Computing
Von Kommunikation bis Rechenzentren und mehr – Durchbruch bei photonischen integrierten Schaltkreisen, der die Branche revolutionieren wird
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Eine neue Studie hat die Entwicklung skalierbarer photonischer integrierter Schaltkreise (PICs) unter Verwendung der anorganischen Verbindung Lithiumtantalat (LiTaO3) aufgezeigt, einem diamagnetischen Feststoff, der in Wasser unlöslich ist. Forscher der EPFL haben bedeutende Fortschritte in optischen Technologien erzielt, die ein breites kommerzielles Anwendungspotenzial besitzen.
Ein photonischer integrierter Schaltkreis (PIC) ist ein Mikrochip, der photonische Bauelemente enthält, die Licht bzw. Photonen anstelle von elektrischen Bauteilen wie Transistoren, Induktivitäten und Widerständen nutzen, die den Elektronenfluss ermöglichen. Photonische Chips verwenden optische Komponenten wie Laser, Wellenleiter und Polarisatoren, um Photonen zu steuern.
Ein photonischer Chip nutzt Photonen anstelle von Elektronen, um Informationen zu verarbeiten und zu verteilen. Der Einsatz von Licht anstelle von Elektrizität ermöglicht es dieser Technologie, die Beschränkungen der Elektronik, wie die Wärmeentwicklung, zu überwinden.
Dies ermöglicht PICs die Vorteile geringer thermischer Effekte, hoher Integrationskapazität, Miniaturisierung und höherer Geschwindigkeit. Gleichzeitig sind PICs mit bestehenden Fertigungsabläufen kompatibel, was niedrigere Preise, Serienfertigung und hohe Ausbeute erlaubt.
Infolgedessen fanden PICs Anwendung in einer breiten Palette von Branchen, von der Automobilindustrie über die Astronomie bis hin zu Sensorik, Biomedizin und Datenkommunikation. Während Wissenschaftler und Forscher weiterhin an PICs arbeiten, um sie zu verbessern, sehen sie noch mehr Einsatzmöglichkeiten und leiten eine neue technologische Ära ein.
Bis heute haben PICs Computersysteme und optische Kommunikation revolutioniert. Allerdings haben siliciumbasierte PICs bislang den Markt dominiert, da sie kostengünstig sind und sich in bestehende Halbleiterfertigungstechnologien integrieren lassen.
Trotz der Beschränkungen der elektro‑optischen Modulationsbandbreite bei siliciumbasierten PICs wurden Silizium‑on‑Insulator‑Optik-Transceiver‑Chips weitgehend kommerzialisiert. In jüngerer Zeit haben jedoch Lithiumniobat‑on‑Insulator‑(LNOI‑)Wafer‑Plattformen, die für ihren überlegenen Pockels‑Koeffizienten, der für hochgeschwindige optische Modulation entscheidend ist, bekannt sind, an Aufmerksamkeit gewonnen.
Elektro‑optische PICs auf Basis von Lithiumniobat (LiNbO3) zeigen dank ihres starken Pockels‑Koeffizienten enorme Fähigkeiten und finden Anwendung in Hochleistungs‑Computing, photonischen Beschleunigern für KI und Datenzentrum‑Kommunikation.
Allerdings gibt es Gründe, warum Lithiumniobat bislang nicht breiter übernommen und kommerziell integriert wurde. Die Gründe liegen in den komplexen Produktionsanforderungen, der begrenzten Wafer‑Größe und den hohen Kosten pro Wafer, die seine industrielle Nutzung einschränken.
Die Technologie ist teuer, weil es keine bestehenden Hochvolumen‑Anwendungen gibt, wie sie die Einführung von Silizium‑on‑Insulator‑(SOI‑)Photonik beschleunigt haben.
In den letzten zwei Jahrzehnten haben sich siliciumbasierte PICs rasch von der akademischen Forschung zur breiten Nutzung in Rechenzentren entwickelt, angetrieben durch die Kosteneffizienz und die Verfügbarkeit von SOI‑Wafern in großen Stückzahlen. Mit Smart‑Cut‑Techniken hergestellt, ermöglichen diese SOI‑Wafer die Fertigung von Silizium‑Photonik und werden darüber hinaus breit in Verbraucher‑Mikroelektronik eingesetzt.
Um das einzuordnen: Jährlich werden weltweit über 3 Millionen SOI‑Wafer mit einem Durchmesser von 300 mm produziert.
Dank der neuesten Studie, die Lithiumtantalat (LiTaO3) für elektro‑optische PICs verwendet, könnten sich die Dinge jedoch endlich für sie ändern.
