Optische Chips, unter der Oberfläche brodelt es.
Vor dem Hintergrund der kontinuierlichen Erweiterung großer KI-Modelle und des exponentiellen Anstiegs der Bandbreitenanforderungen in Rechenzentren hat die Branche drei harte Anforderungen an Photonenchips gebildet: Hochgeschwindigkeitsübertragung, geringer Stromverbrauch und flexible Steuerung. Die Wettbewerbslogik in diesem Segment hat sich verändert: Die Branche konzentriert sich nicht mehr nur auf das Design der oberen Architektur von Chips, sondern die physikalischen Eigenschaften der optischen Grundmaterialien sind zu dem zentralen Schlüsselfaktor geworden, der die Aktualisierung der nächsten Generation der optischen Kommunikation und den Durchbruch der Rechenleistung der Photonenberechnung bestimmt. Die derzeit gängigen photonischen Materialien haben jeweils Vor- und Nachteile, und es gibt noch kein universelles Material, das alle Szenarien abdecken kann.
Unter zahlreichen Materialien sind Silizium-Photonik-Chips (SiPh) das derzeit kommerziell am weitesten entwickelte und bereits in Massenproduktion befindliche photonische Material. Sie regeln Signale durch den thermooptischen Effekt, was zu einer relativ langsamen Modulationsantwortgeschwindigkeit und einem hohen statischen Betriebsverbrauch führt. Indiumphosphid (InP) als Kernmaterial traditioneller aktiver Photonenchips zeichnet sich durch eine hervorragende Modulationsgeschwindigkeit aus, aber der Prozess der Epitaxie-Herstellung von Materialien ist komplex, die Größe der passenden Wafer ist relativ klein, und die Kosten für die Massenproduktion lassen sich nur schwer senken. Dünnschicht-Lithiumniobat (TFLN) hat die Vorteile einer Hochgeschwindigkeitsmodulation und geringen optischen Verluste. Sobald es jedoch in Szenarien der photonischen Speicher- und Berechnungsintegration angewendet wird, treten seine Nachteile deutlich zutage: Die Bauelemente müssen ständig mit Strom versorgt werden, um normal zu arbeiten, und die im Inneren gespeicherten Operationsgewichte gehen nach dem Abschalten des Stroms direkt verloren. Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) und Bariumtitanat (BTO) als neue ferroelektrische elektrooptische Materialien entwickeln sich rasch weiter. Diese beiden Materialien vereinen die Eigenschaften der Hochgeschwindigkeits-Elektrooptikmodulation und des nichtflüchtigen Speicherns und sind heute ein zentral erforschtes zukunftsweisendes Feld im Bereich der globalen Photonenberechnung.
Um diesen sich um Materialien drehenden Branchenwettbewerb zu verstehen, muss man zunächst die zwei zentralen Anwendungsbereiche von Photonenchips unterscheiden, die völlig unterschiedliche Anforderungen an die Kernindikatoren der Materialien stellen. Der eine Bereich ist das Segment der optischen Übertragung, das sich auf die Rechenzentrumsvernetzung und die kohärente optische Kommunikation konzentriert, wobei die Materialauswahl sich hauptsächlich auf Hochgeschwindigkeitsmodulation, geringen Stromverbrauch und Massenproduktionsfähigkeit konzentriert. Der andere Bereich zielt auf die KI-Speicher- und Berechnungsintegration sowie die allgemeine Photonenberechnung ab. Dieses Segment stellt zusätzliche strenge Anforderungen an Materialien, da die Operationsgewichte über lange Zeit durch nichtflüchtige Eigenschaften gespeichert werden müssen. Dasselbe Material kann in den beiden Segmenten völlig unterschiedliche Werte entfalten, was der grundlegende Grund ist, warum man bei der Analyse von Materialrouten die Anwendungsszenarien differenzieren muss.
Die Landschaft der Materialstufen für Photonenchips
In Anbetracht des technischen Reifegrads, des Fortschritts der industriellen Umsetzung und der Anpassungsfähigkeit an verschiedene Szenarien lassen sich die derzeit auf dem Markt erhältlichen Photonenchip-Materialien in drei klare Stufen einteilen.
