塊狀鈮酸鋰(BLN：Bulk lithium niobate) 幾十年來一直是光子學的核心技術。業界已將其廣泛用作長途通信中電光 (EO：electro-optic) 調製器的晶體。該材料前所未有的可靠性已在數百萬小時的現場運行中得到驗證，包括早期的數據中心部署。

薄膜鈮酸鋰 (TFLN：thin-film lithium niobate) 的出現將這種成熟的材料引入了集成光子學領域，實現了低損耗的緊密約束波導，並可在晶圓級直接利用 Pockels 效應。TFLN 的應用前景十分廣闊，涵蓋超高速收發器、無源光網絡、量子信息處理和航空航天光子學等領域。

這些應用實例表明，材料和生態系統的成熟度將共同塑造集成光子學的未來。與其他廣泛部署的光子材料平台（包括硅光子學、磷化銦 (InP)、氮化硅（silicon nitride）、鈦酸鋇 (BTO：barium titanate) 和電光聚合物（EO polymers ））相比，TFLN 在大多數成熟平台的功率效率和散熱管理日益成為關鍵瓶頸的當下，展現出獨特的優勢。同時，TFLN 供應鏈的可擴展性和多樣性仍然是決定其在光子學領域長期地位的關鍵因素。

尋求可擴展的電光調製

過去十年，全球數據流量、雲服務和人工智能工作負載的指數級增長改變了光通信的格局。每一代新型相干可插拔收發器都致力於在縮小尺寸和降低成本的同時，提供更高的每瓦比特每秒傳輸量。但這還不夠：與計算速度相比，互連速度在過去二十年中的增長速度慢了 1000 倍。其結果是，不斷增長的數據創建和處理量出現了帶寬瓶頸。

一種常見的器件——電光調製器——正處於這一挑戰的核心。調製器（將信號（在本例中為電子信號）轉換為光數據流的接口）的性能主要取決於其材料。這一變量決定了器件的電光響應、光損耗和熱穩定性。理想的材料應能以低電壓和低損耗快速調製光，同時還能大規模生產。

幾十年來，塊狀鈮酸鋰（LN）一直是這種平衡的典範；其線性電光（Pockels）效應為長途和海底光鏈路提供了無與倫比的保真度，在這些部署中，性能比尺寸和成本更為重要。

然而，隨着小型化和規模化變得至關重要，鈮酸鋰逐漸被淘汰。塊狀器件體積過大、成本過高，而且難以大規模生產，而高性能計算、數據中心以及最近的人工智能（AI）的需求卻日益增長。

硅光子學和磷化銦（InP）的出現填補了由此產生的空白。儘管這些材料相比塊狀鈮酸鋰 (LN) 在某些性能方面有所妥協，但它們具備晶圓級製造能力和成熟的生態系統。硅光子技術在高速傳輸中日益面臨能耗過高的問題，而磷化銦 (InP) 生態系統則難以滿足未來晶圓產量方面的需求。

薄膜革命應運而生

當前的變革再次改寫了TFLN的格局，並催生了TFLN的崛起。這場變革源於絕緣體上TFLN（LNOI：TFLN-on-insulator）晶圓的開發。通過晶圓鍵合和離子切割（或稱智能切割）技術的結合，亞微米級LN薄膜現在可以轉移到尺寸更大的硅晶圓上，其尺寸甚至超過了競爭對手InP技術。這些薄膜能夠緊密地限制光線，從而實現更短的相互作用長度和更小的電極尺寸。這項技術進步為TFLN的復興奠定了重要的基礎，使人們重新關注這種曾經被視為過時的材料。它使工程師能夠將LN的物理特性與硅基晶圓加工的集成能力相結合。

薄膜工藝可實現低至 0.1 至 0.3 dB/cm 的傳播損耗和約 1 V 的 CMOS 兼容驅動電壓，同時集成密度比體鈮酸鋰 (LN) 提高了一個數量級。目前最先進的器件已展現出超過 100 GHz 的電光帶寬，其帶寬限制更多地取決於驅動電路、測試設備和封裝技術，而非材料本身。

