Viestinnästä datakeskuksiin ja muuhun – Valoaineinen integroitu piirikortti mullistava läpimurto, joka on valmis ravistamaan alaa

Uusi tutkimus on paljastanut skaalautuvien valoaineisten integroitu piirikorttien (PIC) kehittämisen käyttäen epäorgaanista yhdisteä litiumtantaattia (LiTaO3), diamagneettista kiinteää ainetta, joka on liukenematon veteen. EPFL:n tutkijat ovat tehneet merkittäviä edistysaskeleita optisissa teknologioissa, joilla on potentiaalia laajoihin kaupallisiin sovelluksiin.

Valoaineinen integroitu piirikortti (PIC) on mikropiiri, joka sisältää valoaineisia komponentteja hyödyntäen valoa tai fotoneja sähköisten komponenttien, kuten transistorien, induktorien ja vastusten, sijaan, jotka ohjaavat elektronivirtaa. Valoaineiset piirit käyttävät optisia komponentteja, kuten laseja, aallonjohtimia ja polarisaattoreita fotonien manipulointiin.

Valoaineinen piiri hyödyntää fotoneja elektronien sijaan tiedon käsittelyyn ja jakeluun. Valon käyttö sähkön sijaan mahdollistaa teknologian ylittää elektroniikan rajoitukset, kuten lämmön syntymisen.

Tämä mahdollistaa PIC:iden tarjoavan etuja, kuten alhaiset lämpövaikutukset, suuri integrointikapasiteetti, miniaturisointi ja suurempi nopeus. Samalla PIC:t ovat yhteensopivia olemassa olevien prosessointivirtojen kanssa, mikä mahdollistaa alhaisemmat hinnat, massatuotannon ja korkean hyötysuhteen.

Tämän seurauksena PIC:t ovat löytäneet sovelluksensa laajalta teollisuuden alalta, autoilusta tähtitieteeseen, antureihin, biolääketieteeseen ja dataviestintään. Kun tiedemiehet ja tutkijat jatkavat PIC:ien kehittämistä, he näkevät yhä enemmän sovelluksia ja merkitsevät uuden teknologisen aikakauden.

Tähän mennessä PIC:t ovat mullistaneet tietojärjestelmät ja optisen viestinnän. Kuitenkin piipohjaiset PIC:t ovat tähän asti hallinneet markkinoita niiden kustannustehokkuuden ja kyvyn integroitua olemassa oleviin puolijohdeteollisuuden valmistusteknologioihin ansiosta.

Huolimatta piipohjaisten PIC:ien elektro-optisen moduloinnin kaistanleveyden rajoituksista, silicon-on-insulator (SOI) optiset transceiver-piirit on laajasti kaupallistettu. Kuitenkin viime aikoina litiumniobiaatti-on-insulator (LNOI) wafer-alustat, jotka tunnetaan ylivoimaisesta Pockels-kerroinista, joka on olennaista nopeassa optisessa moduloinnissa, ovat alkaneet herättää huomiota.

Litiumniobiaattiin (LiNbO3) perustuvat elektro-optiset PIC:t osoittavat laajat mahdollisuudet vahvan Pockels-kerroinensa ansiosta, ja niitä käytetään korkean suorituskyvyn laskennassa, valoaineisissa kiihdyttimissä tekoälylle sekä datakeskusten viestinnässä.

Kuitenkin on syy, miksi litiumniobiaattia ei ole vielä laajemmin otettu käyttöön eikä kaupallisesti integroidtu. Syitä ovat sen monimutkaiset tuotantovaatimukset, rajoitettu wafer-koko ja korkea hinta per wafer, jotka rajoittavat sen teollista käyttöä.

Teknologia on kallista, koska ei ole olemassa olevia suurivolyymisia sovelluksia, kuten ne, jotka nopeuttivat silicon-on-insulator (SOI) fotoniikan omaksumista.

