الحوسبة
من الاتصالات إلى مراكز البيانات وأكثر – اختراق الدوائر المتكاملة الضوئية يستعد لتغيير الصناعة
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
كشفت دراسة جديدة عن تطوير دوائر متكاملة ضوئية قابلة للتوسع باستخدام المركب غير العضوي الليثيوم تانتاليت (LiTaO3)، وهو صلب ديامغناطيسي غير قابل للذوبان في الماء. حقق الباحثون في EPFL تقدمًا كبيرًا في تقنيات البصريات مع إمكانات للتطبيقات التجارية الواسعة.
الدائرة المتكاملة الضوئية (PIC) هي شريحة دقيقة تحتوي على مكونات ضوئية تستخدم الضوء أو الفوتونات بدلاً من المكونات الكهربائية مثل الترانزستورات والملفات والمقاومات التي تسهل تدفق الإلكترونات. تستخدم الشرائح الضوئية مكونات بصرية مثل الليزر، الموجات الموجهة، والمرشحات لتوجيه الفوتونات.
تستغل الشريحة الضوئية الفوتونات بدلاً من الإلكترونات لمعالجة وتوزيع المعلومات. يسمح استخدام الضوء بدلاً من الكهرباء لهذه التقنية بتجاوز قيود الإلكترونيات مثل توليد الحرارة.
هذا يسمح للدوائر المتكاملة الضوئية بتقديم مزايا انخفاض التأثيرات الحرارية، سعة تكاملية عالية، تصغير الحجم، وسرعة أعلى. في الوقت نفسه، تتوافق هذه الدوائر مع عمليات التصنيع الحالية، مما يتيح أسعارًا أقل، تصنيعًا ضخمًا، وعائد إنتاج عالي.
نتيجة لذلك، وجدت الدوائر المتكاملة الضوئية تطبيقاتها في مجموعة واسعة من الصناعات، من السيارات إلى الفلك، والاستشعار، والطب الحيوي، والاتصالات البياناتية. مع استمرار العلماء والباحثين في تحسين هذه الدوائر، يمكنهم رؤية تطبيقات أكثر وتحديد عصر تكنولوجي جديد.
حتى الآن، أحدثت الدوائر المتكاملة الضوئية ثورة في أنظمة الحوسبة والاتصالات البصرية. ومع ذلك، كانت الدوائر المتكاملة الضوئية القائمة على السيليكون هي الرائدة في السوق حتى الآن بفضل فعاليتها من حيث التكلفة وقدرتها على الاندماج مع تقنيات تصنيع أشباه الموصلات القائمة.
على الرغم من قيود عرض نطاق تعديل الإلكترو‑بصري للدوائر القائمة على السيليكون، تم تسويق شرائح النقل البصري السيليكون‑على‑العازل (SOI) على نطاق واسع. ومع ذلك، بدأت منصات رقاقة الليثيوم نيونيت‑على‑العازل (LNOI) التي تُعرف بمعامل بوكيلز المتفوق الضروري لتعديل بصري عالي السرعة تجذب الانتباه مؤخرًا.
تظهر الدوائر المتكاملة الضوئية الإلكترو‑بصرية القائمة على الليثيوم نيونيت (LiNbO3) قدرات واسعة بفضل معامل بوكيلز القوي لديها، وتُستخدم في الحوسبة عالية الأداء، مسرعات فوتونية للذكاء الاصطناعي، واتصالات مراكز البيانات.
ومع ذلك، هناك سبب لعدم انتشار الليثيوم نيونيت على نطاق أوسع وتكامله التجاري حتى الآن. الأسباب هي متطلبات إنتاجه المعقدة، حجم الرقاقة المحدود، وارتفاع تكلفة الرقاقة، مما يحد من استخدامه الصناعي.
التكنولوجيا مكلفة لأنه لا توجد تطبيقات عالية الحجم موجودة مثل تلك التي سرعت اعتماد الفوتونيات السيليكون‑على‑العازل (SOI).
