Informatique
Des communications aux centres de données et au-delà – Une percée des circuits photoniques intégrés prête à bouleverser l’industrie
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Une nouvelle étude a révélé le développement de circuits photoniques intégrés évolutifs utilisant le composé inorganique tantale de lithium (LiTaO3), un solide diamagnétique insoluble dans l’eau. Des chercheurs de l’EPFL ont réalisé d’importantes avancées dans les technologies optiques avec un potentiel d’applications commerciales généralisées.
Un circuit photonique intégré (PIC) est une micro-puce qui contient des composants photoniques utilisant la lumière ou les photons plutôt que des composants électriques tels que transistors, inducteurs et résistances, qui facilitent le flux d’électrons. Les puces photoniques utilisent des composants optiques comme des lasers, des guides d’ondes et des polariseurs pour manipuler les photons.
Une puce photonique exploite les photons au lieu des électrons pour traiter et distribuer l’information. L’utilisation de la lumière à la place de l’électricité permet à cette technologie de surmonter les limites de l’électronique, telles que la génération de chaleur.
Cela permet aux PIC d’offrir les avantages d’effets thermiques faibles, d’une grande capacité d’intégration, de la miniaturisation et d’une vitesse supérieure. En même temps, les PIC sont compatibles avec les flux de traitement existants, permettant des prix plus bas, une fabrication en volume et un rendement élevé.
En conséquence, les PIC trouvent leur application dans un large éventail d’industries, de l’automobile à l’astronomie, en passant par le capteur, le biomédical et les communications de données. À mesure que les scientifiques et les chercheurs continuent de travailler sur les PIC pour les améliorer, ils peuvent envisager encore plus d’applications et marquer une nouvelle ère technologique.
À ce jour, les PIC ont révolutionné les systèmes informatiques et les communications optiques. Cependant, les PIC à base de silicium dominent le marché jusqu’à présent en raison de leur rentabilité et de leur capacité à s’intégrer aux technologies de fabrication de semi-conducteurs existantes.
Malgré les limites de bande passante de modulation électro-optique des PIC à base de silicium, les puces transceivers optiques silicon-on-insulator (SOI) ont été largement commercialisées. Cependant, récemment, les plateformes de plaquettes lithium niobate-on-insulator (LNOI), reconnues pour leur coefficient de Pockels supérieur essentiel à la modulation optique à grande vitesse, ont commencé à attirer l’attention.
Les PIC électro-optiques basés sur le lithium niobate (LiNbO3) présentent d’immenses capacités grâce à leur fort coefficient de Pockels, trouvant des applications dans le calcul haute performance, les accélérateurs photoniques pour l’IA et les communications des centres de données.
Cependant, il existe une raison pour laquelle le lithium niobate n’a pas encore connu une adoption plus large et une intégration commerciale. Les raisons sont ses exigences de production complexes, la taille limitée des plaquettes et le coût élevé par plaquette, ce qui limite son utilisation industrielle.
La technologie est coûteuse car il n’existe aucune application à haut volume comparable à celles qui ont accéléré l’adoption de la photonique silicon-on-insulator (SOI).
Au cours des deux dernières décennies, les PIC à base de silicium sont passés rapidement de la recherche académique à une utilisation généralisée dans les centres de données, stimulés par la rentabilité et la disponibilité en grand volume des plaquettes SOI. Préparées à l’aide de techniques smart-cut, ces plaquettes SOI ont permis la fabrication de photonique silicium et, plus important encore, sont largement utilisées dans la microélectronique grand public.
Pour mettre cela en perspective, plus de 3 millions de plaquettes SOI de 300 mm de diamètre sont produites chaque année dans le monde.
Cependant, grâce à la dernière étude, qui a utilisé le tantale de lithium (LiTaO3) pour les PIC électro-optiques, les choses pourraient enfin changer pour eux.
Le LiTaO3, similaire dans sa structure cristalline au LiNbO3 mais avec des atomes de Ta plus lourds remplaçant le Nb, offre une densité de masse supérieure et des liaisons chimiques plus fortes, améliorant la résistance et la stabilité chimique. Son plus grand gap optique permet également la conversion non linéaire vers le visible et même le domaine ultraviolet, et il présente une anisotropie optique fortement réduite, limitant le mélange de modes.
