Καθώς τα κέντρα δεδομένων τεχνητής νοημοσύνης κλιμακώνουν ταχύτατα τις απαιτήσεις εύρους ζώνης, οι οπτικές διασυνδέσεις μετακινούνται από αρχιτεκτονικές 400G σε 800G, 1.6T, ακόμη και 3.2T.Ο περιοριστικός παράγοντας της απόδοσης του οπτικού δέκτη δεν είναι πλέον οι πηγές λέιζερ ή οι τεχνολογίες συσκευασίας, αλλά ο οπτικός διαμορφωτής., η οποία είναι υπεύθυνη για την κωδικοποίηση ηλεκτρικών δεδομένων σε οπτικά σήματα.

Ενώ το φωσφορίδιο ινδίου (InP) και η φωτονική του πυριτίου (SiPh) κυριαρχούν εδώ και πολύ καιρό στις τεχνολογίες διαμορφωτών,και τα δύο πλησιάζουν τους περιορισμούς απόδοσης και κλιμακωτότητας στην επόμενη γενιά συστημάτων υπερ-υψηλών ταχυτήτωνΣε αυτό το πλαίσιο, μια νέα πλατφόρμα υλικών αναδεικνύεται ως ισχυρός υποψήφιος: Thin-Film Lithium Niobate (TFLN), επίσης γνωστή ωςΝιοβατικό λιθίου σε μονωτή (LNOI).

1Τι είναι το Νιοβατικό Λιθίου λεπτής ταινίας;

Το νιοβατικό λίθιο λεπτής ταινίας (TFLN) είναι μια πλατφόρμα φωτονικής ολοκλήρωσης βασισμένη σε μονοκρυσταλλικό νιοβατικό λίθιο (LiNbO3), ένα καθιερωμένο ηλεκτρο-οπτικό υλικό που χρησιμοποιείται ευρέως στη διαμόρφωση,μη γραμμική οπτική, και ακουστικές συσκευές.

Το νιοβάτη λιθίου χρησιμοποιείται σε οπτικές επικοινωνίες εδώ και δεκαετίες, αλλά οι παραδοσιακές συσκευές είναι συνήθως χονδρικά εξαρτήματα σε κλίμακα εκατοστών.Η καινοτομία πίσω από το TFLN έγκειται στη μετατροπή αυτού του υλικού σε ένα λεπτό κρυσταλλικό στρώμα (δυναμίας νανομέτρων έως μικρών) ενσωματωμένο σε ένα υπόστρωμα διοξειδίου του πυριτίου.

Η δομή αυτή αναφέρεται συνήθως ως νιοβατικό λιθίου σε μονωτή (LNOI).

Γιατί η απώλεια βάρους έχει σημασία

Μειώνοντας το πάχος του υλικού και ενσωματώνοντάς το σε μια πλατφόρμα κυματοδηγού, το TFLN επιτρέπει:

• Ενίσχυση της οπτικής περιορισμού
• Μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα της ηλεκτρο-οπτικής αλληλεπίδρασης
• Σημαντικά μειωμένο αποτύπωμα συσκευής
• Βελτιωμένη απόδοση εύρους ζώνης

Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι το "δυνατό φιλμ" δεν σημαίνει εύκαμπτο υλικό· εξακολουθεί να αποτελείται από άκαμπτο μονοκρυσταλλικό νιοβατικό λίθιο, το οποίο έχει κατασκευαστεί μόνο σε ένα πολύ λεπτότερο οπτικό στρώμα.

2Γιατί το TFLN έχει σημασία για την υψηλής ταχύτητας οπτική τροποποίηση

Στα οπτικά συστήματα επικοινωνίας, οι ψηφιακές πληροφορίες μεταδίδονται με τη διαμόρφωση μιας συνεχούς κύματος (CW) πηγής λέιζερ.Ο οπτικός διαμορφωτής καθορίζει πόσο αποτελεσματικά και πόσο γρήγορα τα ηλεκτρικά σήματα μπορούν να μετατραπούν σε οπτικά σήματα.