重要的是，TFLN 工藝與現有的半導體工具集兼容。可採用標準光刻、幹法刻蝕和後端金屬化方案，從而實現最大 150 mm 的晶圓尺寸，並且 200 mm 的晶圓尺寸也正在開發中。這些特性使鈮酸鋰從一種分立的光學元件轉變為一種可擴展的、與微電子兼容的、大批量生產的製造平台。

實際上，TFLN 兼具傳統高端調製器的光學性能和現代集成光子電路的可製造性。因此，該材料平台有望成為下一代高速、低功耗光子平台的有力候選者，能夠滿足數據中心和人工智能日益增長的需求。

光子平台比較

每種光子材料平台都代表着電光效率、可製造性和系統級可擴展性之間的一種折衷方案。隨着帶寬目標提升至每個模塊 1.6T 和 3.2T（，驅動電壓、熱穩定性和集成成熟度的差異變得至關重要。

一、硅

硅光子仍然是 100G 和 200G 單通道光器件的主力軍。其與 CMOS 工藝的兼容性、大規模晶圓基礎設施以及現有的封裝生態系統使其在大規模生產中具有成本效益。

然而，硅的調製機制——載流子注入或耗盡——受到固有速度限制和熱敏感性的制約。商用器件的工作頻率約為 50 至 60 GHz，所需的驅動電壓是目前最先進的或更低 CMOS 工藝節點無法實現的；它們需要更大、更耗電的驅動器。熱光漂移進一步導致需要使用每個模塊功耗超過 1 瓦的環形加熱器，從而增加了能源和冷卻需求。

在高數據速率下，硅的性能只能通過並行性來提升——例如，增加通道數和/或增加發熱量——而不是通過更快的物理速率。因此，在帶寬目標不斷提高的情況下，硅的性能面臨着根本性的功率密度限制。

二、磷化銦 (InP)

InP 仍然是唯一能夠原生集成激光器、調製器和探測器的單片材料平台。然而，InP 平台中使用的外部調製激光器存在熱穩定性問題，因為帶隙隨溫度的變化會影響偏置點和波長。這會導致在數據中心和人工智能機架等嚴苛環境下連續運行時出現自發熱和信號失真，溫度可高達 85°C。

此外，在製造方面，該技術需要複雜的層狀外延堆疊結構以及高精度的再生長步驟，並且受限於最大 6 英寸的晶圓直徑。這些因素都會推高成本。磷化銦（InP）是產生光的關鍵材料，但作為調製平台，它價格昂貴且難以擴展以滿足未來的供應需求。

三、垂直腔面發射激光器（VCSEL）陣列

VCSEL 針對短距離鏈路（<100 米）進行了優化。它們採用直接調製方式工作，高效且成本低廉，在對成本敏感的數據中心內部連接中佔據主導地位。

然而，由於 VCSEL 直接調製原理導致的芯片限制，這些光源的帶寬距離積被限制在 <50 GHz，傳輸距離也僅為幾十米。它們還存在熱滾降現象，即輸出功率會隨着結溫的升高而降低。此外，VCSEL 在高驅動電流下壽命有限，並且工作波長不在電信波段（~850 nm），這限制了其與現有單模光纖網絡的兼容性，而長距離傳輸（例如數據中心之間）是必需的。

四、電光聚合物

電光聚合物具有很高的Pockels係數（r33約為100 pm/V），在實驗室器件中可實現低於1 V的驅動電壓和高於80 GHz的帶寬。

然而，其老化和穩定性仍然是其作為材料平台廣泛應用的主要障礙。暴露於70 °C至85 °C以上的高溫或紫外光照射會逐漸破壞非線性發色團的排列，從而降低其性能和壽命。因此，其在數據中心環境中的長期穩定性尚未得到驗證，超大規模數據中心運營商在獲得符合Telcordia嚴格認證標準的驗證指標之前，仍將保持謹慎態度。