في العقدين الماضيين، انتقلت الدوائر المتكاملة الضوئية القائمة على السيليكون بسرعة من البحث الأكاديمي إلى الاستخدام الواسع في مراكز البيانات، مدفوعةً بفعالية التكلفة وتوافر رقاقة SOI بحجم كبير. تم إعداد رقاقة SOI باستخدام تقنيات Smart‑Cut، مما مكن من تصنيع الفوتونيات السيليكونية، والأهم من ذلك، تُستخدم على نطاق واسع في الإلكترونيات الدقيقة الاستهلاكية.
للتوضيح، يتم إنتاج أكثر من 3 ملايين رقاقة SOI بقطر 300 مم عالميًا كل عام.
ومع ذلك، بفضل الدراسة الأخيرة التي استخدمت الليثيوم تانتاليت (LiTaO3) للدوائر المتكاملة الضوئية، قد يتغير الوضع بالنسبة لها.
يُشبه الليثيوم تانتاليت في بنية البلورة الليثيوم نيونيت (LiNbO3) لكن مع استبدال ذرات Nb بذرات Ta الأثقل، مما يمنحه كثافة كتلية أعلى وروابط كيميائية أقوى، مما يعزز القوة والاستقرار الكيميائي. كما أن فجوة الطاقة البصرية الأكبر تمكنه من التحويل الضوئي غير الخطي إلى النطاق المرئي وحتى الأشعة فوق البنفسجية وتظهر انخفاضًا كبيرًا في التباين البصري، مما يحد من خلط الأنماط.
علاوة على ذلك، من المتوقع أن تكون كفاءة التعديل للموادتين متقاربة تقريبًا، لكن عتبة الضرر البصري الأكبر للـ LiTaO3 تجعلها مهمة جدًا للتطبيقات ذات القدرة العالية.
يُستخدم الليثيوم تانتاليت بالفعل على نطاق واسع في مرشحات التردد الراديوي 5G التجارية، ومن المتوقع أن يصل إنتاجه إلى قدرة 750,000 رقاقة ليثيوم تانتاليت‑على‑العازل (LTOI) سنويًا، مما قد يتيح تصنيع دوائر متكاملة ضوئية منخفضة التكلفة وقابلة للتوسع.
دوائر LiTaO3 المتكاملة الضوئية للتصنيع القابل للتوسع
الدراسة الأخيرة، نُشرت في مجلة Nature وممولة من المؤسسة الوطنية السويسرية للعلوم (SNSF) ومجلس البحوث الأوروبي (ERC)، تُحرز تقدمًا في تحقيق القابلية للتوسع في إنتاج دوائر إلكترو‑بصرية ضخمة الحجم ومنخفضة التكلفة، متقدمة وستخدم المستقبل بشكل أفضل.
تحقق ذلك بمساعدة الليثيوم تانتاليت، مادة مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بالليثيوم نيونيت (LN) — بلورة فريكوإلكترونية متعددة الوظائف تتكون من الأكسجين، الليثيوم، والنيوبوم، وهي أساس الفوتونيات الحديثة ومادة رئيسية للمُعدِّلات البصرية، الهواتف المحمولة، الموجات الموجهة، وأجهزة الاستشعار الكهروضغطية.
مثل الليثيوم نيونيت (LiNbO3)، يتمتع الليثيوم تانتاليت (LiTaO3) بخصائص إلكترو‑بصرية رائعة، لكنه يمتلك أيضًا مزايا إضافية: التكلفة والقابلية للتوسع. يظهر LiTaO3 انحرافًا ضوئيًا أقل بكثير، مما يتيح دوائر ذات كثافة عالية وتشغيلًا واسع النطاق عبر جميع نطاقات الاتصالات مقارنةً بـ LiNbO3.
نظرًا لاستخدام صناعة الاتصالات لهذه المادة على نطاق واسع في مرشحات التردد الراديوي 5G، يمكن للـ LiTaO3 المساعدة في تجاوز حواجز الليثيوم نيونيت.
لذلك، أنشأ العلماء في EPFL، بقيادة الأستاذ توبياس ج. كيبنبرغ وشين أو، أستاذ في معهد شنغهاي للأنظمة الدقيقة وتكنولوجيا المعلومات، منصة دوائر متكاملة ضوئية تعتمد على الليثيوم تانتاليت.
