TFLN，拐點將至

本文來自格隆匯專欄：半導體行業觀察，作者：G&H

TFLN正從國防領域向商業光子學領域轉型——其低電壓、低熱量調製技術可能更適合下一代人工智能互連。

薄膜鈮酸鋰 (TFLN： thin-film lithium niobate) 長期以來僅限於實驗室演示和特定國防應用，如今正迅速成為光子集成路線圖中下一代商業材料平臺。越來越多的半導體工程師和項目經理在器件性能測試結果、數據手冊和出版物中看到了它的身影。一些人已經開始利用它進行新的系統設計，這得益於新供應商的涌現，他們正努力滿足芯片製造商對質量和產量的要求。

TFLN技術已經證明，它能夠實現早期支持者所承諾的性能。現在半導體行業面臨的問題是：TFLN能夠催生哪些新的器件設計？它在技術成熟度曲線上處於什麼位置？以及供應鏈如何發展以滿足日益增長的性能需求？

對於負責下一代人工智能基礎設施、安全通信和高帶寬互連的設計人員來説，實際問題不再是是否要評估TFLN，而是應該向準備滿足這一需求的晶圓供應商提出什麼問題。

TFLN 與硅光子學和 InP 的比較

作為光子器件設計的材料平臺，TFLN 面臨着硅光子學 (SiP) 和磷化銦 (InP) 等成熟材料的競爭。它們各有優勢，但一個簡單的比較指標是它們在電光調製功能方面的性能。

硅光（SiP）通過注入或耗盡電荷載流子來調製光，其調製速度從根本上受到摻雜硅片和PN結的RC時間常數的限制。目前最先進的硅調製器的3 dB帶寬約為70 GHz。

磷化銦（InP）利用電吸附，這使其在高調製速度下性能更佳，但也帶來了熱管理問題。與SiP器件相比，利用老化InP的器件由於複雜的外延堆疊和小尺寸晶圓，大規模製造成本仍然很高；但它們受益於與其他有源器件的單片集成。

TFLN 通過泡克爾斯效應（Pockels effect）調製光：施加電場可直接改變鈮酸鋰晶體的折射率。調製過程中沒有載流子移動，不會產生熱量，響應速度很快。目前市售的 TFLN 調製器可在低於 2V 的驅動電壓下工作，電光帶寬超過 110 GHz。

這種低於 2V 的驅動電壓比規格表上顯示的更為重要。8nm 及以下的先進 CMOS 工藝節點無法提供遠高於 1V 的電壓。因此，硅光子調製器需要單獨的、更高電壓的驅動 IC，而這些驅動 IC 又需要額外的硅面積、更高的功耗和更復雜的封裝。TFLN 調製器可以直接由先進工藝節點的 CMOS 驅動，這為共封裝光學架構提供了結構優勢。

二十年來，SiP（硅光子學）在集成光子學領域經歷了加速增長。英特爾於2005年發佈了其硅激光器，此后該平臺取得了令人矚目的成熟。但隨着每一代產品帶寬的提升，它也越來越接近硅的物理極限。向TFLN的過渡並非要完全取代硅光子學，而是要認識到場驅動調製在哪些方面提供了更優的解決方案。

數據通信：近期商業機遇

TFLN 近期最明確的商業機會在於數據中心互連的高速收發器和共封裝光器件。LightCounting 在 2024 年的市場分析預測，未來幾年，砷化鎵 (GaAs) 和磷化銦 (InP) 收發器的市場份額將逐漸被硅封裝 (SiP) 和 TFLN 收發器蠶食，而線性可插拔光器件和共封裝光器件的普及將加速這一轉變。與此同時，NVIDIA 近期對 Coherent 和 Lumentum 的數十億美元投資也凸顯了人工智能基礎設施對光子容量的迫切需求。

今年早些時候，HyperLight宣佈與聯華電子(UMC)及其光子子公司Wavetek建立戰略合作伙伴關係，旨在建立HyperLight TFLN Chiplet平臺的大規模代工生產體系，這標誌着TFLN的商業化準備已然成熟。一家頂級代工廠投入基礎設施進行TFLN生產，正是業界翹首以盼的認可。

對於正在評估TFLN的開發工程師而言，有幾個實際問題值得注意。TFLN可以使用半導體行業現有的製造基礎設施進行加工，例如光刻、干法刻蝕和后端金屬化，但鈮酸鋰本身需要採用特殊的工藝。標準的干法刻蝕會產生側壁粗糙度和副產物的再沉積。業界已經開發出一些變通方法，包括混合波導設計和專門的刻蝕技術。因此，現代晶圓代工廠可以實現TFLN的大批量生產，但它不像硅光子技術那樣可以直接與CMOS兼容。此外，TFLN本身不發光。生產設計將TFLN與InP混合以實現激光光源，這一集成步驟已經相當成熟，但仍然是設計中需要考慮的因素。

儘管存在這些集成方面的考慮，TFLN 正處於一個轉折點。基於 TFLN 的收發器目前正處於試點和小批量商業生產階段。代工生態系統正在顯著增長，未來兩到三年內，TFLN 有望迅速從一種新興材料平臺轉變為高速數據通信系統的主流解決方案。