Στις ταχύτητες δεδομένων πέρα από το 400G και προς το 1.6T, οι απαιτήσεις διαμόρφωσης γίνονται εξαιρετικά απαιτητικές:

• Υψηλή ακεραιότητα σήματος (σαφής διαχωρισμός μεταξύ λογικών καταστάσεων)
• Εξαιρετικά υψηλή ανταπόκριση εύρους ζώνης
• Μικρή οπτική απώλεια και ελάχιστη στρέβλωση σήματος

Οι υφιστάμενες τεχνολογίες αντιμετωπίζουν διαρθρωτικούς περιορισμούς:

Φωσφορίδιο ινδίου (InP)

Οι διαμορφωτές που βασίζονται στο InP είναι πολύ ώριμοι και μπορούν να ενσωματώσουν λέιζερ, διαμορφωτές και ανιχνευτές στο ίδιο τσιπ.το εύρος ζώνης διαμόρφωσης τους φτάνει σταδιακά στα φυσικά όρια για συστήματα ενός κανάλου μετά το 400G.

Φωτονική του πυριτίου (SiPh)

Η φωτονική του πυριτίου προσφέρει εξαιρετική επεκτασιμότητα και συμβατότητα CMOS.που εισάγουν αντισταθμίσεις μεταξύ ταχύτητας, κατανάλωση ενέργειας, γραμμικότητα και οπτική απώλεια.

Πλεονέκτημα του νιοβατικού λιθίου λεπτής ταινίας

Το TFLN είναι θεμελιωδώς διαφορετικό επειδή λειτουργεί με βάση το φαινόμενο Pockels (γραμμικό ηλεκτρο-οπτικό αποτέλεσμα):

Ένα εφαρμοσμένο ηλεκτρικό πεδίο αλλάζει άμεσα τον δείκτη διάθλασης του κρυστάλλου.

Αυτό επιτρέπει:

• Μοντάρωση χωρίς φορέα (χωρίς αργή δυναμική φόρτισης)
• Υπερ-ταχεία ταχύτητα απόκρισης
• Εξαιρετική γραμμικότητα σε υψηλές συχνότητες
• Μικρή στρέβλωση σήματος

Ως εκ τούτου, το TFLN θεωρείται όλο και περισσότερο ως βασική τεχνολογία για τη νέα γενιά οπτικών δέκτρων υπερ-υψηλής ταχύτητας.

3Πώς κατασκευάζεται το λεπτόφυλλο νιοβάτη λιθίου

Σε αντίθεση με τη φωτονική του πυριτίου, το TFLN δεν καλλιεργείται απευθείας σε υπόστρωμα πυριτίου. Αντίθετα, βασίζεται σε μια διαδικασία μηχανικής μεταφοράς στρωμάτων που συνδυάζει την ανάπτυξη κρυστάλλων και τις τεχνολογίες σύνδεσης κυψελών.

Βήμα 1: Ενιαία Κρυστάλλινη Ανάπτυξη

Οι κρύσταλλοι υψηλής καθαρότητας νιοβατικού λιθίου καλλιεργούνται με τη μέθοδο Czochralski.

Βήμα 2: Εμφύτευση ιόντων

Τα ιόντα υδρογόνου ή ηλίου εμφυτεύονται σε ελεγχόμενο βάθος μέσα στο πλακάκι, σχηματίζοντας ένα αποδυναμωμένο στρώμα κάτω από την επιφάνεια.

Βήμα 3: Σύνδεση κυψελών

Η πλάκα νιοβατικού λιθίου συνδέεται με πλακίδιο διοξειδίου του πυριτίου (SiO2) ή πλακίδιο χειριστή πυριτίου χρησιμοποιώντας τεχνικές άμεσης σύνδεσης πλακίδων.