تستفيد هذه الدائرة المتكاملة الضوئية الجديدة من الخصائص الفطرية للـ LiTaO3 لجعل الدوائر الضوئية عالية الجودة أكثر جدوى من الناحية الاقتصادية، محوّلةً مجال الدوائر الإلكترو‑بصرية. أظهرت الدراسة أن الليثيوم تانتاليت يمكن نقشها لإنشاء دوائر منخفضة الفقد باستخدام عملية تصنيع تعتمد على جهاز خطوة بالأشعة فوق البنفسجية العميقة (DUV) بالإضافة إلى مُعدِّل ماخ‑زندير (MZM) من الليثيوم تانتاليت. تدعم المنصة أيضًا توليد الميكرو‑كومبات السوليتون، وهو نهج واعد جديد لتوليف إشارات الميكروويف الضوئية.
لتحقيق هذا الإنجاز الكبير، طوّر الفريق طريقة ربط الرقاقة للليثيوم تانتاليت، تعمل مع خطوط إنتاج رقاقة SOI.
صنّع الباحثون LiNbO3 إلى هياكل الليثيوم نيونيت‑على‑العازل (LNOI) لتوفير فئة جديدة تمامًا من الدوائر الإلكترو‑بصرية ذات سرعة عالية جدًا وفولتية منخفضة. وفقًا للدراسة، يمكن أن تصبح هذه الدوائر جزءًا أساسيًا من أنظمة الاتصالات المستقبلية ذات الكفاءة الطاقية.
تم تنفيذ التصنيع باستخدام تقنية Smart‑Cut. هذا التصنيع للـ LTOI يتماشى بشكل أقرب مع الإنتاج التجاري عالي الحجم لرقائق SOI، مما يوفر كفاءة أعلى وتكاليف إنتاج أقل.
بعد ذلك، قام الفريق بغطس الرقاقة بالكربون ثم بدأ بنقش المُعدِّلات، الموجات الموجهة الضوئية، والمايكرو‑رنينات ذات الجودة الفائقة. دمجوا تقنيتين لنقش الرقاقة: التصوير الضوئي بالأشعة فوق البنفسجية العميقة (DUV) التي تتضمن إنشاء نماذج باستخدام ضوء مُتحكم فيه، والنقش الجاف الذي يزيل المادة عبر تعريضها لأيونات. تم تطوير هذه العملية أصلاً للليثيوم نيونيت، ثم تم تعديلها لاحقًا لنقش الليثيوم تانتاليت الأكثر صلابة وغير النشط.
تم تعديل عملية النقش لتقليل الخسائر البصرية، وهو أمر حاسم لتحقيق أداء عالي في الدوائر الضوئية.
وبالتالي، نجح الباحثون في تصنيع دوائر متكاملة ضوئية من الليثيوم تانتاليت، ذات كفاءة عالية ومعدل فقدان بصري لا يتجاوز 5.6 dB/m عند طول موجة الاتصالات.
كما أُشير إلى أن مُعدِّل MZM الإلكترو‑بصري — المستخدم حاليًا في الاتصالات البصرية عالية السرعة — كان أحد أبرز ما توصلت إليه الدراسة. وصل عرض النطاق الترددي الإلكترو‑بصري لمُعدِّل الليثيوم تانتاليت إلى 40 جيجاهرتز مع تقديم منتج نصف‑موجة‑فولت‑طول يبلغ 1.9 V·cm. وفقًا للدراسة:
“عمليتنا كاملة على مستوى الرقاقة وتعتمد على التصوير الضوئي بالأشعة فوق البنفسجية العميقة وتضع الأساس لتصنيع دوائر إلكترو‑بصرية عالية الأداء على نطاق واسع يمكنه الاستفادة من حجم تصنيع رقاقة LTOI لمرشحات 5G.”
بهذه الطريقة، تحقق دوائر LTOI المتكاملة الضوئية خسارة وأداء إلكترو‑بصري مشابهين لتقنية LNOI الراسخة التي لديها إمكانات كبيرة للاستخدام في ربط مراكز البيانات، الاتصالات البصرية طويلة المدى، والفوتونيات الكمية. وفقًا لتشينغلي وانغ، مؤلف الدراسة:
“تمكّن الدراسة أيضًا من توليد ميكرو‑كومب سوليترون مع الحفاظ على أداء إلكترو‑بصري عالي الكفاءة. تتميز هذه الميكرو‑كومبات بعدد كبير من الترددات المتماسكة، وعند دمجها مع قدرات التعديل الإلكترو‑بصري، فهي مناسبة بشكل خاص لتطبيقات مثل الليدار المتوازي المتماسك والحوسبة الضوئية.”
