前段時間，英偉達(dá)黃仁勛表示，下一代AI基礎(chǔ)設(shè)施將需要大量的光學(xué)連接，銅線已無法滿足需求。

這不是危言聳聽。

我們正踏進光世界

隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，全球數(shù)據(jù)流量呈指數(shù)級增長，人們對信息容量和信息處理能力的需求持續(xù)攀升。特別是在 5G 通信、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)和人工智能等新興技術(shù)的推動下，傳統(tǒng)電子通信系統(tǒng)逐漸遭遇帶寬瓶頸和高能耗難題。

光通信技術(shù)憑借其高帶寬、低損耗、抗電磁干擾等顯著優(yōu)勢，成為解決這一問題的關(guān)鍵技術(shù)。

下一代AI基礎(chǔ)設(shè)施必須依賴大量光學(xué)連接，核心原因在于“互連墻”已取代算力成為最大瓶頸。隨著萬卡、十萬卡GPU集群的構(gòu)建，單通道速率邁向224G，銅纜在物理層面遭遇趨膚效應(yīng)與介電損耗的極限，有效傳輸距離被壓縮至2米以內(nèi)，無法滿足跨機柜的Scale-out需求。同時，全光互連能將單位帶寬功耗降低40%以上，是解決AI工廠能耗危機的唯一路徑。

鈮酸鋰：坐了幾十年冷板凳

電光調(diào)制器（Electro-Optical Modulator, EOM）作為光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，主要功能是實現(xiàn)電信號到光信號的轉(zhuǎn)換和調(diào)制，其性能直接影響著整個通信系統(tǒng)的傳輸速率、能耗、質(zhì)量和穩(wěn)定性。

光纖通信系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

鈮酸鋰（LiNbO3，LN）作為一種至關(guān)重要的電光材料，憑借其卓越的電光效應(yīng)、較高的折射率（約為2.2）、較寬的透明窗口（350nm-5μm）以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性，被光子學(xué)界尊稱為"光學(xué)硅”，自20世紀(jì)60年代起便被廣泛應(yīng)用于電光調(diào)制器領(lǐng)域。

調(diào)制器，來源：Lumentum

但是，之前它是在系統(tǒng)級不可或缺，但在芯片級集成的大潮里被晾了三十年。

這是因為傳統(tǒng)的塊狀鈮酸鋰調(diào)制器通過電場調(diào)控光波相位或強度實現(xiàn)信號調(diào)制，但該設(shè)計受限于材料本身的物理特性與加工工藝，由于塊狀鈮酸鋰的波導(dǎo)尺寸通常在毫米至厘米量級，導(dǎo)致光場與電場的相互作用長度有限，為實現(xiàn)有效調(diào)制需施加數(shù)伏至數(shù)十伏的高驅(qū)動電壓；因器件尺寸大導(dǎo)致難以與硅基光子平臺兼容，限制了其在芯片級集成光電子系統(tǒng)中的應(yīng)用；還有就是傳統(tǒng)工藝下波導(dǎo)傳輸損耗較高，進一步制約了器件的能效與長距離傳輸能力。

于是硅光、InP、SiN 等平臺紛紛崛起，鈮酸鋰一度被認(rèn)為"性能雖好，但做不大做不密"。

薄膜化技術(shù)突破，恰逢時代需求剛好"點菜"

轉(zhuǎn)折點在于薄膜鈮酸鋰（TFLN ）技術(shù)的成熟。

薄膜鈮酸鋰以“鈮酸鋰-絕緣體-襯底”異質(zhì)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過晶體離子切片、化學(xué)機械拋光等先進制備技術(shù)，將單晶鈮酸鋰薄膜從體材料中剝離并轉(zhuǎn)移至硅、藍(lán)寶石或二氧化硅襯底上。相較于體材料，薄膜鈮酸鋰的亞微米級波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)更強的光場限制效應(yīng)，使光與電場的相互作用效率提升數(shù)十倍，從而顯著降低驅(qū)動電壓并縮小器件尺寸。此外，薄膜鈮酸鋰的低傳輸損耗特性使其在長距離光子集成電路中展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢，同時其與硅基平臺的兼容性為異質(zhì)集成光子學(xué)提供了全新路徑。

鈮酸鋰單晶薄膜，來源：濟南晶正電子科技有限公司

火不火，一半看自身有多好，一半看時代有沒有給對口訂單。

首先看具體幾個硬指標(biāo)，就知道它為什么在1.6T/3.2T時代被"突然"瘋搶：

① 帶寬：輕松破百GHz，直奔200GHz；

② 功耗：每比特僅十幾飛焦（fJ/bit）；

③ 信號質(zhì)量：插入損耗低、chirp 極小、線性度好；

④ 多功能性：一個平臺通吃電光 + 非線性 + 量子。

行業(yè)需求方面，當(dāng)前AI 算力呈爆炸增長局面， 數(shù)據(jù)中心光互連從400G沖向 800G/1.6T/3.2T，這個時代正好需要它。

以當(dāng)下火熱的共封裝光學(xué)為例，它是把光引擎直接從面板的可插拔模塊里"搬"到交換芯片/ASIC 的同一塊封裝基板上。英偉達(dá)在Spectrum-X和Quantum 系列上率先量產(chǎn)CPO方案后，實測數(shù)據(jù)令人震驚——插入損耗從約22 dB驟降到~4 dB，信號完整性提升約63倍，系統(tǒng)光功率效率最高提升5倍。

圖片來源：康寧

但CPO不是簡單把現(xiàn)有光模塊"挪個位置"就行。封裝體積急劇收縮、功耗預(yù)算被砍到骨頭、散熱條件惡化、電學(xué)環(huán)境變得極度苛刻——光引擎內(nèi)部的每一個器件都被逼到了物理極限。正是在這套全新約束下，薄膜鈮酸鋰恰逢其時，從"性能標(biāo)桿"躍升為"工程剛需"。

可以說，薄膜鈮酸鋰之所以這么火，不僅因為它變薄了——更是因為算力大廈終于蓋到了必須用它當(dāng)承重墻的那一層。

于是我們看到，英偉達(dá)把 40億美元砸向Coherent和Lumentum這兩家企業(yè)，而這兩家企業(yè)合計占據(jù)全球高端薄膜鈮酸鋰調(diào)制器市場80%的市場份額。

小結(jié)

薄膜鈮酸鋰的故事，與其說是材料學(xué)的逆襲，不如說是——時代終于追上了它“夯到爆”的性能。

參考來源：

[1]熊 斌.低損 耗薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器設(shè)計

[2]王凰帆.薄膜鈮酸鋰調(diào)制器多物理仿真及退化機理研究