Fra kommunikation til datacentre og mere – Gennembrud inden for fotonisk integreret kredsløb klar til at omvælte branchen

En ny undersøgelse har afsløret udviklingen af skalerbare fotonisk integrerede kredsløb ved brug af den uorganiske forbindelse lithiumtantalat (LiTaO3), et diamagnetisk fast stof, der er uopløseligt i vand. Forskere ved EPFL har gjort betydelige fremskridt inden for optisk teknologi med potentiale for udbredt kommerciel anvendelse.

Et fotonisk integreret kredsløb (PIC) er en mikrochip, der indeholder fotoniske komponenter, der bruger lys eller fotoner i stedet for elektriske komponenter som transistorer, induktorer og modstande, som muliggør elektronstrøm. Fotoniske chips anvender optiske komponenter som lasere, bølgledere og polariserere til at manipulere fotoner.

En fotonisk chip udnytter fotoner i stedet for elektroner til at behandle og distribuere information. Brug af lys i stedet for elektricitet gør det muligt for teknologien at overvinde elektronikens begrænsninger, såsom varmeudvikling.

Dette gør det muligt for PIC’er at tilbyde fordele som lav termisk påvirkning, stor integrationskapacitet, miniaturisering og højere hastighed. Samtidig er PIC’er kompatible med eksisterende produktionsprocesser, hvilket muliggør lavere priser, masseproduktion og høj udbytte.

Som følge heraf har PIC’er fundet anvendelse i et bredt spektrum af industrier, fra bilindustrien til astronomi, sensorteknologi, biomedicin og datakommunikation. Efterhånden som videnskabsfolk og forskere fortsætter med at arbejde på PIC’er for at forbedre dem, kan de se endnu flere anvendelser og indlede en ny teknologisk æra.

Indtil nu har PIC’er revolutioneret computersystemer og optisk kommunikation. Dog har siliciumbaserede PIC’er domineret markedet indtil nu på grund af deres omkostningseffektivitet og evne til at integreres med eksisterende halvlederproduktions-teknologier.

På trods af de elektro-optiske modulationsbåndbreddebegrænsninger i siliciumbaserede PIC’er er silicon-on-insulator optiske transceiver-chips blevet bredt kommercialiseret. Dog har lithiumniobat-on-insulator (LNOI) wafer-platforme, kendt for deres overlegne Pockels-koefficient, som er afgørende for højhastighedsoptisk modulation, for nylig fået øget opmærksomhed.

Elektro-optiske PIC’er baseret på lithiumniobat (LiNbO3) udviser store kapaciteter på grund af deres stærke Pockels-koefficient og anvendes i højtydende computing, fotoniske acceleratorer til AI og datacenterkommunikation.

Der er dog en grund til, at lithiumniobat endnu ikke har opnået bredere adoption og kommerciel integration. Årsagerne er de komplekse produktionskrav, begrænsede wafer-størrelse og høje omkostninger pr. wafer, som begrænser dets industrielle anvendelse.

Teknologien er dyr, fordi der ikke findes eksisterende højvolumen-applikationer som dem, der fremskyndede adoptionen af silicon-on-insulator (SOI) fotonik.

I de sidste to årtier har siliciumbaserede PIC’er hurtigt overgået fra akademisk forskning til udbredt brug i datacentre, drevet af omkostningseffektivitet og højvolumen-tilgængelighed af SOI-wafer. Fremstillet ved hjælp af smart-cut-teknikker har disse SOI-wafer gjort fremstillingen af siliciumfotonik mulig og, vigtigere, er de bredt anvendt i forbruger-mikroelektronik.

For at sætte det i perspektiv produceres der hvert år over 3 millioner SOI-wafer med en diameter på 300 mm globalt.

Dog kan tingene endelig ændre sig takket være den seneste undersøgelse, som brugte lithiumtantalat (LiTaO3) til elektro-optiske PIC’er.

