Computación
De las Comunicaciones a los Centros de Datos y Más: Avance en Circuitos Fotónicos Integrados que Revolucionará la Industria
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Un nuevo estudio ha revelado el desarrollo de circuitos fotónicos integrados escalables utilizando el compuesto inorgánico tantalato de litio (LiTaO3), un sólido diamagnético que es insoluble en agua. Investigadores del EPFL han realizado avances significativos en tecnologías ópticas con potencial para aplicaciones comerciales generalizadas.
Un circuito fotónico integrado (PIC) es un microchip que contiene componentes fotónicos que utilizan luz o fotones en lugar de componentes eléctricos como transistores, inductores y resistores, que facilitan el flujo de electrones. Los chips fotónicos emplean componentes ópticos como láseres, guías de onda y polarizadores para manipular fotones.
Un chip fotónico aprovecha los fotones en lugar de los electrones para procesar y distribuir información. El uso de luz en lugar de electricidad permite que esta tecnología supere las limitaciones de la electrónica, como la generación de calor.
Esto permite que los PIC ofrezcan ventajas de bajos efectos térmicos, gran capacidad de integración, miniaturización y mayor velocidad. Al mismo tiempo, los PIC son compatibles con los flujos de procesamiento existentes, lo que permite precios más bajos, fabricación en volumen y alto rendimiento.
Como resultado, los PIC encuentran aplicación en una amplia gama de industrias, desde automotriz hasta astronomía, detección, biomédica y comunicaciones de datos. A medida que científicos e investigadores continúan trabajando en los PIC para mejorarlos, pueden ver aún más aplicaciones y marcar una nueva era tecnológica.
Hasta la fecha, los PIC han revolucionado los sistemas informáticos y las comunicaciones ópticas. Sin embargo, los PIC basados en silicio han liderado el mercado hasta ahora debido a su rentabilidad y capacidad de integrarse con las tecnologías de fabricación de semiconductores existentes.
A pesar de las limitaciones de ancho de banda de modulación electro‑óptica de los PIC basados en silicio, los chips transceptores ópticos de silicio sobre aislante (SOI) se han comercializado ampliamente. Sin embargo, recientemente, las plataformas de obleas de niobato de litio sobre aislante (LNOI), conocidas por su superior coeficiente de Pockels esencial para la modulación óptica de alta velocidad, han comenzado a ganar atención.
Los PIC electro‑ópticos basados en niobato de litio (LiNbO3) exhiben vastas capacidades debido a su fuerte coeficiente de Pockels, encontrando uso en computación de alto rendimiento, aceleradores fotónicos para IA y comunicaciones en centros de datos.
Sin embargo, hay una razón por la cual el niobato de litio no ha visto una adopción más amplia e integración comercial aún. Las razones son sus complejos requisitos de producción, tamaño de oblea limitado y alto costo por oblea, lo que limita su uso industrial.
La tecnología es costosa porque no existen aplicaciones de alto volumen existentes como las que aceleraron la adopción de la fotónica de silicio sobre aislante (SOI).
En las dos últimas décadas, los PIC basados en silicio han pasado rápidamente de la investigación académica a un uso generalizado en centros de datos, impulsados por la rentabilidad y la disponibilidad de obleas SOI de alto volumen. Preparadas mediante técnicas smart‑cut, estas obleas SOI han permitido la fabricación de fotónica de silicio y, más importante, se utilizan ampliamente en la microelectrónica de consumo.
Para ponerlo en contexto, se producen globalmente más de 3 millones de obleas SOI de 300 mm de diámetro cada año.
Sin embargo, gracias al último estudio, que utilizó tantalato de litio (LiTaO3) para PIC electro‑ópticos, las cosas pueden finalmente cambiar para ellos.
LiTaO3, similar en estructura cristalina a LiNbO3 pero con átomos de Ta más pesados que sustituyen a Nb, ofrece mayor densidad de masa y enlaces químicos más fuertes, mejorando la resistencia y estabilidad química. Su mayor banda óptica también permite la conversión óptica no lineal al rango visible e incluso ultravioleta y muestra una anisotropía óptica mucho menor, suprimiendo la mezcla de modos.