五、鈦酸鋇

鈦酸鋇 (BTO) 具有極高的泡克爾斯效應，在實驗室條件下已展現出 80 GHz至 100 GHz 的帶寬。

然而，其熱穩定性較差，居里溫度約為 120 °C。為了維持極化狀態，該材料必須在 20 至 40 V 的偏壓下持續極化。這不僅會增加功耗，還會引入長期應力和疇漂移。此外，其製備工藝也十分複雜，需要專用的高應力沉積設備，而這些設備難以規模化生產，因為鈦酸鋇通常在分子束外延反應器中生長，而分子束外延反應器只能滿足小批量生產的需求。

六、薄膜鈮酸鋰

薄膜鈮酸鋰 (TFLN) 是唯一能夠同時提供 >100 GHz 電光帶寬、<2 V 驅動電壓和非熱運行的平台。其場驅動泡克爾斯效應消除了載流子注入，從而實現了快速線性調製，且發熱量和漂移均可忽略不計。該材料的居里溫度約為 1100 °C，確保其在遠超工作溫度的條件下仍具有優異的固有熱穩定性。此外，該材料的可靠性已在電信系統中經過數十年的驗證。

TFLN 面臨的主要挑戰是工業規模化生產。晶圓尺寸正從 150 毫米過渡到 200 毫米，並且與 InP 激光器和探測器的混合集成仍然是一項必要要求。

隱藏的瓶頸

隨着光互連模塊的容量向 1.6T 和 3.2T 邁進，功耗和散熱正成為擴展性的終極限制。散熱管理不再僅僅是一個工程問題，它將決定哪些平台可以擴展，哪些平台不能。

現代 800G 相干可插拔收發器已經消耗 20瓦到 25 瓦的功率，其中大部分功率來自驅動電子器件、數字信號處理器 (DSP) 以及用於熱穩定的集成加熱器。如果這些架構的功耗與通道數或波特率線性增長，則每個模塊的總功耗將達到 80 到 100 瓦，遠遠超過四通道小型可插拔雙密度 (QSFP-DD) 或八通道小型可插拔 (OSFP) 模塊的散熱能力。

這一挑戰——集成光子學的「熱牆」——源於組件層面的能量效率低下。在自由載流子調製器（例如硅光子學中使用的調製器）中，注入或耗盡載流子會改變局部折射率，同時產生熱量。這些熱波動需要進行溫度控制，因為它們會改變光程。

每個環形加熱器或熱調諧器通常每個模塊消耗 1 瓦或更多的功率。每個交換機包含數十甚至數百個這樣的組件，因此數據中心機架用於維持溫度平衡的能量可能比傳輸數據的能量還要多。

類似的自加熱機制也存在於電吸收調製器或直接調製 InP 器件中。偏置相關的吸收會隨溫度變化，需要進行補償，從而限制了長期穩定性。從技術上講，將這些架構擴展到更高的波特率是可行的，但這隻能通過蠻力並行化來實現，例如使用更多的通道、光模塊和/或更高的 DSP 處理能力。這種方法或許能實現 1.6T 和 3.2T 的磁化強度，但超過 3.2T 後便難以持續，因為熱密度、冷卻需求和 DSP 複雜性都會變得難以承受。

相比之下，諸如 BTO 和 TFLN 之類的所謂 Pockels 材料無需移動電荷載流子即可工作。其調製機制是純粹的電子極化響應，在開關過程中不會產生熱量。典型的 Pockels 器件所需的驅動電壓小於 2V，並且比基於載流子的系統消耗的調諧功率低幾個數量級。

這種差異——場驅動與載流子驅動——直接轉化為更低的每比特能耗和系統級熱管理的極大簡化。這一特性在功率受限的環境以及冷卻預算和尺寸限制嚴格的場合（例如 AI 數據中心、電信樞紐或衛星有效載荷）中尤為關鍵。