De plus, l’efficacité de modulation des deux matériaux devrait être presque identique, mais le seuil de dommage optique plus élevé du LiTaO3 le rend très important pour les applications à haute puissance.
Déjà largement utilisé dans les filtres radiofréquence 5G commerciaux, le LiTaO3 devrait atteindre une capacité de production de 750 000 plaquettes lithium tantale-on-insulator (LTOI) par an, permettant potentiellement la fabrication évolutive à faible coût de PIC basés sur le LiTaO3.
PIC à base de LiTaO3 pour une fabrication évolutive
La dernière étude, publiée dans Nature et financée par la Fondation nationale suisse pour la science (SNSF) et le Conseil européen de la recherche (ERC), progresse dans la réalisation d’une évolutivité de la production de PIC électro-optiques à grand volume et à faible coût, avancés et destinés à répondre de manière meilleure aux besoins du futur.
Cela a été rendu possible grâce au tantale de lithium, un matériau étroitement lié au lithium niobate (LN) — un cristal ferroélectrique multifonctionnel composé d’oxygène, de lithium et de niobium, qui constitue la base de la photonique moderne et est un matériau clé pour les modulateurs optiques, les téléphones mobiles, les guides d’ondes optiques et les capteurs piézoélectriques.
Comme le lithium niobate (LiNbO3), le tantale de lithium (LiTaO3) possède d’excellentes qualités électro-optiques, mais il offre également des avantages supplémentaires : coût et évolutivité. Le LiTaO3 présente en outre une biréfringence beaucoup plus faible, permettant des circuits à haute densité et un fonctionnement à large bande sur toutes les bandes de télécommunications comparé au LiNbO3.
Étant donné que l’industrie des télécommunications utilise déjà largement ce matériau dans les filtres radiofréquence 5G, le LiTaO3 peut aider à surmonter les obstacles du lithium niobate.
Ainsi, les scientifiques de l’EPFL, dirigés par le professeur Tobias J. Kippenberg et Xin Ou, professeur à l’Institut de microsystèmes et de technologie de l’information de Shanghai, ont créé une plateforme PIC basée sur le tantale de lithium.
Ce nouveau PIC exploite les qualités inhérentes du LiTaO3 pour rendre les PIC de haute qualité plus économiquement viables, transformant le domaine des PIC électro-optiques. L’étude a démontré que le tantale de lithium peut être gravé pour créer des PIC à faible perte en utilisant un procédé de fabrication basé sur un stepper ultraviolet profond (DUV) ainsi qu’un modulateur Mach–Zehnder (MZM) en LiTaO3. La plateforme prend également en charge la génération de microcombinaisons soliton, une approche prometteuse pour la synthèse de signaux micro-ondes photoniques.
Pour atteindre cet exploit, l’équipe a développé une méthode de collage de plaquettes pour le tantale de lithium, compatible avec les lignes de production SOI.
Les chercheurs ont fabriqué du LiNbO3 en structures lithium niobate-on-insulator (LNOI) afin de fournir une toute nouvelle classe de PIC électro-optiques à très haute vitesse et basse tension. Selon l’étude, ces PIC pourraient devenir une partie intégrante des futurs systèmes de communication à haute efficacité énergétique.
La fabrication a été réalisée à l’aide de la technique smart-cut. Cette fabrication de LTOI est davantage alignée avec la production commerciale à haut volume des plaquettes SOI, offrant une plus grande efficacité et des coûts de production réduits.
Ensuite, l’équipe a masqué la plaquette avec du carbone puis a commencé à graver les modulateurs, les guides d’ondes optiques et les micro-résonateurs de facteur de qualité suprême. Ils ont combiné deux techniques pour graver la plaquette : la photolithographie DUV, qui consiste à créer des motifs à l’aide de lumière contrôlée, et la gravure sèche, qui consiste à enlever le matériau en l’exposant à des ions. Initialement développée pour le lithium niobate, ce procédé de gravure a ensuite été adapté pour graver le tantale de lithium, plus dur et plus inerte.