Además, se espera que la eficiencia de modulación de ambos materiales sea casi idéntica, pero el umbral de daño óptico más alto de LiTaO3 lo hace muy importante para aplicaciones de alta potencia.
Ya ampliamente usado en filtros de radiofrecuencia 5G comerciales, se proyecta que LiTaO3 alcance una capacidad de producción de 750 000 obleas de tantalato de litio sobre aislante (LTOI) al año, lo que potencialmente permite la fabricación escalable y de bajo costo de PIC basados en LiTaO3.
PICs de LiTaO3 para Fabricación Escalable
El último estudio, publicado en Nature y financiado por la Fundación Nacional Suiza de Ciencia (SNSF) y el Consejo Europeo de Investigación (ERC), está avanzando en lograr la escalabilidad en la producción de PIC electro‑ópticos de gran volumen y bajo costo que son avanzados y atenderán al futuro de manera mejor.
Esto fue posible gracias al tantalato de litio, un material estrechamente relacionado con el niobato de litio (LN), un cristal ferroeléctrico multifuncional compuesto de oxígeno, litio y niobio que es la base de la fotónica moderna y un material clave para moduladores ópticos, teléfonos móviles, guías de onda ópticas y sensores piezoeléctricos.
Al igual que el niobato de litio (LiNbO3), el tantalato de litio (LiTaO3) posee cualidades electro‑ópticas fantásticas, pero también tiene beneficios adicionales: costo y escalabilidad. LiTaO3 además muestra una birrefringencia mucho menor, lo que permite circuitos de alta densidad y operación de banda ancha en todas las bandas de telecomunicaciones en comparación con LiNbO3.
Dado que la industria de telecomunicaciones ya está utilizando este material extensamente en filtros de radiofrecuencia 5G, LiTaO3 puede ayudar a superar las barreras del niobato de litio.
Así, los científicos del EPFL, dirigidos por el profesor Tobias J. Kippenberg y Xin Ou, profesor del Instituto de Microsistemas e Información de Shanghai, crearon una plataforma PIC basada en tantalato de litio.
Este nuevo PIC aprovecha las cualidades inherentes de LiTaO3 para hacer que los PIC de alta calidad sean más viables económicamente, transformando el campo de los PIC electro‑ópticos. El estudio demostró que el tantalato de litio puede ser grabado para crear PIC de bajas pérdidas mediante un proceso de fabricación basado en un paso de luz ultravioleta profunda (DUV) así como un modulador Mach–Zehnder (MZM) de tantalato de litio. La plataforma también soporta la generación de microcombs solitónicos, que es un nuevo enfoque prometedor para la síntesis de señales de microondas basadas en fotónica.
Para lograr este gran logro, el equipo desarrolló un método de unión de obleas para tantalato de litio, que funciona con líneas de producción SOI.
Los investigadores fabricaron LiNbO3 en estructuras de niobato de litio sobre aislante (LNOI) para proporcionar una clase completamente nueva de PIC electro‑ópticos con velocidad extremadamente alta y bajo voltaje. Según el estudio, estos PIC pueden convertirse en una parte integral de los futuros sistemas de comunicación energéticamente eficientes.
La fabricación se realizó utilizando la técnica smart‑cut. Esta fabricación de LTOI está más alineada con la producción comercial de alto volumen de obleas SOI, ofreciendo mayor eficiencia y menores costos de producción.
A continuación, el equipo enmascaró la oblea con carbono y luego comenzó a grabar moduladores, guías de onda ópticas y microresonadores de factor de calidad suprema. Combinaron dos técnicas para grabar la oblea: fotolitografía DUV, que implica crear patrones usando luz controlada, y grabado en seco, que implica remover material exponiéndolo a iones. Inicialmente desarrollado para niobato de litio, este proceso de grabado se adaptó posteriormente para grabar el tantalato de litio, más duro e inerte.