Viimeisen kahden vuosikymmenen aikana piipohjaiset PIC:t ovat siirtyneet nopeasti akateemisesta tutkimuksesta laajamittaiseen käyttöön datakeskuksissa, kustannustehokkuuden ja SOI-waferien suurivolyymisen saatavuuden ansiosta. Smart-cut-tekniikoilla valmistetut SOI-waferit ovat mahdollistaneet piisil fotoniikan valmistuksen ja, mikä tärkeämpää, niitä käytetään laajasti kuluttaja‑mikroelektroniikassa.

Kontekstin antamiseksi, yli 3 miljoonaa 300 mm:n halkaisijaltaan olevaa SOI-waferia valmistetaan maailmanlaajuisesti vuosittain.

Kuitenkin viimeisimmän tutkimuksen, jossa käytettiin litiumtantaattia (LiTaO3) elektro-optisissa PIC:eissä, ansiosta asiat saattavat vihdoin muuttua.

LiTaO3, jonka kiteinen rakenne on samanlainen kuin LiNbO3:ssa, mutta raskaammat Ta-atomit korvaavat Nb:n, tarjoaa suuremman massatiheyden ja vahvemmat kemialliset sidokset, parantaen kestävyyttä ja kemiallista vakautta. Sen laajempi optinen kaistaleveys mahdollistaa epälineaarisen optisen muunnoksen näkyväksi ja jopa ultraviolettisäteilyn aallonpituusalueeksi, ja se osoittaa merkittävästi vähentyneen optisen anisotropian, mikä estää tilojen sekoittumista.

Lisäksi molempien materiaalien modulointitehokkuuden odotetaan olevan lähes identtinen, mutta LiTaO3:n suurempi optinen vauriokynnys tekee siitä erittäin tärkeän korkean tehon sovelluksissa.

Jo laajasti käytettynä kaupallisissa 5G‑radiotaajuussuodattimissa, LiTaO3:n odotetaan saavuttavan tuotantokapasiteetin 750 000 litiumtantaatti‑on‑insulator (LTOI) waferia vuodessa, mikä mahdollisesti mahdollistaa LiTaO3‑pohjaisten PIC:ien edullisen skaalautuvan valmistuksen.

LiTaO3 PIC:t skaalautuvaan valmistukseen

Viimeisin tutkimus, julkaistu Nature-lehdessä ja rahoitettu Sveitsin kansallisen tiedesäätiön (SNSF) sekä Euroopan tutkimusneuvoston (ERC) toimesta, edistää skaalautuvuuden saavuttamista suurivolyymisten ja edullisten elektro-optisten PIC:ien tuotannossa, jotka ovat kehittyneitä ja palvelevat tulevaisuuden maailmaa paremmin.

Tämä mahdollistui litiumtantaatin avulla, materiaalin, joka on läheisesti sukua litiumniobiaatille (LN) — monitoiminen ferroelektrinen kristalli, joka koostuu hapesta, litiumista ja niobiumista, ja on modernin fotoniikan perusta sekä keskeinen materiaali optisille modulaattoreille, matkapuhelimille, optisille aallonjohtimille ja piezoelektrisille antureille.

Kuten litiumniobiaatti (LiNbO3), litiumtantaatti (LiTaO3) omaa erinomaiset elektro-optiset ominaisuudet, mutta sillä on myös lisähyötyjä: kustannus ja skaalautuvuus. LiTaO3:lla on lisäksi paljon alhaisempi birefringenssi, mikä mahdollistaa korkean tiheyden piirit ja laajakaistaisen toiminnan kaikilla telekommunikaatioalueilla verrattuna LiNbO3:een.

Kun telekommunikaatioala käyttää tätä materiaalia jo laajasti 5G‑radiotaajuussuodattimissa, LiTaO3 voi auttaa ylittämään litiumniobiaatin esteet.

Joten EPFL:n tiedemiehet, joita johtavat professori Tobias J. Kippenberg ja Xin Ou, professori Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology -laitoksessa, loivat litiumtantaattiin perustuvan PIC-alustan.