LiTaO3, som ligner krystalstrukturen af LiNbO3 men med tungere Ta-atomer, der erstatter Nb, giver større massefylde og stærkere kemiske bindinger, hvilket øger styrke og kemisk stabilitet. Dens større optiske båndgap muliggør også ikke-lineær optisk konvertering til det synlige og endda ultraviolet bølgelængdeområde og viser en kraftigt reduceret optisk anisotropi, som undertrykker modeblanding.

Desuden forventes modulations-effektiviteten af begge materialer at være næsten identisk, men LiTaO3’s større optiske skadethreshold gør det meget vigtigt for højtydende applikationer.

Allerede bredt anvendt i kommercielle 5G radiofrekvensfiltre, forventes LiTaO3 at nå en produktionskapacitet på 750.000 lithiumtantalat-on-insulator (LTOI) wafer om året, hvilket potentielt muliggør lavpris skalerbar fremstilling af LiTaO3-baserede PIC’er.

LiTaO3 PIC’er til skalerbar fremstilling

Den seneste undersøgelse, offentliggjort i Nature og finansieret af den schweiziske nationale videnskabsfond (SNSF) og European Research Council (ERC), gør fremskridt med at opnå skalerbarhed i produktionen af store volumener og lavpris elektro-optiske PIC’er, som er avancerede og vil imødekomme den fremtidige verden på en bedre måde.

Dette blev gjort muligt med hjælp fra lithiumtantalat, et materiale tæt beslægtet med lithiumniobat (LN) — en multifunktionel ferroelectric krystal bestående af oxygen, lithium og niobium, som er grundlaget for moderne fotonik og et nøglemateriale for optiske modulatorer, mobiltelefoner, optiske bølgledere og piezoelektriske sensorer.

Ligesom lithiumniobat (LiNbO3) har lithiumtantalat (LiTaO3) fantastiske elektro-optiske egenskaber, men det har også yderligere fordele: omkostning og skalerbarhed. LiTaO3 udviser desuden en meget lavere birefringens, hvilket muliggør høj-densitets kredsløb og bredbåndsdrift over alle telekommunikationsbånd sammenlignet med LiNbO3.

Da telekommunikationsindustrien allerede bruger dette materiale i vid udstrækning i 5G radiofrekvensfiltre, kan LiTaO3 hjælpe med at overvinde barriererne ved lithiumniobat.

Så skabte forskerne ved EPFL, ledet af professor Tobias J. Kippenberg og Xin Ou, som er professor ved Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, en PIC-platform baseret på lithiumtantalat.

Dette nye PIC udnytter LiTaO3’s iboende egenskaber til at gøre højkvalitets PIC’er mere økonomisk levedygtige, hvilket transformer feltet for elektro-optiske PIC’er. Undersøgelsen demonstrerede, at lithiumtantalat kan ætset for at skabe lavt tab PIC’er ved brug af en fremstillingsproces baseret på en dyb ultraviolet (DUV) stepper samt en lithiumtantalat Mach–Zehnder modulator (MZM). Platformen understøtter også generering af soliton-mikrocombs, hvilket er en lovende ny tilgang til fotonisk-baseret mikrobølgesignalsyntese.

For at opnå denne store præstation udviklede holdet en wafer-bindemetode for lithiumtantalat, som fungerer med SOI-produktionslinjer.

Forskerne fremstillede LiNbO3 til lithiumniobat-on-insulator (LNOI) strukturer for at levere en helt ny klasse af elektro-optiske PIC’er med ekstremt høj hastighed og lav spænding. Ifølge undersøgelsen kan disse PIC’er blive en integreret del af fremtidige energieffektive kommunikationssystemer.

Fremstillingen blev udført ved hjælp af smart-cut-teknikken. Denne fremstilling af LTOI er tættere på den højvolumen-kommercielle produktion af SOI-wafer, hvilket giver højere effektivitet og lavere produktionsomkostninger.

Derefter maskede holdet waferen med kulstof og begyndte at ætse modulatorer, optiske bølgledere og faktormikroresonatorer af fremragende kvalitet. De kombinerede to teknikker til at ætse waferen: DUV-fotolitografi, som indebærer at skabe mønstre ved brug af kontrolleret lys, og tør-ætsning, som fjerner materiale ved at udsætte det for ioner. Oprindeligt udviklet til lithiumniobat, blev denne ætseproces senere tilpasset til at ætse den hårdere og mere inerte lithiumtantalat.

