薄膜鈮酸鋰，怎么突然火了？

前段時間，英偉達黃仁勛表示，下一代AI基礎設施將需要大量的光學連接，銅線已無法滿足需求。

這不是危言聳聽。

我們正踏進光世界

隨著信息技術的迅猛發展，全球數據流量呈指數級增長，人們對信息容量和信息處理能力的需求持續攀升。特別是在 5G 通信、物聯網、云計算、大數據和人工智能等新興技術的推動下，傳統電子通信系統逐漸遭遇帶寬瓶頸和高能耗難題。

光通信技術憑借其高帶寬、低損耗、抗電磁干擾等顯著優勢，成為解決這一問題的關鍵技術。

下一代AI基礎設施必須依賴大量光學連接，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集群的構建，單通道速率邁向224G，銅纜在物理層面遭遇趨膚效應與介電損耗的極限，有效傳輸距離被壓縮至2米以內，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

電光調制器（Electro-Optical Modulator, EOM）作為光通信系統的關鍵組件，主要功能是實現電信號到光信號的轉換和調制，其性能直接影響著整個通信系統的傳輸速率、能耗、質量和穩定性。

光纖通信系統總體結構

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

調制器，來源：Lumentum

但是，之前它是在系統級不可或缺，但在芯片級集成的大潮里被晾了三十年。

這是因為傳統的塊狀鈮酸鋰調制器通過電場調控光波相位或強度實現信號調制，但該設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尺寸通常在毫米至厘米量級，導致光場與電場的相互作用長度有限，為實現有效調制需施加數伏至數十伏的高驅動電壓；因器件尺寸大導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中的應用；還有就是傳統工藝下波導傳輸損耗較高，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，鈮酸鋰一度被認為"性能雖好，但做不大做不密"。

薄膜化技術突破，恰逢時代需求剛好"點菜"

轉折點在于薄膜鈮酸鋰（TFLN ）技術的成熟。

薄膜鈮酸鋰以“鈮酸鋰-絕緣體-襯底”異質結構為基礎，通過晶體離子切片、化學機械拋光等先進制備技術，將單晶鈮酸鋰薄膜從體材料中剝離并轉移至硅、藍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結構可實現更強的光場限制效應，使光與電場的相互作用效率提升數十倍，從而顯著降低驅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出獨特優勢，同時其與硅基平臺的兼容性為異質集成光子學提供了全新路徑。

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，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。

行業需求方面，當前AI 算力呈爆炸增長局面， 數據中心光互連從400G沖向 800G/1.6T/3.2T，這個時代正好需要它。

以當下火熱的共封裝光學為例，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。英偉達在Spectrum-X和Quantum 系列上率先量產CPO方案后，實測數據令人震驚——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不是簡單把現有光模塊"挪個位置"就行。封裝體積急劇收縮、功耗預算被砍到骨頭、散熱條件惡化、電學環境變得極度苛刻——光引擎內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承重墻的那一層。

于是我們看到，英偉達把 40億美元砸向Coherent和Lumentum這兩家企業，而這兩家企業合計占據全球高端薄膜鈮酸鋰調制器市場80%的市場份額。

小結

薄膜鈮酸鋰的故事，與其說是材料學的逆襲，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制器設計

[2]王凰帆.薄膜鈮酸鋰調制器多物理仿真及退化機理研究