Tämä uusi PIC hyödyntää LiTaO3:n sisäisiä ominaisuuksia tehdäkseen korkealaatuisista PIC:eistä taloudellisesti kannattavampia, muuttaen elektro-optisten PIC:eiden alaa. Tutkimus osoitti, että litiumtantaattia voidaan etsaa luomaan vähähäviöisiä PIC:eitä käyttämällä syväultraviolettia (DUV) stepper-pohjaista valmistusprosessia sekä litiumtantaatti Mach–Zehnder -modulaattoria (MZM). Alusta tukee myös solitonimikrokombojen luomista, mikä on lupaava uusi lähestymistapa valoaineisiin mikroaaltosignaalien synteesiin.

Saavuttaakseen tämän merkittävän saavutuksen tiimi kehitti wafer-sidontamenetelmän litiumtantaatille, joka toimii SOI-tuotantolinjoilla.

Tutkijat valmistivat LiNbO3:n litiumniobiaatti‑on‑insulator (LNOI) -rakenteiksi tarjotakseen täysin uuden luokan elektro-optisia PIC:eitä, joilla on äärimmäisen korkea nopeus ja alhainen jännite. Tutkimuksen mukaan nämä PIC:t voivat tulla olennaiseksi osaksi tulevia energiatehokkaita viestintäjärjestelmiä.

Valmistus tehtiin smart-cut-tekniikalla. Tämä LTOI:n valmistus on lähempänä SOI-waferien suurivolyymistä kaupallista tuotantoa, tarjoten suurempaa tehokkuutta ja alhaisempia tuotantokustannuksia.

Seuraavaksi tiimi maskasi waferin hiilellä ja aloitti modulaattorien, optisten aallonjohtimien ja huippulaatuisten mikroresonanssien etsaamisen. He yhdistivät kaksi tekniikkaa waferin etsaamiseen: DUV-fotolitografia, jossa luodaan kuvioita hallitun valon avulla, ja kuiva-etsausta, jossa materiaalia poistetaan ionien altistuksen kautta. Alun perin litiumniobiaatille kehitettyä etsausprosessia sovellettiin myöhemmin kovemman ja vähemmän reaktiivisen litiumtantaatin etsaamiseen.

Etsausta mukautettiin minimoimaan optiset häviöt, mikä on kriittistä fotoniikkapiirien korkean suorituskyvyn saavuttamisessa.

Tämän seurauksena tutkijat onnistuivat valmistamaan litiumtantaatti-PIC:eitä, jotka ovat erittäin tehokkaita ja joilla on optinen häviöaste vain 5,6 dB/m telekommunikaatioaallonpituudessa.

Kuten yllä mainittiin, elektro-optinen MZM — jota käytetään tällä hetkellä nopeassa optisessa kuituviestinnässä — oli toinen tämän tutkimuksen kohokohta. Litiumtantaatti-MZM:n elektro-optinen kaistanleveys saavutti 40 GHz samalla tarjoten puoli‑aallon jännite‑pituus‑tuotteen 1,9 V cm. Tutkimuksen mukaan:

“Prosessimme on täysin wafer‑tasoinen ja perustuu syväultraviolettifotolitografiaan, ja se luo perustan korkean suorituskyvyn elektro‑optisten PIC:eiden skaalautuvaan valmistukseen, jotka voivat hyödyntää LTOI‑waferin valmistuksen mittakaavaa 5G‑suodattimille.”

Tällä tavalla tutkimuksen LTOI‑PIC:t saavuttavat samankaltaiset häviöt ja elektro‑optisen suorituskyvyn kuin vakiintunut LNOI‑teknologia, jolla on suuri potentiaali datakeskusten yhteyksissä, pitkän matkan optisessa viestinnässä ja kvanttifotonikassa. Tutkimuksen tekijän Chengli Wangin mukaan:

“Tutkimus pystyi lisäksi tuottamaan solitonimikrokomboja säilyttäen erittäin tehokkaan elektro‑optisen suorituskyvyn. Nämä solitonimikrokombot sisältävät suuren määrän koherentteja taajuuksia, ja kun ne yhdistetään elektro‑optisiin modulaatiokapasiteetteihin, ne soveltuvat erityisesti sovelluksiin kuten rinnakkaiset koherentit LiDAR-järjestelmät ja fotoniikkalaskenta.”