Ætsningen blev tilpasset for at minimere optiske tab, hvilket er kritisk for at opnå høj ydeevne i fotoniske kredsløb.

Som resultat lykkedes det forskerne at fremstille lithiumtantalat PIC’er, som er yderst effektive og har en optisk tabshastighed på kun 5,6 dB/m ved telekommunikationsbølgelængde.

Som nævnt ovenfor var elektro-optisk MZM — i øjeblikket brugt i højhastigheds optisk fiberkommunikation — et andet højdepunkt i denne undersøgelse. Lithiumtantalat MZM’ens elektro-optiske båndbredde nåede 40 GHz, mens den leverede et halv-bølgelængde spændings-længde produkt på 1,9 V·cm. Ifølge undersøgelsen:

Vores proces er fuldt skaleret til wafer og baseret på dyb-ultraviolet fotolitografi og lægger grundlaget for skalerbar fremstilling af højtydende elektro-optiske PIC’er, som kan udnytte skalaen af LTOI wafer-fremstilling til 5G-filtre.

På denne måde opnår studiets LTOI PIC’er lignende tab og elektro-optisk ydeevne som den veletablerede LNOI-teknologi, som har stort potentiale for brug i datacenter-interconnects, langdistance optisk kommunikation og kvantefotonik. Ifølge Chengli Wang, studiets forfatter:

Studiet var desuden i stand til at generere soliton-mikrocomb, mens det opretholdt yderst effektiv elektro-optisk ydeevne. Disse soliton-mikrocombs har et stort antal koherente frekvenser, og når de kombineres med elektro-optiske modulationsmuligheder, er de særligt velegnede til anvendelser som parallel koherent LiDAR og fotonisk computing.

Omfattende virkelige anvendelser af lithiumtantalat PIC’er

Udviklingen af fotonisk integrerede kredsløb (PIC’er) ved brug af lithiumtantalat (LiTaO3) er en stor præstation, givet dets mange virkelige anvendelser på tværs af forskellige områder. Nogle nøgleområder, der kan drage fordel af dette gennembrud, inkluderer datacentre, som kan udnytte disse PIC’er til at håndtere massive datamængder og reducere latenstid.

Inden for telekommunikation anvendes lithiumtantalater allerede. Ved at integrere dem i PIC’er kan vi strømline overgangen til banebrydende trådløse kommunikationssystemer. Samtidig kan MZM’er forbedre dataoverførselshastigheder i optiske fibernetværk.

Computing er et andet område, hvor den ultra-høj hastighed, som disse PIC’er tilbyder, kan hjælpe behandlingskapaciteten, mens kvantecomputing kan drage fordel af lithiumtantalat PIC’ers høje effektivitet og lave birefringens. Forbrugerelektronik er endnu et felt, der kan udnytte lithiumtantalat PIC’er for bedre enhedsydelse.

Derefter er der LiDAR (Light Detection and Ranging), som kan gøres mere præcis til brug i autonome køretøjer, landbrug, vejr, navigation, biodiversitet, kortlægning og meget mere.

Andre industrier, der kan drage fordel, inkluderer sensorer, som anvendes i medicinsk, industriel og miljøovervågning, samt sundhedssektoren, hvor avancerede PIC’er kan hjælpe med tidlig diagnose og behandlingsplanlægning.

Som vi har set, gør udnyttelsen af lithiumtantalats unikke egenskaber det muligt for PIC’er at tilbyde forbedret ydeevne, skalerbarhed og omkostningseffektivitet. Disse fordele gør PIC’er baseret på lithiumtantalat yderst velegnede til et bredt spektrum af anvendelser, der kræver højhastigheds- og høj-effektivitet optiske løsninger.

Klik her for at lære, hvorfor lasere vil spille en afgørende rolle i de kommende årtier.

