TFLN，拐点将至

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TFLN正从国防领域向商业光子学领域转型——其低电压、低热量调制技术可能更适合下一代人工智能互连。

薄膜铌酸锂 (TFLN： thin-film lithium niobate) 长期以来仅限于实验室演示和特定国防应用，如今正迅速成为光子集成路线图中下一代商业材料平台。越来越多的半导体工程师和项目经理在器件性能测试结果、数据手册和出版物中看到了它的身影。一些人已经开始利用它进行新的系统设计，这得益于新供应商的涌现，他们正努力满足芯片制造商对质量和产量的要求。

TFLN技术已经证明，它能够实现早期支持者所承诺的性能。现在半导体行业面临的问题是：TFLN能够催生哪些新的器件设计？它在技术成熟度曲线上处于什么位置？以及供应链如何发展以满足日益增长的性能需求？

对于负责下一代人工智能基础设施、安全通信和高带宽互连的设计人员来说，实际问题不再是是否要评估TFLN，而是应该向准备满足这一需求的晶圆供应商提出什么问题。

TFLN 与硅光子学和 InP 的比较

作为光子器件设计的材料平台，TFLN 面临着硅光子学 (SiP) 和磷化铟 (InP) 等成熟材料的竞争。它们各有优势，但一个简单的比较指标是它们在电光调制功能方面的性能。

硅光（SiP）通过注入或耗尽电荷载流子来调制光，其调制速度从根本上受到掺杂硅片和PN结的RC时间常数的限制。目前最先进的硅调制器的3 dB带宽约为70 GHz。

磷化铟（InP）利用电吸附，这使其在高调制速度下性能更佳，但也带来了热管理问题。与SiP器件相比，利用老化InP的器件由于复杂的外延堆叠和小尺寸晶圆，大规模制造成本仍然很高；但它们受益于与其他有源器件的单片集成。

TFLN 通过泡克尔斯效应（Pockels effect）调制光：施加电场可直接改变铌酸锂晶体的折射率。调制过程中没有载流子移动，不会产生热量，响应速度很快。目前市售的 TFLN 调制器可在低于 2V 的驱动电压下工作，电光带宽超过 110 GHz。

这种低于 2V 的驱动电压比规格表上显示的更为重要。8nm 及以下的先进 CMOS 工艺节点无法提供远高于 1V 的电压。因此，硅光子调制器需要单独的、更高电压的驱动 IC，而这些驱动 IC 又需要额外的硅面积、更高的功耗和更复杂的封装。TFLN 调制器可以直接由先进工艺节点的 CMOS 驱动，这为共封装光学架构提供了结构优势。

二十年来，SiP（硅光子学）在集成光子学领域经历了加速增长。英特尔于2005年发布了其硅激光器，此后该平台取得了令人瞩目的成熟。但随着每一代产品带宽的提升，它也越来越接近硅的物理极限。向TFLN的过渡并非要完全取代硅光子学，而是要认识到场驱动调制在哪些方面提供了更优的解决方案。

数据通信：近期商业机遇

TFLN 近期最明确的商业机会在于数据中心互连的高速收发器和共封装光器件。LightCounting 在 2024 年的市场分析预测，未来几年，砷化镓 (GaAs) 和磷化铟 (InP) 收发器的市场份额将逐渐被硅封装 (SiP) 和 TFLN 收发器蚕食，而线性可插拔光器件和共封装光器件的普及将加速这一转变。与此同时，NVIDIA 近期对 Coherent 和 Lumentum 的数十亿美元投资也凸显了人工智能基础设施对光子容量的迫切需求。

今年早些时候，HyperLight宣布与联华电子(UMC)及其光子子公司Wavetek建立战略合作伙伴关系，旨在建立HyperLight TFLN Chiplet平台的大规模代工生产体系，这标志着TFLN的商业化准备已然成熟。一家顶级代工厂投入基础设施进行TFLN生产，正是业界翘首以盼的认可。

对于正在评估TFLN的开发工程师而言，有几个实际问题值得注意。TFLN可以使用半导体行业现有的制造基础设施进行加工，例如光刻、干法刻蚀和后端金属化，但铌酸锂本身需要采用特殊的工艺。标准的干法刻蚀会产生侧壁粗糙度和副产物的再沉积。业界已经开发出一些变通方法，包括混合波导设计和专门的刻蚀技术。因此，现代晶圆代工厂可以实现TFLN的大批量生产，但它不像硅光子技术那样可以直接与CMOS兼容。此外，TFLN本身不发光。生产设计将TFLN与InP混合以实现激光光源，这一集成步骤已经相当成熟，但仍然是设计中需要考虑的因素。

尽管存在这些集成方面的考虑，TFLN 正处于一个转折点。基于 TFLN 的收发器目前正处于试点和小批量商业生产阶段。代工生态系统正在显著增长，未来两到三年内，TFLN 有望迅速从一种新兴材料平台转变为高速数据通信系统的主流解决方案。