La gravure a été adaptée pour minimiser les pertes optiques, ce qui est crucial pour atteindre des performances élevées dans les circuits photoniques.
En conséquence, les chercheurs ont réussi à fabriquer des PIC en tantale de lithium, très efficaces et présentant un taux de perte optique de seulement 5,6 dB/m à la longueur d’onde télécom.
Comme indiqué ci-dessus, le MZM électro-optique — actuellement utilisé dans les communications à fibre optique à haute vitesse — était un autre point fort de cette étude. La bande passante électro-optique du MZM en tantale de lithium a atteint 40 GHz tout en offrant un produit tension-longueur à demi-onde de 1,9 V·cm. Selon l’étude :
« Notre procédé est entièrement à l’échelle de la plaquette et basé sur la photolithographie ultraviolette profonde, et jette les bases de la fabrication évolutive de PIC électro-optiques haute performance qui peuvent exploiter l’échelle de la fabrication de plaquettes LTOI pour les filtres 5G. »
De cette manière, les PIC LTOI de l’étude atteignent des pertes et des performances électro-optiques similaires à la technologie LNOI bien établie, qui possède un fort potentiel d’utilisation dans les interconnexions de centres de données, les communications optiques longue distance et la photonique quantique. Selon Chengli Wang, auteur de l’étude :
« L’étude a également pu générer des microcombinaisons soliton tout en maintenant une performance électro-optique très efficace. Ces microcombinaisons soliton présentent un grand nombre de fréquences cohérentes et, combinées aux capacités de modulation électro-optique, sont particulièrement adaptées à des applications telles que le LiDAR cohérent parallèle et le calcul photonique. »
Applications réelles étendues des PIC en tantale de lithium
Le développement de circuits photoniques intégrés (PIC) utilisant le tantale de lithium (LiTaO3) constitue une grande avancée, compte tenu de ses nombreuses applications concrètes dans divers domaines. Certaines zones clés qui pourraient bénéficier de cette avancée comprennent les centres de données, qui peuvent exploiter ces PIC pour gérer d’énormes volumes de trafic de données et réduire la latence.
Dans les télécommunications, les tantales de lithium sont déjà utilisés. En les intégrant aux PIC, nous pouvons rationaliser la transition vers des systèmes de communication sans fil de pointe. Parallèlement, les MZM peuvent améliorer les débits de transmission de données dans les réseaux à fibre optique.
L’informatique est un autre domaine où la vitesse ultra‑élevée offerte par ces PIC peut améliorer les capacités de traitement, tandis que l’informatique quantique peut profiter de l’efficacité élevée et de la faible biréfringence des PIC en tantale de lithium. L’électronique grand public constitue également un secteur qui peut exploiter les PIC en tantale de lithium pour de meilleures performances des appareils.
Il y a ensuite le LiDAR (Light Detection and Ranging), qui peut être rendu plus précis pour une utilisation dans les véhicules autonomes, l’agriculture, la météorologie, la navigation, la biodiversité, la cartographie, et bien d’autres domaines.
D’autres industries qui pourraient en bénéficier comprennent les capteurs, utilisés dans la surveillance médicale, industrielle et environnementale, ainsi que le secteur de la santé, où les PIC avancés peuvent aider au diagnostic précoce et à la planification des traitements.
Comme nous l’avons vu, exploiter les propriétés uniques du tantale de lithium permet aux PIC d’offrir des performances améliorées, une évolutivité et une rentabilité. Ces avantages rendent les PIC basés sur le tantale de lithium particulièrement adaptés à un large éventail d’applications nécessitant des solutions optiques à haute vitesse et haute efficacité.