Die erste Stufe umfasst zwei kommerziell ausgereifte traditionelle Materialien: Silizium-Photonik und InP. Silizium-Photonik kann ausgereifte CMOS-Fertigungsprozesse wiederverwenden, zeichnet sich durch hohe Chip-Integrationsdichte und kontrollable Herstellungskosten aus und dominiert seit langem den Markt für optische Verbindungen von mittlerer niedriger bis hoher Geschwindigkeit. Die aktive Lichtemissions- und Hochgeschwindigkeitsmodulationsleistung von InP ist branchenführend und besetzt stets den Kernmarkt für Langstreckenübertragung und hochwertige kohärente optische Kommunikation. Wenn man zum Szenario der optischen Berechnung wechselt, ist Silizium-Photonik dank der vollständigen und ausgereiften Industrieökologie von Ober- und Unterlieferanten die derzeitige Kernbasis für die kommerzielle Umsetzung der Photonenberechnung. InP ist aufgrund des komplexen Prozesses und der hohen Herstellungskosten nicht in der Lage, allein als Träger der Rechenleistung zu dienen. Es wird nur in geringen Mengen als externes Laserlichtquelle hergestellt, die mit anderen Materialien integriert wird, und hat noch keine massenhaften Rechenprodukte gebildet.
Die zweite Stufe ist TFLN für hochwertige Hochleistungsszenarien. Im Bereich der optischen Übertragung ist TFLN derzeit die Lösung mit der besten Leistung für ultraschnelle optische Module von 1,6T und 3,2T sowie für hochwertige Co-Packaged-Optics-Systeme (CPO). Es zeichnet sich durch schnelle Modulationsgeschwindigkeit, niedrige Treiberspannung und geringe optische Verluste aus und ist das Kernmaterial für die Aktualisierung der hochwertigen optischen Kommunikation. Im Bereich der optischen Berechnung hat das Team von Marko Lončar an der Harvard-Universität den weltweit ersten TFLN-kohärenten Photonenberechnungs-Chip mit heterointegrierter Lichtquelle/Detektor entwickelt und die Wafer-Level-Herstellung über die Fertigungslinie von HyperLight abgeschlossen, wobei die Phase des Prototyps im mittleren Maßstab erreicht wurde, um die Hochgeschwindigkeits-Parallelberechnungsfähigkeit von TFLN zu validieren.
Die dritte Stufe sind zukunftsweisende ferroelektrische Materialien für die nächste Generation der Rechenleistung, hauptsächlich PZT und BTO. Der Fokus der Forschung und Entwicklung beider Materialien liegt auf dem Szenario der photonischen Speicher- und Berechnungsintegration, während sie gleichzeitig über ausgezeichnete elektrooptische Modulationsfähigkeiten verfügen. Dank der nativen nichtflüchtigen ferroelektrischen Eigenschaften des Materials können die Operationsgewichte auch nach dem Abschalten des Stroms erhalten bleiben, wodurch die Nachteile von Silizium-Photonik, InP und TFLN in Bezug auf den Stromverbrauch der Rechenleistung auf Materialebene behoben werden.
Wettbewerb der Vor- und Nachteile im Szenario der Photonenberechnung
Die einfache Einstufung nach dem Stand der Industrialisierung reicht nicht aus, um die Leistungsunterschiede zwischen den verschiedenen Materialien zu verdeutlichen. Im Folgenden gehen wir vom Anwendungsszenario der photonischen Speicher- und Berechnungsintegration aus und vergleichen die Vorteile und technischen Kompromisse der fünf Materialrouten in sechs Dimensionen: nichtflüchtige Speichereigenschaften, Effizienz der Elektrooptikmodulation, Betriebsstromverbrauch, Modulationsantwortgeschwindigkeit, Kompatibilität mit Silizium-basierten Prozessen und Schwierigkeit des Massenproduktionsprozesses.
Die Fähigkeit des nichtflüchtigen Speicherns ist der zentrale Trennungsfaktor, der die Anwendungsbereiche der verschiedenen Materialien unterscheidet. Silizium-Photonik, InP und TFLN verfügen nicht über die Fähigkeit, Operationsgewichte selbstständig zu speichern. Während des Betriebs müssen sie entweder mit externen Speicherchips kombiniert werden oder ständig mit Strom versorgt werden, um den Operationszustand zu aktualisieren, damit der Berechnungsablauf stabil aufrechterhalten werden kann. PZT und BTO können dank ihrer ferroelektrischen Polarisationseigenschaften Operationsgewichte über lange Zeit speichern und sind von Natur aus an die Architektur der Speicher- und Berechnungsintegration angepasst, was die wichtigste Wettbewerbsstärke der ferroelektrischen Materialien im Vergleich zu anderen Materialrouten darstellt.