تطبيقات واقعية واسعة النطاق لدوائر الليثيوم تانتاليت المتكاملة الضوئية
يُعد تطوير الدوائر المتكاملة الضوئية (PICs) باستخدام الليثيوم تانتاليت (LiTaO3) إنجازًا كبيرًا، نظرًا لتعدد تطبيقاته الواقعية عبر مختلف المجالات. تشمل بعض المجالات الرئيسية التي قد تستفيد من هذا التقدم مراكز البيانات، التي يمكنها استخدام هذه الدوائر لإدارة كميات هائلة من حركة البيانات وتقليل زمن الاستجابة.
في مجال الاتصالات، يُستخدم الليثيوم تانتاليت بالفعل في التطبيقات. من خلال دمجه في الدوائر المتكاملة الضوئية، يمكننا تسريع الانتقال إلى أنظمة الاتصالات اللاسلكية المتقدمة. في الوقت نفسه، يمكن لمُعدِّلات MZM تحسين معدلات نقل البيانات في شبكات الألياف الضوئية.
الحوسبة هي مجال آخر يمكن للسرعة الفائقة التي توفرها هذه الدوائر أن تعزز قدرات المعالجة، بينما يمكن للحوسبة الكمومية الاستفادة من كفاءة الدوائر المتكاملة الضوئية للثلاثي تانتاليت وانخفاض انحرافها الضوئي. الإلكترونيات الاستهلاكية هي مجال آخر يمكنه الاستفادة من دوائر الليثيوم تانتاليت المتكاملة الضوئية لتحسين أداء الأجهزة.
ثم هناك الليدار (Light Detection and Ranging)، الذي يمكن جعله أكثر دقة للاستخدام في المركبات الذاتية القيادة، الزراعة، الطقس، الملاحة، التنوع البيولوجي، رسم الخرائط، والعديد من التطبيقات الأخرى.
تشمل الصناعات الأخرى التي قد تستفيد المستشعرات، التي تُستخدم في المراقبة الطبية، الصناعية، والبيئية، والرعاية الصحية، حيث يمكن للدوائر المتكاملة الضوئية المتقدمة المساعدة في التشخيص المبكر وتخطيط العلاج.
كما رأينا، يتيح استغلال الخصائص الفريدة لليثيوم تانتاليت للدوائر المتكاملة الضوئية تقديم أداء محسّن، قابلية توسع، وتكلفة فعّالة. تجعل هذه الفوائد الدوائر المتكاملة الضوئية القائمة على الليثيوم تانتاليت مناسبة جدًا لمجموعة واسعة من التطبيقات التي تتطلب حلولًا بصرية عالية السرعة وكفاءة عالية.
انقر هنا لتتعرف على سبب استعداد الليزر للعب دور محوري في العقود القادمة.
الشركات التي يمكن أن تستفيد من هذا التقدم
للتقدم الأخير في الدوائر المتكاملة الضوئية حالات استخدام عميقة، كما تحدثنا أعلاه، الآن، دعونا نلقي نظرة على بعض الشركات التي يمكن أن تستفيد من هذه التقنية الجديدة:
#1. Lumentum Holdings Inc. (LITE)
Lumentum هي مزود لمنتجات بصرية وفوتونية، تغطي سوق الليزر والاتصالات عبر قطاعات Lasers و OpComms. تبلغ قيمة الشركة السوقية 3.12 مليار دولار، بينما تُتداول أسهمها (LITE: NASDAQ) عند 46.28 دولار، بانخفاض 11.71% منذ بداية العام. ربحية السهم (TTM) هي -5.26، ومضاعف السعر إلى الأرباح (TTM) هو -8.81.
LITE مخطط السعر
لنتائجها الربعية الأخيرة النتائج، أبلغت Lumentum عن إيرادات صافية قدرها 366.5 مليون دولار، أعلى قليلاً من التقديرات. ومع ذلك، كان هناك انخفاض مقارنة بالربع السابق، جزئيًا بسبب مشاكل المخزون التي تواجه عملاء الاتصالات.