供應鏈因素

硅的統治地位並非必然，而是源於工業化。標準化的晶圓尺寸、代工廠模式和設計工具包的出現，構建了一個促進創新倍增的生態系統。

TFLN如今也面臨着類似的轉折點。目前，美國、歐洲和亞洲的LNOI晶圓供應商能夠提供一致的150毫米襯底，200毫米襯底也正在湧現。試點生產線驗證了均勻的薄膜厚度和低缺陷密度，適用於高良率器件製造。

多家公司也在生產基於TFLN的光學引擎。代工廠已開始提供多項目晶圓服務，並配備用於調製器、諧振器和耦合器的標準化工藝設計工具包。設備供應商正在改造最初為硅和化合物半導體開發的蝕刻和拋光工具，以應對LN的晶體結構和表面化學性質。

然而，該行業仍需達成幾個重要的里程碑才能實現完全的產業化成熟。必須建立多家合格的晶圓供應商，以降低單一供應商帶來的風險。在晶圓代工層面，必須推進可重複、高良率的工藝流程。為了實現晶圓廠的可移植性，行業需要標準化的工藝設計工具包和設計規則。

幸運的是，行業正朝着這個方向發展。這一模式與早期硅光子學的發展軌跡相似：在首次學術演示後的幾年內，晶圓代工廠、多項目晶圓以及電子設計自動化（EDA）集成相繼出現。如果這一發展軌跡得以保持，TFLN有望在未來十年內達到與當前生態系統類似的生態系統穩健性水平。

全新應用

隨着成熟的生態系統正在開發中，TFLN 的潛力正催生出多種新興應用。儘管有些應用比其他應用更直接，但每一種應用都蘊藏着巨大的增長潛力，有望推動各個垂直市場的增長。

一、高速收發器

TFLN 最直接的應用是用於長距離和數據中心互連的相干收發器和 PAM4 收發器。集成 TFLN 調製器已展現出超過 100 GHz 的帶寬、約 1 至 2 V 的驅動電壓以及小於 3 dB 的光纖損耗，所有這些都集成在尺寸小於 1 cm 的緊湊型芯片上。這些特性可直接轉化為更小、更冷、更快的收發器模塊。

由於 LN 擁有數十年的現場驗證經驗，其認證門檻低於其他新型材料。一些早期生產部署已經在相干可插拔器件中使用了基於 LN 的調製器，這展現了從傳統體硅器件到薄膜集成器件的過渡。

二、無源光網絡

接入網正迅速從千兆無源光網絡 (GPON) 升級到 10 Gb 無源光網絡 (XGS-PON) 和 50 Gb 無源光網絡標準。每一代都要求更高的帶寬和更低的單用戶成本，同時還要保持與現有基礎設施的兼容性。

TFLN 調製器在單一平台上提供多標準支持。其低插入損耗和 <1 V 的驅動電壓降低了光功率預算和驅動器成本，而 200 毫米晶圓加工工藝則支持大規模生產。

此外，由於 LN 具有熱穩定性，PON 收發器無需主動冷卻即可在戶外環境所需的寬溫度範圍內工作，從而降低總運營成本。

三、量子光子學

量子信息系統提出了獨特的要求，包括超低損耗、快速精確的相位控制以及集成非線性光學器件。

TFLN 滿足這三個參數。其低損耗波導（演示中損耗 <0.2 dB/cm）可保持量子比特的相干性。其基於 Pockels 結構的移相器可實現無熱噪聲的確定性控制。更重要的是，LN 的 χ(2) 非線性支持片上光子對生成和頻率轉換，從而在單個基板上實現光子源、路由器和探測器。

此外，該材料具有從可見光波長到約 5 µm 的寬透明窗口，允許可見光波段量子發射器之間的耦合。這一特性支持多種量子光計算範式，包括囚禁離子和氮空位中心，以及電信波段光纖網絡。這代表了極少數材料能夠同時實現的潛力。

