extrem anspruchsvoll. Jede Komponente innerhalb der optischen Engine stößt an ihre physikalischen Grenzen.

Unter diesen neuen Einschränkungen kam Dünnschicht-Lithiumniobat genau zum richtigen Zeitpunkt. Es hat sich von einem „Leistungsmaßstab“ zu einer „technischen Notwendigkeit“ entwickelt.

Mit anderen Worten: Dünnschicht-Lithiumniobat ist nicht nur deshalb populär geworden, weil es dünner geworden ist, sondern auch, weil die KI-Rechnerinfrastruktur endlich das Niveau erreicht hat, auf dem TFLN als strukturelle tragende Technologie benötigt wird.

Aus diesem Grund sehen wir, dass NVIDIA 4 Milliarden US-Dollar in Unternehmen wie Coherent und Lumentum investiert, zwei Unternehmen, die zusammen rund 80 % des globalen Marktes für High-End-Dünnschicht-Lithiumniobat-Modulatoren ausmachen.