TFLN走向商用背后

微波光子学——利用光链路传输和处理微波信号——已在军事通信领域应用多年。将射频信号转换为光信号可以消除电互连易受电磁脉冲或电子干扰的影响。

块状铌酸锂调制器（Bulk lithium niobate modulators）已用于此用途一段时间了。但TFLN为该应用引入了调制速度，使系统能够通过快速光子下变频访问更高的微波频段。近期经同行评审的研究表明，基于TFLN的频率下变频系统可在38-40 GHz射频范围内工作，并具有强大的镜像抑制能力。该技术广泛应用于雷达、电子战和卫星通信。对于正在构建宽带电子战接收机或信号情报平台的系统设计人员而言，能够将更多频谱纳入光子处理是一项巨大的优势。

TFLN在芯片级的精确相位控制也为相干光束合成（CBC：coherent beam combination）平台奠定了基础。相干光束合成是一种将多个激光输出相位锁定成单个高功率相干光束的技术。在掺铒TFLN波导放大器中进行的芯片级演示验证了该方法，但高功率商业部署仍处于早期阶段。即便如此，TFLN能够以集成相位控制取代笨重的自由空间光学组件，这为相控阵波束成形、卫星馈线链路、自由空间光通信和定向能量应用带来了潜在的优势。

量子：一项前瞻性的应用

量子光子学领域中，TFLN独特的材料特性展现出硅和InP无法比拟的全新能力。尤其当用于制造晶圆的铌酸锂晶体具有高纯度和极低的杂质含量时，这种优势更为显著。铌酸锂强大的非线性光学响应支持片上纠缠光子对的生成以及光频之间的转换——这两者都是量子信息系统的核心组成部分。其超低损耗波导能够保持量子比特的相干性，并且其透明窗口覆盖可见光到中红外波段，从而与量子发射器实际使用的波长范围兼容。

研究已证实 TFLN 是领先的集成量子光子学平台，可用于纠缠生成和量子频率转换。随后，商业活动也随之展开。Quantum Computing Inc. 在亚利桑那州坦佩市运营着一家专门的 TFLN 晶圆代工厂，该工厂专门面向量子计算及相关应用。另一项值得关注的行业进展是，Xanadu 宣布与 HyperLight 建立合作伙伴关系，以在下一代光子量子计算机中利用 TFLN 平台。

尽管量子应用不如数据通信领域的量子应用成熟，但这些商业发展表明，TFLN 正在成为量子硬件路线图中的积极推动者，并且该平台与该领域的关联性将继续增长。

生产准备：向晶圆供应商咨询哪些问题

TFLN 晶圆目前已投入生产，并已开始发货、应用于试点产品设计以及集成到商业原型系统中。目前的瓶颈不在于材料本身是否有效，而在于供应能否满足行业快速扩张所需的质量和数量需求。

目前大多数TFLN晶圆的尺寸为4到6英寸，8英寸（200毫米）晶圆是未来的目标尺寸。随着晶圆面积的增大，尺寸缩小带来了重大的制造挑战，包括材料纯度、位错控制和分层防止。除了直径之外，关键规格还包括晶体取向、铌酸锂薄膜厚度、总厚度变化、缺陷密度（这直接影响成品器件的光损耗和信号失真）、平整度和翘曲公差以及氧化硅厚度。最后一个参数决定了客户如何在TFLN平台上形成波导。标准衬底是绝缘体上硅（SOI），但氮化硅衬底也可以支持需要在450-1100纳米波长范围内工作的波导应用，而SOI无法满足该波长范围的需求。

TFLN生产生态系统仍在发展完善中。工艺设计套件（PDK）仍然有限，半导体设计人员用于认证晶圆供应商以进行设计导入的资质里程碑尚未针对TFLN进行广泛规范。芯片制造商需要在未来几年与晶圆供应商密切合作，共同制定这些里程碑。这也是为什么供应商关系需要像其他战略材料一样受到严格审查的另一个原因。

工程师评估框架

对于首次考虑TFLN平台的半导体和光子工程师而言，有三个方面值得尽早关注。

供应链方面：晶圆将来自哪里？供应商是否具备满足设计导入阶段后两到三年所需产量的资质？供应商是否拥有足够的垂直整合能力，能够从晶锭到成品晶圆全程把控质量？

关于工艺成熟度：供应商的规格在缺陷密度、总厚度偏差和平整度方面如何？目前有哪些晶圆直径可供选择？8英寸晶圆的发展路线图是什么？除了标准SOI之外，还有哪些衬底选项？

关于工艺成熟度：供应商的规格在缺陷密度、总厚度偏差和平整度方面如何？目前有哪些晶圆直径可供选择？8英寸晶圆的发展路线图是什么？除了标准SOI之外，还有哪些衬底选项？

关于集成准备：您正在考虑的TFLN架构有哪些代工厂可选方案？现有参考设计如何处理与InP的混合集成？您的目标应用类别的PDK生态系统是怎样的？

TFLN不会在所有应用中取代硅光子器件，也不应该这样做。但对于下一代人工智能基础设施和安全通信所需的高带宽、低功耗、可扩展架构而言，TFLN提供了真正差异化的开关速度、驱动电压和集成密度组合。

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