LiTaO3, das in seiner Kristallstruktur LiNbO3 ähnelt, jedoch schwerere Ta‑Atome anstelle von Nb enthält, bietet eine höhere Massendichte und stärkere chemische Bindungen, was die Festigkeit und chemische Stabilität erhöht. Sein größeres optisches Bandgap ermöglicht zudem nichtlineare optische Umwandlungen in den sichtbaren und sogar ultravioletten Wellenlängenbereich und weist eine stark verringerte optische Anisotropie auf, wodurch Modenmischungen unterdrückt werden.
Zudem wird erwartet, dass die Modulationseffizienz beider Materialien nahezu identisch ist, aber die höhere optische Schadensschwelle von LiTaO3 macht es für Hochleistungsanwendungen besonders wichtig.
LiTaO3, das bereits in kommerziellen 5G‑Hochfrequenzfiltern breit eingesetzt wird, soll voraussichtlich eine Produktionskapazität von 750 000 Lithiumtantalat‑on‑Insulator‑(LTOI‑)Wafern pro Jahr erreichen, was potenziell die kostengünstige, skalierbare Fertigung von LiTaO3‑basierten PICs ermöglicht.
LiTaO3‑PICs für skalierbare Fertigung
Die neueste Studie, veröffentlicht in Nature und gefördert von der Schweizerischen Nationalen Wissenschaftsfonds (SNSF) sowie dem Europäischen Forschungsrat (ERC), macht Fortschritte bei der Erreichung von Skalierbarkeit in der Produktion von großvolumigen und kostengünstigen elektro‑optischen PICs, die fortschrittlich sind und die zukünftige Welt besser bedienen werden.
Dies wurde durch Lithiumtantalat ermöglicht, ein Material, das eng mit Lithiumniobat (LN) verwandt ist – einem multifunktionalen ferroelektrischen Kristall aus Sauerstoff, Lithium und Niob, der die Grundlage der modernen Photoniks bildet und ein Schlüsselmaterial für optische Modulatoren, Mobiltelefone, optische Wellenleiter und piezoelektrische Sensoren ist.
Wie Lithiumniobat (LiNbO3) besitzt auch Lithiumtantalat (LiTaO3) fantastische elektro‑optische Eigenschaften, bietet jedoch zusätzliche Vorteile: Kosten und Skalierbarkeit. LiTaO3 weist zudem eine deutlich geringere Doppelbrechung auf, was hochdichte Schaltungen und Breitbandbetrieb über alle Telekommunikationsbänder im Vergleich zu LiNbO3 ermöglicht.
Da die Telekommunikationsindustrie dieses Material bereits umfassend in 5G‑Hochfrequenzfiltern einsetzt, kann LiTaO3 helfen, die Hürden von Lithiumniobat zu überwinden.
So haben die Wissenschaftler der EPFL, geleitet von Professor Tobias J. Kippenberg und Xin Ou, einem Professor am Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, eine PIC‑Plattform auf Basis von Lithiumtantalat entwickelt.
Dieses neue PIC nutzt die inhärenten Eigenschaften von LiTaO3, um hochwertige PICs wirtschaftlich rentabler zu machen und das Feld der elektro‑optischen PICs zu transformieren. Die Studie zeigte, dass Lithiumtantalat geätzt werden kann, um verlustarme PICs zu erzeugen, indem ein Fertigungsprozess auf Basis eines Deep‑Ultraviolet‑(DUV‑)Steppers sowie eines Lithiumtantalat‑Mach‑Zehnder‑Modulators (MZM) verwendet wird. Die Plattform unterstützt zudem die Erzeugung von Soliton‑Mikro‑Kombs, ein vielversprechender neuer Ansatz für photonisch basierte Mikrowellensignalsynthese.
Um diese großartige Leistung zu erzielen, entwickelte das Team eine Wafer‑Bonding‑Methode für Lithiumtantalat, die mit SOI‑Produktionslinien kompatibel ist.
Die Forscher fertigten LiNbO3 zu Lithiumniobat‑on‑Insulator‑(LNOI‑)Strukturen, um eine völlig neue Klasse von elektro‑optischen PICs mit extrem hoher Geschwindigkeit und niedriger Spannung bereitzustellen. Laut Studie können diese PICs ein integraler Bestandteil zukünftiger energieeffizienter Kommunikationssysteme werden.
Die Fertigung erfolgte mittels Smart‑Cut‑Technik. Diese Herstellung von LTOI ist stärker an die hochvolumige kommerzielle Produktion von SOI‑Wafern angepasst und bietet höhere Effizienz sowie geringere Produktionskosten.
Als nächstes maskierte das Team den Wafer mit Kohlenstoff und begann dann mit dem Ätzen von Modulatoren, optischen Wellenleitern und hochqualitativen Mikroresonatoren. Sie kombinierten zwei Techniken zum Ätzen des Wafers: DUV‑Fotolithografie, bei der Muster mittels kontrolliertem Licht erstellt werden, und Trockenätzen, bei dem Material durch Ionenbeschuss entfernt wird. Ursprünglich für Lithiumniobat entwickelt, wurde dieser Ätzprozess später angepasst, um das härtere und inertere Lithiumtantalat zu ätzen.