Entreprises qui peuvent bénéficier de cette avancée
La dernière avancée des PIC possède des cas d’utilisation profonds, comme nous l’avons évoqué ci-dessus, examinons maintenant quelques entreprises qui peuvent tirer parti de cette nouvelle technologie :
#1. Lumentum Holdings Inc. (LITE)
Lumentum est un fournisseur de produits optiques et photoniques, couvrant les marchés des lasers et des communications via les segments Lasers et OpComms. L’entreprise a une capitalisation boursière de 3,12 milliards de dollars, tandis que ses actions (LITE : NASDAQ) se négocient à 46,28 $, en baisse de 11,71 % depuis le début de l’année. Son BPA (TTM) est de -5,26, et son PER (TTM) est de -8,81.
LITE Graphique du prix
Pour ses récents résultats trimestriels, Lumentum a déclaré un revenu net de 366,5 millions de dollars, légèrement supérieur aux estimations. Cependant, il y a eu une baisse par rapport au trimestre précédent, en partie à cause de problèmes d’inventaire rencontrés par les clients des télécoms.
Le résultat net non GAAP était de 19,6 millions de dollars, tandis que la perte nette GAAP était de 127 millions de dollars. La marge brute GAAP est quant à elle tombée à 16,2 %, et la marge brute non GAAP a diminué à 32,6 %. La trésorerie totale de l’entreprise, ses équivalents de trésorerie et ses placements à court terme ont également chuté à 870,9 millions de dollars, principalement en raison d’un remboursement de 323 millions de dollars en obligations convertibles.
Le PDG Alan Lowe, cependant, est optimiste quant à la reprise du secteur des télécoms et a exprimé sa confiance dans la capacité de l’entreprise à tirer parti de la demande croissante pour les centres de données cloud alimentés par l’IA.
#2. Infinera Corporation (INFN)
Infinera Corporation fournit des semi-conducteurs optiques avancés et des solutions de réseau optique aux entreprises, gouvernements, opérateurs et fournisseurs de cloud. L’entreprise a une capitalisation boursière de 1,27 milliard de dollars, et ses actions se négocient à 5,46 $, en hausse de 14,95 % depuis le début de l’année. Son BPA (TTM) est de -0,34, et son PER (TTM) est de -16,04.
Pour le deuxième trimestre 2024, l’entreprise a déclaré un chiffre d’affaires GAAP de 306,9 millions de dollars, en baisse par rapport aux 453,5 millions de dollars du trimestre précédent. La marge brute GAAP était quant à elle de 36,0 %, encore une diminution par rapport à 38,6 % au 4T23 et 37,5 % au 1T23. Pour le trimestre, la marge opérationnelle GAAP était de 14 % et la perte nette GAAP était de 61,4 millions de dollars.
La marge brute non GAAP était de 36,6 %, la marge opérationnelle non GAAP de 8,4 % et la perte nette non GAAP de 38,3 millions de dollars. L’entreprise a généré 24 millions de dollars de flux de trésorerie d’exploitation et 16 millions de dollars de flux de trésorerie disponible, terminant le trimestre avec une trésorerie, des équivalents de trésorerie et des liquidités restreintes s’élevant à 192,2 millions de dollars.
Le PDG David Heard a qualifié le 1T24 d’un trimestre important, marqué par un élan significatif des clients, des appels d’offres (RFP) et des victoires de conception.
Réflexions finales
Alors que les PIC basés sur la photonique silicium ont dominé le monde avec une utilisation généralisée dans les télécommunications et les centres de données pendant plusieurs décennies, les choses vont devenir encore plus intéressantes avec l’arrivée de la prochaine génération de PIC.
Les PIC ultra‑haute vitesse basés sur des matériaux électro‑optiques joueront un rôle plus important dans les centres de données à haute efficacité énergétique, les filtres radiofréquence 5G et 6G, les communications optiques, et, surtout, dans le calcul haute performance piloté par les charges de travail d’IA.
Bien sûr, pour que cela se réalise, nous avons besoin d’une fabrication évolutive et à faible coût, ce que la dernière étude a accompli en utilisant le LiTaO3, qui est, dans certains cas, supérieur au LiNbO3. Être compatible avec les lignes de production existantes rend cette nouvelle méthode extrêmement attrayante. Elle promet des PIC électro‑optiques de prochaine génération à faible coût avec une large applicabilité dans tous les secteurs.