El grabado se adaptó para minimizar las pérdidas ópticas, lo cual es crítico para lograr un alto rendimiento en circuitos fotónicos.
Como resultado, los investigadores lograron fabricar PIC de tantalato de litio, que son altamente eficientes y presentan una tasa de pérdida óptica de solo 5,6 dB/m en la longitud de onda de telecomunicaciones.
Como se señaló anteriormente, el MZM electro‑óptico — actualmente usado en comunicaciones de fibra óptica de alta velocidad — fue otro punto destacado de este estudio. El ancho de banda electro‑óptico del MZM de tantalato de litio alcanzó 40 GHz mientras ofrecía un producto voltaje‑longitud de media onda de 1,9 V·cm. Según el estudio:
Nuestro proceso es totalmente a escala de oblea y se basa en fotolitografía de luz ultravioleta profunda, sentando las bases para la fabricación escalable de PIC electro‑ópticos de alto rendimiento que pueden aprovechar la escala de la fabricación de obleas LTOI para filtros 5G.
De esta manera, los PIC LTOI del estudio logran pérdidas y rendimiento electro‑óptico similares a la tecnología LNOI bien establecida, que tiene un gran potencial para su uso en interconexiones de centros de datos, comunicaciones ópticas de larga distancia y fotónica cuántica. Según Chengli Wang, autor del estudio:
El estudio también pudo generar microcomb solitónicos manteniendo un rendimiento electro‑óptico altamente eficiente. Estos microcomb solitónicos presentan un gran número de frecuencias coherentes y, cuando se combinan con capacidades de modulación electro‑óptica, son particularmente adecuados para aplicaciones como LiDAR coherente paralelo y computación fotónica.
Aplicaciones Reales Extensas de los PICs de Tantalato de Litio
El desarrollo de circuitos fotónicos integrados (PICs) utilizando tantalato de litio (LiTaO3) es un gran logro, dadas sus numerosas aplicaciones reales en diversos campos. Algunas áreas clave que podrían beneficiarse de este avance incluyen los centros de datos, que pueden utilizar estos PIC para gestionar enormes cantidades de tráfico de datos y reducir la latencia.
En telecomunicaciones, los tantalatos de litio ya se están utilizando. Al integrarlos en los PIC, podemos agilizar la transición a sistemas de comunicación inalámbrica de vanguardia. Mientras tanto, los MZM pueden mejorar las tasas de transmisión de datos en redes de fibra óptica.
La computación es otra área donde la ultra‑alta velocidad que ofrecen estos PIC puede ayudar a las capacidades de procesamiento, mientras que la computación cuántica puede beneficiarse de la alta eficiencia y baja birrefringencia de los PIC de tantalato de litio. La electrónica de consumo es otro campo que puede utilizar los PIC de tantalato de litio para mejorar el rendimiento de los dispositivos.
Luego está el LiDAR (Detección y Medición por Luz), que puede hacerse más preciso para su uso en vehículos autónomos, agricultura, meteorología, navegación, biodiversidad, cartografía y mucho más.
Otras industrias que pueden beneficiarse incluyen los sensores, que se utilizan en la monitorización médica, industrial y ambiental, y la atención sanitaria, donde los PIC avanzados pueden ayudar en el diagnóstico temprano y la planificación de tratamientos.
Como hemos visto, aprovechar las propiedades únicas del tantalato de litio permite que los PIC ofrezcan un rendimiento mejorado, escalabilidad y rentabilidad. Estos beneficios hacen que los PIC basados en tantalato de litio sean altamente adecuados para una amplia gama de aplicaciones que exigen soluciones ópticas de alta velocidad y alta eficiencia.