Laajat todelliset sovellukset litiumtantaatti-PIC:eille

Valoaineisten integroitu piirikorttien (PIC) kehittäminen litiumtantaattia (LiTaO3) käyttäen on suuri saavutus, ottaen huomioon sen lukuisat todelliset sovellukset eri aloilla. Joitakin keskeisiä alueita, jotka voisivat hyötyä tästä edistysaskeleesta, ovat datakeskukset, jotka voivat käyttää näitä PIC:eitä hallitakseen valtavia tietoliikennemääriä ja vähentääkseen viivettä.

Telekommunikaatiossa litiumtantaatteja käytetään jo. Integroimalla ne PIC:eihin voimme virtaviivaistaa siirtymistä huipputason langattomiin viestintäjärjestelmiin. Samaan aikaan MZM:t voivat parantaa tiedonsiirtonopeuksia optisissa kuituverkkoissa.

Laskenta on toinen alue, jossa näiden PIC:eiden tarjoama äärimmäisen korkea nopeus voi auttaa prosessointikykyjä, kun taas kvanttilaskenta voi hyötyä litiumtantaatti-PIC:eiden korkeasta tehokkuudesta ja alhaisesta birefringenssistä. Kulutuselektroniikka on myös toinen ala, joka voi hyödyntää litiumtantaatti-PIC:eitä parempaan laitteiston suorituskykyyn.

Sitten on LiDAR (Light Detection and Ranging), jota voidaan tarkentaa tarkemmaksi autonomisten ajoneuvojen, maatalouden, säätieteen, navigoinnin, biologisen monimuotoisuuden, kartoituksen ja monien muiden sovellusten käyttöön.

Muita hyötyjä saavuttavia toimialoja ovat anturit, joita käytetään lääketieteellisessä, teollisessa ja ympäristönseurannassa, sekä terveydenhuolto, jossa kehittyneet PIC:t voivat auttaa varhaisessa diagnoosissa ja hoitosuunnittelussa.

Kuten näimme, litiumtantaatin ainutlaatuisten ominaisuuksien hyödyntäminen mahdollistaa PIC:eiden tarjoavan parannettua suorituskykyä, skaalautuvuutta ja kustannustehokkuutta. Nämä edut tekevät litiumtantaattiin perustuvat PIC:t erittäin sopiviksi laajalle sovellusalueelle, jotka vaativat nopeita ja tehokkaita optisia ratkaisuja.

Klikkaa tästä oppiaksesi, miksi laserit tulevat näyttelemään keskeistä roolia tulevina vuosikymmeninä.

Yritykset, jotka voivat hyötyä tästä edistysaskeleesta 

Viimeisin edistys PIC:eissä tarjoaa syvällisiä käyttötapauksia, kuten yllä keskusteltiin, tarkastellaan nyt muutamaa yritystä, jotka voivat hyötyä tästä uudesta teknologiasta:

#1. Lumentum Holdings Inc. (LITE)

Lumentum on optisten ja valoaineisten tuotteiden toimittaja, kattaen laser- ja viestintämarkkinat Laser- ja OpComms-segmenttien kautta. Yrityksen markkina-arvo on 3,12 miljardia dollaria, ja sen osakkeet (LITE: NASDAQ) kaupataan hintaan 46,28 $, laskien 11,71 % vuoden alusta. Sen EPS (TTM) on -5,26 ja P/E (TTM) on -8,81.

Viimeisimmistä neljännesvuosikatsauksistaan Lumentum raportoi nettotuloksena 366,5 miljoonaa dollaria, hieman odotettua korkeampana. Kuitenkin edellisestä neljänneksestä tapahtui lasku, osittain telekommunikaatioasiakkaiden varastointiongelmien vuoksi.