In Bezug auf die Effizienz der Elektrooptikmodulation erreicht Silizium-Photonik die Modulation durch thermooptische Effekte oder Ladungsträger, und die Gesamtmodulationseffizienz ist durchschnittlich. InP verwendet die Art der elektroabsorptiven Modulation, zeichnet sich durch hervorragende Hochgeschwindigkeitsleistung aus, führt aber zu unauflösbarem Wärmeabgabedruck. TFLN nutzt den Pockels-elektrooptischen Effekt, seine Modulationsbandbreite kann 110 GHz überschreiten, die Betriebs-Treiberspannung liegt unter 2 V, und es kann direkt an ausgereifte CMOS-Treiberschaltkreise angeschlossen werden. PZT arbeitet ebenfalls auf Basis des Pockels-Effekts, sein elektrooptischer Koeffizient beträgt etwa 100 pm/V, was mehr als das Dreifache von TFLN entspricht. Bei gleicher optischer Weglänge kann es einen stärkeren Modulationseffekt erzielen. Theoretisch hat BTO eine höhere Obergrenze der elektrooptischen Leistung, aber die entsprechende ingenieurmäßige Validierung ist noch nicht abgeschlossen.
In der Dimension des Betriebsstromverbrauchs liegt der Leerlaufstromverbrauch des thermooptischen Modulationsschemas von Silizium-Photonik im Milliwatt-Bereich. Mit der stetigen Erweiterung der Chip-Integrationsgröße wird das Problem des thermischen Übersprechens zwischen den optischen Wegen immer stärker. Bei der elektroabsorptiven Modulation von InP entsteht während des Betriebs auch ständig Wärmeverlust. TFLN-Bauelemente müssen ständig mit Strom versorgt werden, um stabil zu arbeiten, sodass der statische Stromverbrauch nicht auf Null sinken kann. Dank der nichtflüchtigen ferroelektrischen Eigenschaften von PZT nähert sich der statische Stromverbrauch des Chips Null unendlich stark. Messdaten des relevanten Teams der Shanghai Jiao Tong University zeigen, dass der Energieverbrauch für eine einzelne Signalabstimmung des Materials nur 0,05 Nanowatt beträgt, was acht Größenordnungen niedriger ist als das thermooptische Schema von Silizium-Photonik. Der theoretische Stromverbrauch von BTO ist extrem niedrig, aber vorläufig fehlen Wafer-Level-Messdaten als Stütze.
In Bezug auf die Modulationsantwortgeschwindigkeit beträgt die Bandbreite des Silizium-Photonik-Modulators etwa 60-70 GHz, was bereits die physikalische Leistungsgrenze von Silizium-basierten Materialien erreicht. Der elektroabsorptive Modulator EML von InP hat eine hohe intrinsische Elektronenmobilität, die theoretische Bandbreite kann 100-110 GHz erreichen, und die Obergrenze der Hardwaregeschwindigkeit ist höher als die von Silizium-Photonik, aber das Wärmeabgabeproblem schränkt die tatsächliche Leistung ein. TFLN hat keine Ladungsträgerdispersion und extrem niedrige Wärmeverluste. Die 3dB-Bandbreite der derzeit kommerziell erhältlichen Modulatoren überschreitet stabil 110 GHz und hat einen unersetzbaren Bandbreitenvorteil in ultraschnellen optischen Modulen von Rechenzentren für 1,6T, 3,2T und sogar die nächste Generation von 6,4T sowie in CPO. Die Leistung der ferroelektrischen Materialien ist ebenfalls hervorragend: Die Shanghai Jiao Tong University veröffentlichte im Juli 2026 Ergebnisse, dass vier PZT-Elektrooptikmodulatoren alle eine Elektrooptik-Bandbreite von mehr als 100 GHz erreichen, was der höchste gemeldete Leistungsindikator für PZT-Bauelemente in öffentlichen Berichten ist. Der volumetrische elektrooptische Koeffizient von BTO beträgt 253 pm/V, was weit höher ist als der von TFLN und PZT. Theoretisch kann es eine ultraschnelle Modulation unterstützen, aber die entsprechende Leistungsvalidierung wird noch fortgesetzt.
Unter dem Gesichtspunkt der Kompatibilität mit der Silizium-basierten Prozessintegration ist Silizium-Photonik von Natur aus an den CMOS-Fertigungsprozess angepasst und hat die geringste Integrationsschwierigkeit. InP erfordert dagegen mehrschichtige epitaxiale Stapelung und verwendet meist ein heterogenes hybrides Integrationsschema. Die Herstellung von TFLN ist noch komplexer, erfordert spezielle Verfahren wie Ionen-Schneiden und hochpräzises Wafer-Bonden, und das Material selbst kann kein Licht emittieren, sodass es mit einer externen InP-Laserlichtquelle kombiniert werden muss. PZT ist relativ einfach: Die Dünnschichtherstellung kann nur durch Flüssigphasenabscheidung und Magnetron-Sputtern abgeschlossen werden, und es kann mit den vorhandenen CMOS-Massenproduktionslinien kompatibel sein. Am schwierigsten ist BTO: Seine ultradünnen Dünnschichten lassen sich kaum in großflächiger gleichmäßiger Weise wachsen, und die Leistungsgleichmäßigkeit innerhalb des gesamten Wafers ist schwer zu kontrollieren, was ein hervorragendes Problem im Prozess der Industrialisierung darstellt.