Empresas que Pueden Beneficiarse de este Avance
El último avance en los PIC tiene casos de uso profundos, como hemos mencionado anteriormente; ahora, veamos un par de empresas que pueden beneficiarse de esta nueva tecnología:
#1. Lumentum Holdings Inc. (LITE)
Lumentum es un proveedor de productos ópticos y fotónicos, que cubre los mercados de láseres y comunicaciones ópticas a través de los segmentos Lasers y OpComms. La compañía tiene una capitalización de mercado de 3,12 mil millones de dólares, mientras que sus acciones (LITE: NASDAQ) cotizan a 46,28 $, con una caída del 11,71 % en lo que va del año. Su EPS (TTM) es -5,26, y su P/E (TTM) es -8,81.
LITE Gráfico de precios
Para sus resultados trimestrales recientes, Lumentum reportó ingresos netos de 366,5 millones de dólares, un poco más altos de lo estimado. Sin embargo, hubo una disminución respecto al trimestre anterior, en parte debido a problemas de inventario enfrentados por clientes de telecomunicaciones.
El ingreso neto non‑GAAP fue de 19,6 millones de dólares, mientras que la pérdida neta GAAP fue de 127 millones de dólares. El margen bruto GAAP cayó a 16,2 %, y el margen bruto non‑GAAP se redujo a 32,6 %. El efectivo total de la compañía, equivalentes de efectivo e inversiones a corto plazo también disminuyeron a 870,9 millones de dólares, principalmente debido a un reembolso de 323 millones de dólares en notas convertibles.
Sin embargo, el CEO Alan Lowe es optimista respecto a la recuperación del sector de telecomunicaciones y ha expresado confianza en la capacidad de la compañía para capitalizar la creciente demanda de centros de datos en la nube impulsados por IA.
#2. Infinera Corporation (INFN)
Infinera Corporation suministra semiconductores ópticos avanzados y soluciones de redes ópticas a empresas, gobiernos, operadores y proveedores de nube. La compañía tiene una capitalización de mercado de 1,27 mil millones de dólares, y sus acciones cotizan a 5,46 $, con un aumento del 14,95 % en lo que va del año. Su EPS (TTM) es -0,34, y su P/E (TTM) es -16,04.
Para el segundo trimestre de 2024, la compañía reportó 306,9 millones de dólares en ingresos GAAP, una disminución respecto a los 453,5 millones de dólares del trimestre anterior. El margen bruto GAAP, mientras tanto, fue del 36,0 %, nuevamente una disminución respecto al 38,6 % en el 4T23 y al 37,5 % en el 1T23. Para el trimestre, el margen operativo GAAP fue del 14 %, y la pérdida neta GAAP fue de 61,4 millones de dólares.
El margen bruto non‑GAAP fue del 36,6 %, el margen operativo non‑GAAP fue del 8,4 %, y la pérdida neta non‑GAAP fue de 38,3 millones de dólares. La compañía generó 24 millones de dólares de flujo de caja operativo y 16 millones de dólares de flujo de caja libre, terminando el trimestre con efectivo, equivalentes de efectivo y efectivo restringido por 192,2 millones de dólares.
El CEO David Heard calificó el 1T24 como un trimestre importante, marcado por un significativo impulso de clientes, solicitudes de propuestas (RFP) y victorias de diseño.
Reflexiones Finales
Mientras los PIC basados en fotónica de silicio han liderado el mundo con un uso generalizado en telecomunicaciones y centros de datos durante muchas décadas, las cosas se volverán aún más interesantes con la llegada de la próxima generación de PIC.
Los PIC de ultra‑alta velocidad basados en materiales electro‑ópticos desempeñarán un papel mayor en centros de datos energéticamente eficientes, filtros de radiofrecuencia 5G y 6G, comunicaciones ópticas y, lo más importante, en la computación de alto rendimiento impulsada por cargas de trabajo de IA.
Por supuesto, para que eso ocurra, necesitamos una fabricación escalable y de bajo costo, lo cual el último estudio ha logrado utilizando LiTaO3, que en algunos casos es superior a LiNbO3. Ser compatible con las líneas de producción existentes hace que este nuevo método sea extremadamente atractivo. Promete PIC electro‑ópticos de próxima generación a bajo costo con una amplia aplicabilidad en diversas industrias.