Non-GAAP nettotulos oli 19,6 miljoonaa dollaria, kun taas GAAP nettotappio oli 127 miljoonaa dollaria. GAAP-kateprosentti laski 16,2 %:iin, ja non-GAAP-kateprosentti pieneni 32,6 %:iin. Yrityksen kokonaiskäteinen, käteisenä pidettävät varat ja lyhytaikaiset sijoitukset laskivat myös 870,9 miljoonaan dollariin, pääosin 323 miljoonan dollarin takaisinmaksun vuoksi konvertoitavissa lainoissa.

Toimitusjohtaja Alan Lowe on kuitenkin optimistinen telekommunikaatioalan elpymisestä ja on ilmaissut luottamuksensa yrityksen kykyyn hyödyntää kasvavaa kysyntää tekoälypohjaisille pilvidatakeskuksille.

#2. Infinera Corporation (INFN)

Infinera Corporation toimittaa kehittyneitä optisia puolijohteita ja optisia verkko‑ratkaisuja yrityksille, hallituksille, operaattoreille ja pilvitoimijoille. Yrityksen markkina-arvo on 1,27 miljardia dollaria, ja sen osakkeet kaupataan hintaan 5,46 $, nousten 14,95 % vuoden alusta. Sen EPS (TTM) on -0,34 ja P/E (TTM) on -16,04.

Vuoden 2024 toisen neljänneksen osalta yritys raportoi 306,9 miljoonaa dollaria GAAP‑liikevaihtoa, mikä on vähemmän kuin edellisellä neljänneksellä 453,5 miljoonaa dollaria. GAAP‑kateprosentti oli 36,0 %, jälleen laskua 38,6 %:sta 4Q23:ssa ja 37,5 %:sta 1Q23:ssa. Neljännekselle GAAP‑toimintamarginaali oli 14 % ja GAAP‑nettotappio 61,4 miljoonaa dollaria.

Non-GAAP‑kateprosentti oli 36,6 %, non-GAAP‑toimintamarginaali 8,4 % ja non-GAAP‑nettotappio 38,3 miljoonaa dollaria. Yritys tuotti 24 miljoonaa dollaria operatiivista kassavirtaa ja vapaan kassavirran 16 miljoonaa dollaria, päättyen neljännekseen käteisellä, käteisenä pidettävillä varoilla ja rajoitetulla käteisellä 192,2 miljoonaa dollaria.

Toimitusjohtaja David Heard kutsui 1Q24:n tärkeäksi neljännekseksi, jota leimasivat merkittävät asiakas-, RFP- ja suunnitteluvoitto‑momentit.

Päätelmät

Vaikka piipohjaiset fotoniikkapohjaiset PIC:t ovat johtaneet maailmaa laajamittaisella käytöllä telekommunikaatiossa ja datakeskuksissa viimeisten vuosikymmenten aikana, asiat tulevat olemaan vieläkin mielenkiintoisempia seuraavan sukupolven PIC:eiden tultua markkinoille.

Erittäin nopea, elektro‑optisiin materiaaleihin perustuva PIC tulee näyttelemään suurempaa roolia energiatehokkaissa datakeskuksissa, 5G‑ ja 6G‑radiotaajuussuodattimissa, optisessa viestinnässä ja, mikä tärkeintä, tekoäly‑työkuormiin perustuvassa korkean suorituskyvyn laskennassa.

Tietenkin, jotta tämä toteutuu, tarvitsemme skaalautuvaa, edullista valmistusta, jonka viimeisin tutkimus on saavuttanut käyttämällä LiTaO3:ta, joka on joissakin tapauksissa parempi kuin LiNbO3. Yhteensopivuus olemassa olevien tuotantolinjojen kanssa tekee tästä uudesta menetelmästä erittäin houkuttelevan. Se lupaa edullisia seuraavan sukupolven elektro‑optisia PIC:eitä, joilla on laaja soveltuvuus eri toimialoilla.

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten uudet fononiikan tutkimukset saattavat mullistaa viestintälaitteet.