此外，一些學術和工業團隊已經在開發基於 TFLN 的量子芯片原型，這些芯片將無源路由、快速電光調製和非線性生成集成在同一芯片上。

四、激光雷達和自由空間傳感

汽車和工業激光雷達系統正朝着固態和頻率調製連續波架構發展。此類設計需要高線性度、低噪聲的相位調製來生成穩定的光啁啾信號，從而實現精確的距離和速度測量。

TFLN 兼具低電壓、低損耗和卓越的相位穩定性，使其成為此類架構的理想之選。其在人眼安全優先的 ~1.55 µm 波段具有高透明度，可在監管限制範圍內使用更高的發射功率，從而在確保安全性的同時擴展探測範圍。在 2 µm 以上的波段，其透明度延伸至中紅外波段，為旨在改善大氣可見度的下一代激光雷達系統鋪平了道路。

此外，由於 TFLN 支持晶圓級工藝，因此能夠滿足汽車認證所需的批量生產和成本目標——這是機械掃描系統無法比擬的優勢。

五、微波光子學與航空航天

在雷達、衛星通信和國防系統中，目標是傳輸或處理高頻射頻 (RF) 信號，以降低損耗和電磁干擾。在該領域，鈮酸鋰 (LN) 調製器已成為模擬光子鏈路的標準配置，具有卓越的線性度和無雜散動態範圍。TFLN 調製器通過減小尺寸和驅動電壓，同時保持 100 GHz 以上的帶寬，進一步擴展了這些性能。

體鈮酸鋰調製器已展現出強大的抗輻射能力，並已通過航天任務的認證。雖然 TFLN 工藝較新，但早期的輻射研究表明其具有類似的抗輻射能力。這些特性，加上其小尺寸、輕重量和低功耗，使得 TFLN 調製器在航空航天和國防領域的衛星有效載荷、相控陣天線以及安全射頻光纖鏈路方面極具吸引力。

六、傳感與光譜學

在化學、環境和生物醫學傳感領域，緊湊性和波長靈活性至關重要。鈮酸鋰(LN)具有寬廣的光學窗口（約350納米至5微米）和χ(2)非線性特性，使其能夠在芯片上生成和操控多種波長。這使得緊湊型光譜儀和傳感器能夠探測近紅外和中紅外波段的特定吸收線，而這些波段是傳統硅基光譜儀無法觸及的。此外，低電壓調諧和非熱效應使得這些器件具有足夠高的能效，適用於便攜式或電池供電應用，從而為工業物聯網和醫療診斷領域開闢了新的應用前景。

電光器件的下一個十年

隨着集成光子學進入下一個階段，性能和可製造性必須兼顧。硅光子學在規模和生態系統成熟度方面仍然無可匹敵，但其對熱效應和自由載流子效應的依賴，在高數據速率下造成了功率和散熱方面的瓶頸。磷化銦（InP）可提供原生有源器件，但面臨經濟性和規模化方面的挑戰。新興材料，例如氧化鋇（BTO）和電光聚合物，展現出卓越的物理特性，但缺乏大規模部署所需的可靠性和標準化。

TFLN 結合了可靠、經過現場驗證且熱穩定的材料的物理特性和集成光子學的工程技術，具有光刻精度、晶圓級加工以及與硅的混合兼容性。曾經限制鈮酸鋰（LN）的因素——尺寸、成本和集成度——通過薄膜加工得到了系統性地解決。

剩下的挑戰是產業層面的挑戰，而非物理層面的挑戰。接下來，業界必須解決可重複性、晶圓成本以及構建穩健的多供應商生態系統等問題，以滿足收發器製造商的雙源採購等要求。

如果滿足這些條件，TFLN有望成為電信、數據通信和量子技術領域超高速、低功耗電光調製的默認平台，就像硅在上個十年成為無源光器件的默認平台一樣。