Virksomheder, der kan drage fordel af dette fremskridt 

Det seneste fremskridt inden for PIC’er har dybtgående anvendelsesmuligheder, som vi har diskuteret ovenfor, lad os nu se på et par virksomheder, der kan drage fordel af denne nye teknologi:

#1. Lumentum Holdings Inc. (LITE)

Lumentum er en leverandør af optiske og fotoniske produkter, der dækker laser- og kommunikationsmarkedet via segmenterne Lasers og OpComms. Virksomheden har en markedsværdi på 3,12 mia. USD, mens dens aktier (LITE: NASDAQ) handles til 46,28 USD, ned 11,71% år-til-dato. Dens EPS (TTM) er -5,26, og dens P/E (TTM) er -8,81.

For sine seneste kvartalsresultater rapporterede Lumentum en nettoomsætning på 366,5 millioner USD, lidt højere end forventet. Der var dog et fald i forhold til foregående kvartal, delvist på grund af lagerproblemer hos telekundekunder.

Non-GAAP nettoindkomst var 19,6 millioner USD, mens GAAP nettotab var 127 millioner USD. GAAP bruttoavance faldt til 16,2%, og non-GAAP bruttoavance blev reduceret til 32,6%. Virksomhedens samlede kontanter, kontantekvivalenter og kortfristede investeringer faldt også til 870,9 millioner USD, hovedsageligt på grund af en tilbagebetaling på 323 millioner USD i konvertible obligationer.

CEO Alan Lowe er dog optimistisk omkring telekommunikationssektorens genopretning og har udtrykt tillid til virksomhedens evne til at udnytte den stigende efterspørgsel efter AI-drevne cloud-datacentre.

#2. Infinera Corporation (INFN)

Infinera Corporation leverer avancerede optiske halvledere og optiske netværksløsninger til virksomheder, regeringer, operatører og cloud-udbydere. Virksomheden har en markedsværdi på 1,27 mia. USD, og dens aktier handles til 5,46 USD, op 14,95% år-til-dato. Dens EPS (TTM) er -0,34, og dens P/E (TTM) er -16,04.

For 2. kvartal 2024 rapporterede virksomheden 306,9 millioner USD i GAAP-omsætning, ned fra 453,5 millioner USD i foregående kvartal. GAAP bruttoavance var derimod 36,0%, igen et fald fra 38,6% i 4Q23 og 37,5% i 1Q23. For kvartalet var GAAP driftsmarginen 14%, og GAAP nettotabet var 61,4 millioner USD.

Den non-GAAP bruttoavance var 36,6%, den non-GAAP driftsmargin var 8,4%, og det non-GAAP nettotab var 38,3 millioner USD. Virksomheden genererede 24 millioner USD i driftskontantstrøm og fri kontantstrøm på 16 millioner USD, så kvartalet sluttede med kontanter, kontantekvivalenter og begrænsede kontanter på 192,2 millioner USD.

CEO David Heard kaldte 1Q24 for et vigtigt kvartal, præget af betydelig kunde-, RFP- og design-vind-momentum.

Afsluttende tanker

Selvom PIC’er baseret på siliciumfotonik har ledet verden med udbredt brug i telekommunikation og datacentre i de sidste mange årtier, vil tingene blive endnu mere interessante med næste generation af PIC’er, der træder ind på scenen.

Ultrahøjhastigheds PIC’er baseret på elektro-optiske materialer vil spille en større rolle i energieffektive datacentre, 5G- og 6G-radiofrekvensfiltre, optisk kommunikation og, vigtigst af alt, i AI-arbejdsbelastningsdrevet højtydende computing.

Selvfølgelig kræver det skalerbar, lavprisproduktion for at dette kan ske, hvilket den seneste undersøgelse har opnået ved brug af LiTaO3, som i nogle tilfælde er overlegen i forhold til LiNbO3. At være kompatibel med eksisterende produktionslinjer gør denne nye metode yderst attraktiv. Den lover lavpris næste generations elektro-optiske PIC’er med bred anvendelighed på tværs af industrier.

Klik her for at lære, hvordan ny fononikforskning kan revolutionere kommunikationsenheder.