In Bezug auf den Reifegrad des Massenproduktionsprozesses ist das gesamte Prozesssystem der Silizium-Photonik perfekt. GlobalFoundries, TSMC, UMC, Tower Semiconductor und zahlreiche inländische Unternehmen in der ganzen Welt bieten standardisierte Silizium-Photonik-PDK- und MPW-Fertigungsdienstleistungen an, und die Massenproduktionslinien für 8-Zoll- und 12-Zoll-Wafer sind ausgereift. Die weltweit hauptsächlich in Massenproduktion hergestellten InP-Substrate sind hauptsächlich 4-Zoll groß, die Ausbeute von 6-Zoll-Substraten ist niedrig, und der Erweiterungszyklus der Produktion beträgt 3-5 Jahre. Gleichzeitig ist das benötigte MOCVD-Epitaxie-Gerät mehr als zehn Millionen Euro wert, und die Herstellungskosten eines einzelnen Wafers sind mehr als zehnmal so hoch wie die von Silizium. TFLN hat bereits zahlreiche Auftragsfertiger angezogen, aber sein spezifischer Prozessablauf ist besonders, und die gesamte globale Produktionskapazität befindet sich noch in der Phase des Hochlaufs. Für PZT wurde die kostengünstige Massenherstellung von 4-Zoll-Wafern abgeschlossen, und das weltweit erste spezielle Prozessentwicklungskit für die photonische Integration wurde eingeführt. Die großflächige Komponentengleichmäßigkeit von BTO-Dünnschichten und die Steuerung von Sauerstoffleerstellenfehlern sind schwer zu handhaben, die Leistungsschwankungen des gesamten Wafers sind extrem groß. Bis heute gibt es kein ausgereiftes Massenproduktionsschema für Wafer von 4 Zoll und größer, und nur im Labor der Tsinghua-Universität wurden 4-Zoll-BTO-epitaxiale Proben hergestellt.
Zusammenfassend lässt sich anhand der Leistung in allen Dimensionen erkennen, dass die Kompromisse verschiedener Materialrouten im Wesentlichen ein gegenseitiger Ausgleich zwischen der Hochgeschwindigkeitsübertragungsleistung und der Energieeffizienz der Rechenleistung sowie zwischen dem Reifegrad der industriellen Umsetzung und der fortschrittlichen Technologie sind.
Globale industrielle Verteilung der Photonenchip-Materialien
Aus der Perspektive der industriellen Umsetzung bestimmen die deutlichen Unterschiede verschiedener photonischer Materialien in Leistungsindikatoren, Herstellungsschwierigkeiten und Massenproduktionskosten direkt die technischen Entscheidungen und das kommerzielle Fortschrittstempo von Unternehmen in verschiedenen Regionen der Welt. Die Unternehmen haben unterschiedliche Entscheidungen bei der Wahl der Materialrouten: Ausländische Hersteller nutzen die ausgereifte Halbleiter-Fertigungsökologie, um vorrangig standardisierte Plattformen für Silizium-Photonik und TFLN aufzubauen. Die inländische Industriekette treibt gleichzeitig mehrere Routen parallel voran und hat differenzierte Wettbewerbsvorteile in der kommerziellen Lieferung von Silizium-Photonik, der vollständigen unabhängigen Versorgung der gesamten TFLN-Kette und dem zukunftsweisenden Bereich der PZT-Photonenberechnung gebildet.
Silizium-Photonik-Route: Stabile kommerzielle Basis
Silizium-Photonik ist derzeit das photonische Materialschema mit der am weitesten entwickelten Industrialisierung und dem höchsten Marktanteil, und es ist auch der zentrale Träger für die Umsetzung der KI-Rechenleistungsvernetzung und der CPO-Technologie. Nach Prognosen von TrendForce wird die Durchdringungsrate von CPO in optischen Kommunikationsmodulen von KI-Rechenzentren stetig steigen und bis etwa 2030 voraussichtlich etwa 35 % erreichen.
Auf dem ausländischen Markt vertiefen führende Unternehmen wie Intel, Cisco, Ayar Labs und Lightmatter ständig ihre Arbeit an der