Βήμα 4: Έξυπνος διαχωρισμός κοπής

Εφαρμόζεται θερμική ή μηχανική επεξεργασία, προκαλώντας τη διάσπαση της πλάκας κατά μήκος του εμφυτευμένου στρώματος.

Βήμα 5: Ομαλοποίηση και κατασκευή συσκευών

Η χημική μηχανική γυάλωση (CMP) χρησιμοποιείται για την ομαλότητα της επιφάνειας, ακολουθούμενη από τις τυποποιημένες διαδικασίες φωτολιθογραφίας, χαρακτικής, μεταλλικοποίησης και συσκευασίας.

Κεντρικές Προκλήσεις στην Κατασκευή

Παρά την πολλά υποσχόμενη διαδικασία, εξακολουθούν να υπάρχουν διάφορα τεχνικά εμπόδια:

• Η επίτευξη της χαρακτικής κυματοδηγού με εξαιρετικά χαμηλή απώλεια
• Ελέγχος της τραχύτητας των πλευρικών τοιχωμάτων σε κλίμακα νανομέτρου
• Διατήρηση της ομοιομορφίας της κλίμακας των πλακών
• Σχεδιασμός ηλεκτροδίων ραδιοσυχνοτήτων για λειτουργία υψηλής συχνότητας
• Ακριβής αντιστοίχιση μεταξύ οπτικών και μικροκυμάτων ταχύτητες διάδοσης

4Ο ρόλος του TFLN στους οπτικούς δέκτες

Είναι σημαντικό να διευκρινιστεί ότι το TFLN δεν είναι υλικό φωτεινής προέλευσης.

Αντίθετα, λειτουργεί ως υψηλής ταχύτητας ηλεκτρο-οπτική στρώση διαμόρφωσης.

Σε ένα τυπικό οπτικό σύστημα:

• Ένα λέιζερ συνεχών κυμάτων παρέχει τον οπτικό φορέα
• Ο διαμορφωτής κωδικοποιεί ψηφιακά ηλεκτρικά σήματα στο φως

Οι περισσότεροι διαμορφωτές TFLN βασίζονται στη δομή Mach-Zehnder Interferometer (MZI).

Αρχή λειτουργίας:

1. Ένα ηλεκτρικό πεδίο εφαρμόζεται στον κυματοδηγό νιοβατικού λιθίου
2. Ο δείκτης διάθλασης αλλάζει μέσω του αποτελέσματος Pockels
3. Εισάγεται μετατόπιση φάσης μεταξύ οπτικών διαδρομών
4. Η παρεμβολή μετατρέπει τη διαμόρφωση φάσης σε διαμόρφωση έντασης

Αυτό επιτρέπει την υψηλής ταχύτητας κωδικοποίηση ψηφιακών δεδομένων σε οπτικά σήματα.

5Ενσωμάτωση με το InP και το Silicon Photonics

Το μέλλον των οπτικών διασυνδέσεων δεν καθορίζεται από μια ενιαία πλατφόρμα υλικών, αλλά από ένα ετερογενές οικοσύστημα πολλαπλών υλικών.

Φωσφορίδιο ινδίου (InP)

• Δυναμικότητα: Ικανότητα παραγωγής εγγενούς φωτός
• Εφαρμογές: λέιζερ DFB, διαμορφωτές ηλεκτροαπορρόφησης (EAM), φωτοανιχνευτές, SOA
• Χάρτης: Οπτική πηγή ενεργού χαρακτήρα και εξαρτήματα ενίσχυσης

Φωτονική του πυριτίου (SiPh)

• Δυναμικότητα: Ευρεία ολοκλήρωση και συμβατότητα CMOS
• Εφαρμογές: Οδηγοί κυμάτων, πολλαπλασιαστές, διαχωριστές, φωτονικά κυκλώματα
• Ρολά: Οπτική δρομολόγηση και ολοκλήρωση σε επίπεδο συστήματος