Das Ätzen wurde angepasst, um optische Verluste zu minimieren, was für die Erreichung hoher Leistungsfähigkeit in photonischen Schaltkreisen entscheidend ist.
Infolgedessen gelang es den Forschern, Lithiumtantalat‑PICs zu fertigen, die hocheffizient sind und eine optische Verlustquote von nur 5,6 dB/m bei Telekommunikationswellenlängen aufweisen.
Wie oben erwähnt, war das elektro‑optische MZM – derzeit in der Hochgeschwindigkeits‑Optikfaserkommunikation eingesetzt – ein weiteres Highlight dieser Studie. Die elektro‑optische Bandbreite des Lithiumtantalat‑MZM erreichte 40 GHz bei einem Halbwellen‑Spannungs‑Längen‑Produkt von 1,9 V·cm. Laut Studie:
“Unser Prozess ist vollständig wafer‑basiert und beruht auf Deep‑Ultraviolet‑Fotolithografie und legt die Grundlage für die skalierbare Herstellung von Hochleistungs‑elektro‑optischen PICs, die das Skalierungspotenzial der LTOI‑Wafer‑Fertigung für 5G‑Filter nutzen können.”
Auf diese Weise erreichen die LTOI‑PICs der Studie ähnliche Verluste und elektro‑optische Leistungen wie die etablierte LNOI‑Technologie, die ein großes Potenzial für den Einsatz in Datenzentrum‑Interconnects, Langstrecken‑optischen Kommunikationssystemen und Quanten‑Photonik hat. Laut Chengli Wang, dem Autor der Studie:
“Die Studie konnte zudem Soliton‑Mikro‑Kombs erzeugen und dabei eine hocheffiziente elektro‑optische Leistung beibehalten. Diese Soliton‑Mikro‑Kombs besitzen eine große Anzahl kohärenter Frequenzen und sind, in Kombination mit elektro‑optischen Modulationsfähigkeiten, besonders geeignet für Anwendungen wie paralleles kohärentes LiDAR und photonisches Computing.”
Umfangreiche reale Anwendungsbereiche von Lithiumtantalat‑PICs
Die Entwicklung photonischer integrierter Schaltkreise (PICs) unter Verwendung von Lithiumtantalat (LiTaO3) ist ein großer Fortschritt, angesichts seiner zahlreichen realen Anwendungen in verschiedenen Bereichen. Einige Schlüsselbereiche, die von diesem Fortschritt profitieren könnten, umfassen Rechenzentren, die diese PICs nutzen können, um massive Datenverkehrsmengen zu verwalten und die Latenz zu reduzieren.
In der Telekommunikation werden Lithiumtantalate bereits eingesetzt. Durch ihre Integration in PICs können wir den Übergang zu modernsten drahtlosen Kommunikationssystemen vereinfachen. Gleichzeitig können MZMs die Datenübertragungsraten in optischen Fasernetzwerken verbessern.
Computing ist ein weiterer Bereich, in dem die ultrahochgeschwindige Leistung dieser PICs die Verarbeitungskapazitäten unterstützen kann, während Quantencomputing von der hohen Effizienz und geringen Doppelbrechung der Lithiumtantalat‑PICs profitieren kann. Konsumelektronik ist ein weiteres Feld, das Lithiumtantalat‑PICs für bessere Geräteleistung nutzen kann.
Dann gibt es LiDAR (Light Detection and Ranging), das für den Einsatz in autonomen Fahrzeugen, der Landwirtschaft, Wetterbeobachtung, Navigation, Biodiversität, Kartierung und vielem mehr genauer gemacht werden kann.
Weitere Branchen, die profitieren können, umfassen Sensoren, die in der medizinischen, industriellen und Umweltüberwachung eingesetzt werden, sowie das Gesundheitswesen, wo fortschrittliche PICs bei der Frühdiagnose und Therapieplanung helfen können.
Wie wir gesehen haben, ermöglicht die Nutzung der einzigartigen Eigenschaften von Lithiumtantalat PICs, verbesserte Leistung, Skalierbarkeit und Kosteneffizienz zu bieten. Diese Vorteile machen PICs auf Basis von Lithiumtantalat besonders geeignet für ein breites Anwendungsspektrum, das hochgeschwindige, hocheffiziente optische Lösungen verlangt.
