少し前に、NVIDIA の Jensen Huang 氏は、銅線ケーブルではもはや需要を満たすことができないため、次世代 AI インフラストラクチャには大量の光接続が必要になると述べました。{0}これは誇張ではありません。
私たちは光の世界に足を踏み入れています
情報技術の急速な発展に伴い、世界的なデータ トラフィックは急激に増加しており、情報容量と処理能力に対する需要は高まり続けています。 5G 通信、モノのインターネット、クラウド コンピューティング、ビッグ データ、人工知能などの新興テクノロジーの推進により、従来の電子通信システムは帯域幅のボトルネックや高エネルギー消費に直面することが増えています。光通信技術は、高帯域幅、低損失、電磁干渉に対する耐性という大きな利点を備えており、これらの課題に対する重要な解決策となっています。次世代 AI インフラストラクチャが光接続に大きく依存しなければならない主な理由は、最大のボトルネックがコンピューティング能力に代わって「相互接続の壁」になったことです。 GPU クラスタが数万枚のカードにスケールアップし、シングル チャネル レートが 224G に向かうにつれて、銅ケーブル配線は表皮効果と誘電損失により物理的な限界に達し、実効伝送距離が 2 メートル未満に圧縮されます。これはクロス-ラック スケール-のニーズには不十分です。同時に、すべての-光相互接続はビット帯域幅あたりの消費電力を 40% 以上削減でき、-AI 工場のエネルギー危機を解決する唯一の道となります。
ニオブ酸リチウム: コールドベンチで数十年
光通信システムの重要なコンポーネントである電気光変調器（EOM）は、電気信号を光信号に変換し、変調を実行します。{0}そのパフォーマンスは、通信システム全体の伝送速度、エネルギー消費、品質、安定性に直接影響します。
ニオブ酸リチウム（LiNbO₃、LN）は重要な電気光学材料です。{0}}優れたポッケルス効果、高い屈折率 (約 2.2)、広い透明度 (350 nm ～ 5 μm)、および優れた化学的安定性により、フォトニクス界では「光シリコン」として尊敬されています。 1960 年代以来、電気光学変調器で広く使用されてきました。{7}
しかし、システム レベルでは不可欠であったにもかかわらず、30 年間チップスケール統合の波から取り残されていました。{0}これは、従来のバルクニオブ酸リチウム変調器が光の位相や強度を制御するために電場に依存しているためです。材料の物理的特性と加工技術によって制限されるため、バルク LN の導波路寸法はミリメートルからセンチメートルのオーダーであり、その結果、光場と電場の間の相互作用長が短くなります。効果的な変調を実現するには、高い駆動電圧（数ボルトから数十ボルト）が必要です。デバイスのサイズが大きいため、シリコン-ベースのフォトニック プラットフォームとの統合が難しく、チップ-規模の統合オプトエレクトロニクス システムでの使用が制限されます。さらに、従来の製造プロセスでは高い導波管伝播損失が発生し、エネルギー効率と長距離伝送がさらに制限されます。-その結果、シリコンフォトニクス、InP、SiNなどのプラットフォームが台頭し、かつてはLNは「優れた性能を持っているが、小型化や高密度化はできない」と考えられていた。
薄膜技術の画期的な進歩、需要に応じて実現
転機は、薄膜ニオブ酸リチウム（TFLN）技術の成熟とともに起こりました。{0} TFLN は「ニオブ酸リチウム – 絶縁体 – 基板」のヘテロ構造に基づいています。結晶イオンスライスや化学機械研磨などの高度な製造技術を使用して、単結晶 LN 薄膜がバルク材料から剥離され、基板 (シリコン、サファイア、または二酸化シリコン) に転写されます。-バルク材料と比較して、TFLN のサブ- ミクロン導波路は、はるかに強力な光場閉じ込めを可能にし、光と電場の相互作用効率を数十倍向上させ、その結果、駆動電圧が大幅に低下し、デバイスのサイズが縮小されます。さらに、TFLN の低い伝播損失は、長距離フォトニクス集積回路において独自の利点をもたらし、-シリコン ベースのプラットフォームとの互換性により、異種統合フォトニクスへの新たな道が開かれます。-
なぜ 1.6T/3.2T 時代に「突然」急上昇しているのかを理解するために、いくつかの重要な指標を見てみましょう。
①帯域幅：100GHzを軽く超え、200GHzに向かっています。
② 消費電力：ビットあたり数十フェムトジュール（fJ/ビット）程度。
③ 信号品質: 低い挿入損失、最小限のチャープ、優れた直線性。
④ 多用途性: 電気光学、非線形、量子アプリケーションを処理する単一のプラットフォーム。{0}
業界の需要面では、AI コンピューティング能力の爆発的な増加に伴い、データセンターの光インターコネクトは 400G から 800G/1.6T/3.2T に移行しており、まさに TFLN が必要な時代です。現在ホットなトピックである共同パッケージ光学系 (CPO) について考えてみましょう。CPO は、光学エンジンをフロント パネルのプラガブル モジュールからスイッチ チップ/ASIC と同じパッケージ基板上に移動します。- NVIDIA が Spectrum-X および Quantum シリーズで CPO ソリューションを量産した後、-測定データは驚くべき結果を示しました。-挿入損失は約 22 dB から約 4 dB に低下し、シグナル インテグリティは約 63 倍に向上し、システムの光パワー効率は最大 5 倍に増加しました。
しかし、CPO は既存の光モジュールを単に「再配置」するだけではありません。パッケージの体積は大幅に縮小し、電力予算は極限まで削減され、熱放散条件は悪化し、電気環境は非常に過酷になります。-光学エンジン内のすべてのデバイスは、物理的限界にまで追い込まれています。この新たな一連の制約の下で、TFLN は「パフォーマンスのベンチマーク」から「エンジニアリングの必需品」へと進化する絶好のタイミングに達しました。
つまり、薄膜ニオブ酸リチウムが非常に熱くなった理由は、薄膜化されただけではなく、コンピューティング パワーの巨体がついに TFLN が耐力壁として機能しなければならないレベルまで上昇したためです。-