Λιθιονιοβατικό λεπτόφυλλο (TFLN)

• Δύναμη: υπερ-υψηλής ταχύτητας, χαμηλής απώλειας διαμόρφωση
• Εφαρμογές: Μετατροπολητές υψηλών επιδόσεων για συστήματα 400G / 800G / 1.6T
• Ρολά: Βασικό στρώμα διαμόρφωσης σε οπτικές μηχανές επόμενης γενιάς

Τάση αρχιτεκτονικής συστήματος:

• InP → Παράδοση φωτός
• Φωτονική πυριτίου → Ενσωμάτωση και δρομολόγηση
• TFLN → Μεταμόρφωση υψηλής ταχύτητας

Μαζί, αυτές οι τεχνολογίες σχηματίζουν μια υβριδική φωτονική αρχιτεκτονική για τους οπτικούς δέκτες επόμενης γενιάς.

6Κύρια τεχνικά προβλήματα

Παρά τα ισχυρά πλεονεκτήματα απόδοσης, το TFLN βρίσκεται ακόμη σε πρώιμη φάση βιομηχανικής κλιμάκωσης.

1. Ποιότητα κυψελών και ωριμότητα της αλυσίδας εφοδιασμού

Η διατήρηση ομοιόμορφου πάχους λεπτής ταινίας, χαμηλής πυκνότητας ελαττωμάτων και σταθερών διεπαφών σύνδεσης παραμένει μια πρόκληση.

2. Περιορισμοί της διαδικασίας χαρακτικής

Το νιοβατικό λίθιο είναι σημαντικά πιο δύσκολο να χαραχθεί από το πυρίτιο, οδηγώντας σε απώλειες διάσπασης που προκαλούνται από την τραχύτητα των πλευρικών τοιχωμάτων.

3- Υψηλής ταχύτητας ραδιοσυχνότητα και σχεδιασμός συσκευασίας

Η αντιστάθμιση αντιστάθμισης, ο έλεγχος απώλειας μικροκυμάτων και η αντιστοίχιση ηλεκτρο-οπτικής ταχύτητας είναι περίπλοκα προβλήματα συν-σχεδιασμού RF-φωτονικών.

4. Ετερογενής Ενσωμάτωση με τη Φωτονική Σίλικον

Η απόδοση σύνδεσης, η διαχείριση θερμικών πιέσεων και η τυποποίηση της διαδικασίας εξακολουθούν να εξελίσσονται.

5Οπτική απώλεια σύνδεσης μεταξύ υλικών

Οι διαφορές στον δείκτη διάθλασης απαιτούν προηγμένες δομές ζεύξης όπως κωνικοί κυματοδηγοί, ζεύξη άκρων και εφήμερη ζεύξη.

7Συμπέρασμα: Το μέλλον είναι ένα υβριδικό υλικό οικοσύστημα

Καθώς η υποδομή τεχνητής νοημοσύνης συνεχίζει να σπρώχνει τα όρια του εύρους ζώνης και της ενεργειακής απόδοσης,Η ανάπτυξη των οπτικών δέκτρων μετατοπίζεται από τη βελτιστοποίηση ενός μόνο υλικού σε συνεργασία υλικών σε επίπεδο συστήματος.

Το νιοβάτη λιθίου λεπτής ταινίας δεν έχει ως στόχο να αντικαταστήσει την InP ή τη φωτονική του πυριτίου.Ηλεκτρο-οπτική διαμόρφωση με χαμηλή απώλεια

Σε μελλοντικές αρχιτεκτονικές 1.6T, 3.2T και co-packaged optics (CPO),Το TFLN αναμένεται να αποτελέσει βασικό στοιχείο μέσα στα υβριδικά φωτονικά συστήματα, συνεργαζόμενο με την InP και τη φωτονική πυριτίου για την υποστήριξη της επόμενης γενιάς οπτικών δικτύων που βασίζονται στην τεχνητή νοημοσύνη.