TFLN走向商用背后

微波光子學——利用光鏈路傳輸和處理微波信號——已在軍事通信領域應用多年。將射頻信號轉換為光信號可以消除電互連易受電磁脈衝或電子干擾的影響。

塊狀鈮酸鋰調製器（Bulk lithium niobate modulators）已用於此用途一段時間了。但TFLN為該應用引入了調製速度，使系統能夠通過快速光子下變頻訪問更高的微波頻段。近期經同行評審的研究表明，基於TFLN的頻率下變頻系統可在38-40 GHz射頻範圍內工作，並具有強大的鏡像抑制能力。該技術廣泛應用於雷達、電子戰和衞星通信。對於正在構建寬帶電子戰接收機或信號情報平臺的系統設計人員而言，能夠將更多頻譜納入光子處理是一項巨大的優勢。

TFLN在芯片級的精確相位控制也為相干光束合成（CBC：coherent beam combination）平臺奠定了基礎。相干光束合成是一種將多個激光輸出相位鎖定成單個高功率相干光束的技術。在摻鉺TFLN波導放大器中進行的芯片級演示驗證了該方法，但高功率商業部署仍處於早期階段。即便如此，TFLN能夠以集成相位控制取代笨重的自由空間光學組件，這為相控陣波束成形、衞星饋線鏈路、自由空間光通信和定向能量應用帶來了潛在的優勢。

量子：一項前瞻性的應用

量子光子學領域中，TFLN獨特的材料特性展現出硅和InP無法比擬的全新能力。尤其當用於製造晶圓的鈮酸鋰晶體具有高純度和極低的雜質含量時，這種優勢更為顯著。鈮酸鋰強大的非線性光學響應支持片上糾纏光子對的生成以及光頻之間的轉換——這兩者都是量子信息系統的核心組成部分。其超低損耗波導能夠保持量子比特的相干性，並且其透明窗口覆蓋可見光到中紅外波段，從而與量子發射器實際使用的波長範圍兼容。

研究已證實 TFLN 是領先的集成量子光子學平臺，可用於糾纏生成和量子頻率轉換。隨后，商業活動也隨之展開。Quantum Computing Inc. 在亞利桑那州坦佩市運營着一家專門的 TFLN 晶圓代工廠，該工廠專門面向量子計算及相關應用。另一項值得關注的行業進展是，Xanadu 宣佈與 HyperLight 建立合作伙伴關係，以在下一代光子量子計算機中利用 TFLN 平臺。

儘管量子應用不如數據通信領域的量子應用成熟，但這些商業發展表明，TFLN 正在成為量子硬件路線圖中的積極推動者，並且該平臺與該領域的關聯性將繼續增長。

生產準備：向晶圓供應商諮詢哪些問題

TFLN 晶圓目前已投入生產，並已開始發貨、應用於試點產品設計以及集成到商業原型系統中。目前的瓶頸不在於材料本身是否有效，而在於供應能否滿足行業快速擴張所需的質量和數量需求。

目前大多數TFLN晶圓的尺寸為4到6英寸，8英寸（200毫米）晶圓是未來的目標尺寸。隨着晶圓面積的增大，尺寸縮小帶來了重大的製造挑戰，包括材料純度、位錯控制和分層防止。除了直徑之外，關鍵規格還包括晶體取向、鈮酸鋰薄膜厚度、總厚度變化、缺陷密度（這直接影響成品器件的光損耗和信號失真）、平整度和翹曲公差以及氧化硅厚度。最后一個參數決定了客户如何在TFLN平臺上形成波導。標準襯底是絕緣體上硅（SOI），但氮化硅襯底也可以支持需要在450-1100納米波長範圍內工作的波導應用，而SOI無法滿足該波長範圍的需求。

TFLN生產生態系統仍在發展完善中。工藝設計套件（PDK）仍然有限，半導體設計人員用於認證晶圓供應商以進行設計導入的資質里程碑尚未針對TFLN進行廣泛規範。芯片製造商需要在未來幾年與晶圓供應商密切合作，共同制定這些里程碑。這也是為什麼供應商關係需要像其他戰略材料一樣受到嚴格審查的另一個原因。

工程師評估框架

對於首次考慮TFLN平臺的半導體和光子工程師而言，有三個方面值得儘早關注。

供應鏈方面：晶圓將來自哪里？供應商是否具備滿足設計導入階段后兩到三年所需產量的資質？供應商是否擁有足夠的垂直整合能力，能夠從晶錠到成品晶圓全程把控質量？

關於工藝成熟度：供應商的規格在缺陷密度、總厚度偏差和平整度方面如何？目前有哪些晶圓直徑可供選擇？8英寸晶圓的發展路線圖是什麼？除了標準SOI之外，還有哪些襯底選項？

關於工藝成熟度：供應商的規格在缺陷密度、總厚度偏差和平整度方面如何？目前有哪些晶圓直徑可供選擇？8英寸晶圓的發展路線圖是什麼？除了標準SOI之外，還有哪些襯底選項？

關於集成準備：您正在考慮的TFLN架構有哪些代工廠可選方案？現有參考設計如何處理與InP的混合集成？您的目標應用類別的PDK生態系統是怎樣的？

TFLN不會在所有應用中取代硅光子器件，也不應該這樣做。但對於下一代人工智能基礎設施和安全通信所需的高帶寬、低功耗、可擴展架構而言，TFLN提供了真正差異化的開關速度、驅動電壓和集成密度組合。