Unternehmen, die von diesem Fortschritt profitieren können
Der neueste Fortschritt bei PICs hat tiefgreifende Anwendungsfälle, wie oben besprochen, nun werfen wir einen Blick auf einige Unternehmen, die von dieser neuen Technologie profitieren können:
#1. Lumentum Holdings Inc. (LITE)
Lumentum ist ein Anbieter von optischen und photonischen Produkten und deckt den Laser- und Kommunikationsmarkt über die Segmente Lasers und OpComms ab. Das Unternehmen hat eine Marktkapitalisierung von 3,12 Mrd. $, während seine Aktien (LITE : NASDAQ) bei 46,28 $ gehandelt werden, ein Rückgang von 11,71 % im Jahresverlauf. Sein EPS (TTM) beträgt -5,26 und das KGV (TTM) -8,81.
LITE Preisdiagramm
Für seine jüngsten Quartalsergebnisse meldete Lumentum einen Nettoumsatz von 366,5 Millionen $, etwas höher als geschätzt. Allerdings gab es einen Rückgang gegenüber dem Vorquartal, teilweise aufgrund von Lagerbestandsproblemen bei Telekommunikationskunden.
Der Non‑GAAP‑Nettoertrag betrug 19,6 Millionen $, während der GAAP‑Nettoverlust 127 Millionen $ betrug. Die GAAP‑Bruttomarge fiel zwischenzeitlich auf 16,2 %, und die Non‑GAAP‑Bruttomarge sank auf 32,6 %. Der Gesamtbestand an Barmitteln, Zahlungsmitteln und kurzfristigen Investitionen des Unternehmens sank ebenfalls auf 870,9 Millionen $, hauptsächlich aufgrund einer Rückzahlung von 323 Millionen $ an wandelbaren Anleihen.
CEO Alan Lowe ist jedoch optimistisch hinsichtlich der Erholung des Telekommunikationssektors und hat Vertrauen in die Fähigkeit des Unternehmens geäußert, von der wachsenden Nachfrage nach KI‑gesteuerten Cloud‑Rechenzentren zu profitieren.
#2. Infinera Corporation (INFN)
Infinera Corporation liefert fortschrittliche optische Halbleiter und optische Netzwerklösungen an Unternehmen, Regierungen, Netzbetreiber und Cloud‑Betreiber. Das Unternehmen hat eine Marktkapitalisierung von 1,27 Mrd. $, und seine Aktien werden zu 5,46 $ gehandelt, ein Anstieg von 14,95 % im Jahresverlauf. Sein EPS (TTM) beträgt -0,34 und das KGV (TTM) -16,04.
Für das 2. Quartal 2024 meldete das Unternehmen einen GAAP-Umsatz von 306,9 Millionen $, ein Rückgang gegenüber 453,5 Millionen $ im Vorquartal. Die GAAP‑Bruttomarge lag zwischenzeitlich bei 36,0 %, erneut ein Rückgang gegenüber 38,6 % im 4. Q23 und 37,5 % im 1. Q23. Für das Quartal betrug die GAAP‑Betriebsmarge 14 % und der GAAP‑Nettoverlust 61,4 Millionen $.
Die Non‑GAAP‑Bruttomarge betrug 36,6 %, die Non‑GAAP‑Betriebsmarge 8,4 % und der Non‑GAAP‑Nettoverlust 38,3 Millionen $. Das Unternehmen erwirtschaftete einen operativen Cashflow von 24 Millionen $ und einen freien Cashflow von 16 Millionen $, sodass es das Quartal mit Barmitteln, Zahlungsmitteln und eingeschränkten Mitteln in Höhe von 192,2 Millionen $ beendete.
CEO David Heard bezeichnete das 1. Q24 als ein wichtiges Quartal, das von bedeutendem Kunden-, RFP- und Design‑Win‑Momentum geprägt war.
Abschließende Gedanken
Während PICs auf Basis von Silizium‑Photonik die Welt in den vergangenen Jahrzehnten mit weit verbreiteter Nutzung in der Telekommunikation und in Rechenzentren dominierten, wird es mit dem Eintritt der nächsten PIC‑Generation noch interessanter.
Ultrahochgeschwindigkeits‑PICs, die auf elektro‑optischen Materialien basieren, werden eine größere Rolle in energieeffizienten Rechenzentren, 5G‑ und 6G‑Hochfrequenzfiltern, optischer Kommunikation und, am wichtigsten, im KI‑Arbeitslast‑gesteuerten Hochleistungs‑Computing spielen.
Natürlich benötigen wir dafür skalierbare, kostengünstige Fertigung, die die neueste Studie durch den Einsatz von LiTaO3 erreicht hat, das in manchen Fällen LiNbO3 überlegen ist. Die Kompatibilität mit bestehenden Produktionslinien macht diese neue Methode äußerst attraktiv. Sie verspricht kostengünstige, nächste‑Generation elektro‑optische PICs mit breiter Anwendbarkeit in allen Branchen.