كان صافي الدخل غير المتوافق مع معايير GAAP 19.6 مليون دولار، بينما كان صافي الخسارة وفق GAAP 127 مليون دولار. انخفض هامش الربح الإجمالي وفق GAAP إلى 16.2%، وهامش الربح غير المتوافق مع معايير GAAP إلى 32.6%. كما انخفض إجمالي النقد وما يعادله والاستثمارات قصيرة الأجل إلى 870.9 مليون دولار، ويرجع ذلك أساسًا إلى سداد 323 مليون دولار من السندات القابلة للتحويل.
ومع ذلك، يظل الرئيس التنفيذي آلان لو متفائلًا بشأن تعافي قطاع الاتصالات وقد أعرب عن ثقته في قدرة الشركة على الاستفادة من الطلب المتزايد على مراكز البيانات السحابية المدفوعة بالذكاء الاصطناعي.
#2. Infinera Corporation (INFN)
Infinera Corporation تزود بأشباه موصلات بصرية متقدمة وحلول شبكات بصرية للمؤسسات، الحكومات، المشغلين، ومزودي السحابة. تبلغ قيمة الشركة السوقية 1.27 مليار دولار، وتُتداول أسهمها عند 5.46 دولار، بارتفاع 14.95% منذ بداية العام. ربحية السهم (TTM) هي -0.34، ومضاعف السعر إلى الأرباح (TTM) هو -16.04.
لربع الثاني من عام 2024، أعلنت عن إيرادات GAAP قدرها 306.9 مليون دولار، بانخفاض مقارنة بـ 453.5 مليون دولار في الربع السابق. كان هامش الربح الإجمالي وفق GAAP 36.0%، وهو انخفاض مقارنة بـ 38.6% في الربع الرابع من 2023 و37.5% في الربع الأول من 2023. كان هامش التشغيل وفق GAAP 14%، وصافي الخسارة وفق GAAP 61.4 مليون دولار.
كان هامش الربح غير المتوافق مع معايير GAAP 36.6%، وهامش التشغيل غير المتوافق مع معايير GAAP 8.4%، وصافي الخسارة غير المتوافق مع معايير GAAP 38.3 مليون دولار. ولدت الشركة تدفق نقدي تشغيلي قدره 24 مليون دولار وتدفق نقدي حر قدره 16 مليون دولار لتختتم الربع بنقد وما يعادله ونقد مقيد بقيمة 192.2 مليون دولار.
وصف الرئيس التنفيذي ديفيد هيرد الربع الأول من 2024 بأنه ربع مهم، تميز بدفعة قوية من العملاء، طلبات العروض، وانتصارات التصميم.
أفكار ختامية
في حين أن الدوائر المتكاملة الضوئية القائمة على الفوتونيات السيليكونية كانت رائدة عالميًا باستخدامها الواسع في الاتصالات ومراكز البيانات على مدى عقود عديدة، فإن الأمور ستصبح أكثر إثارة مع دخول الجيل التالي من الدوائر المتكاملة الضوئية.
ستلعب الدوائر المتكاملة الضوئية فائقة السرعة القائمة على مواد إلكترو‑بصرية دورًا أكبر في مراكز البيانات ذات الكفاءة الطاقية، مرشحات التردد الراديوي 5G و6G، الاتصالات البصرية، والأهم من ذلك، في الحوسبة عالية الأداء المدفوعة بأعباء عمل الذكاء الاصطناعي.
بالطبع، لتحقيق ذلك نحتاج إلى تصنيع قابل للتوسع ومنخفض التكلفة، وهو ما أنجزته الدراسة الأخيرة باستخدام LiTaO3، الذي يُعد في بعض الحالات متفوقًا على LiNbO3. توافقه مع خطوط الإنتاج الحالية يجعل هذه الطريقة الجديدة جذابة للغاية. إنها تعد بدوائر إلكترو‑بصرية منخفضة التكلفة للجيل القادم ذات قابلية تطبيق واسعة عبر الصناعات.
انقر هنا لتتعرف على كيف قد تُعيد أبحاث الفونونيك الجديدة تعريف أجهزة الاتصال للجيل القادم.
