संचार से डेटा सेंटर और अधिक – फोटोनिक इंटीग्रेटेड सर्किट में क्रांतिकारी प्रगति जो उद्योग को बदलने वाली है

एक नए अध्ययन ने लिथियम टैंटालेट (LiTaO3) नामक अकार्बनिक यौगिक का उपयोग करके स्केलेबल फोटोनिक इंटीग्रेटेड सर्किट के विकास को उजागर किया है, जो एक डायमैग्नेटिक ठोस है और पानी में अघुलनशील है। EPFL के शोधकर्ताओं ने ऑप्टिकल प्रौद्योगिकियों में महत्वपूर्ण प्रगति की है, जिसके व्यापक व्यावसायिक अनुप्रयोगों की संभावना है।

फोटोनिक इंटीग्रेटेड सर्किट (PIC) एक माइक्रोचिप है जिसमें फोटोनिक घटक होते हैं जो प्रकाश या फोटॉनों का उपयोग करते हैं, न कि ट्रांज़िस्टर, इंडक्टर और रेज़िस्टर जैसे विद्युत घटकों के, जो इलेक्ट्रॉन प्रवाह को सुविधाजनक बनाते हैं। फोटोनिक चिप्स लेज़र, वेवगाइड और पोलराइज़र जैसे ऑप्टिकल घटकों का उपयोग करके फोटॉनों को नियंत्रित करते हैं।

एक फोटोनिक चिप जानकारी को प्रोसेस और वितरित करने के लिए इलेक्ट्रॉनों के बजाय फोटॉनों का उपयोग करती है। बिजली की जगह प्रकाश का उपयोग इस तकनीक को इलेक्ट्रॉनिक्स की सीमाओं, जैसे कि गर्मी उत्पन्न होना, को पार करने की अनुमति देता है।

यह PICs को कम थर्मल प्रभाव, बड़ी एकीकरण क्षमता, मिनीएचराइजेशन और उच्च गति जैसे लाभ प्रदान करने में सक्षम बनाता है। साथ ही, PICs मौजूदा प्रोसेसिंग फ्लो के साथ संगत हैं, जिससे कम कीमत, बड़े पैमाने पर निर्माण और उच्च यील्ड संभव हो पाते हैं।

परिणामस्वरूप, PICs का उपयोग विभिन्न उद्योगों में किया जाता है, ऑटोमोबाइल से लेकर खगोल विज्ञान, सेंसरिंग, बायोमेडिकल और डेटा संचार तक। जैसे ही वैज्ञानिक और शोधकर्ता PICs को सुधारने के लिए काम जारी रखते हैं, वे और अधिक अनुप्रयोग देख सकते हैं और एक नई तकनीकी युग की शुरुआत कर सकते हैं।

अब तक, PICs ने कंप्यूटिंग सिस्टम और ऑप्टिकल कम्युनिकेशन में क्रांति ला दी है। हालांकि, सिलिकॉन-आधारित PICs ने अब तक बाजार में अग्रणी भूमिका निभाई है, क्योंकि वे लागत-प्रभावी हैं और मौजूदा अर्धचालक निर्माण प्रौद्योगिकियों के साथ एकीकृत हो सकते हैं।

सिलिकॉन-आधारित PICs की इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्यूलेशन बैंडविड्थ सीमाओं के बावजूद, सिलिकॉन-ऑन-इंसुलेटर ऑप्टिकल ट्रांससीवर चिप्स को व्यापक रूप से व्यावसायीकरण किया गया है। हालाँकि, हाल ही में लिथियम नियोबेट-ऑन-इंसुलेटर (LNOI) वेफ़र प्लेटफ़ॉर्म, जो उच्च गति ऑप्टिकल मॉड्यूलेशन के लिए आवश्यक श्रेष्ठ पॉक्ल्स गुणांक के लिए जाने जाते हैं, ने ध्यान आकर्षित करना शुरू किया है।

लिथियम नियोबेट (LiNbO3) पर आधारित इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल PICs अपनी मजबूत पॉक्ल्स गुणांक के कारण व्यापक क्षमताएँ प्रदर्शित करते हैं, और हाई‑परफ़ॉर्मेंस कंप्यूटिंग, एआई के लिए फोटोनिक एक्सेलेरेटर, तथा डेटा‑सेंटर संचार में उपयोग पाए हैं।

हालाँकि, लिथियम नियोबेट अभी तक व्यापक अपनाने और व्यावसायिक एकीकरण नहीं देख पाया है। इसके कारण हैं इसकी जटिल उत्पादन आवश्यकताएँ, सीमित वेफ़र आकार, और प्रति वेफ़र उच्च लागत, जो इसके औद्योगिक उपयोग को सीमित कर रहे हैं।

यह तकनीक महंगी है क्योंकि सिलिकॉन-ऑन-इंसुलेटर (SOI) फोटोनिक्स के अपनाने को तेज करने वाले उच्च‑वॉल्यूम अनुप्रयोग मौजूद नहीं हैं।

पिछले दो दशकों में, सिलिकॉन-आधारित PICs ने शैक्षणिक अनुसंधान से डेटा सेंटर में व्यापक उपयोग की ओर तेज़ी से परिवर्तन किया है, जो SOI वेफ़र की लागत‑प्रभावशीलता और उच्च‑वॉल्यूम उपलब्धता द्वारा प्रेरित है। स्मार्ट‑कट तकनीकों का उपयोग करके तैयार किए गए ये SOI वेफ़र सिलिकॉन फोटोनिक्स के निर्माण को सक्षम बनाते हैं और, अधिक महत्वपूर्ण रूप से, उपभोक्ता माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स में व्यापक रूप से उपयोग होते हैं।

संदर्भ के लिए, हर साल विश्व स्तर पर 300 मिमी व्यास वाले 3 मिलियन से अधिक SOI वेफ़र निर्मित होते हैं।

हालाँकि, नवीनतम अध्ययन, जिसने इलेक्ट्रो‑ऑप्टिकल PICs के लिए लिथियम टैंटालेट (LiTaO3) का उपयोग किया, के धन्यवाद से, उनके लिए चीज़ें अंततः बदल सकती हैं।

LiTaO3, जो क्रिस्टल संरचना में LiNbO3 के समान है लेकिन भारी Ta परमाणु Nb की जगह लेते हैं, अधिक द्रव्यमान घनत्व और मजबूत रासायनिक बंध प्रदान करता है, जिससे शक्ति और रासायनिक स्थिरता बढ़ती है। इसका बड़ा ऑप्टिकल बैंडगैप भी दृश्यमान और यहाँ तक कि अल्ट्रावायलेट तरंगदैर्ध्य रेंज में नॉन‑लाइनियर ऑप्टिकल रूपांतरण को सक्षम बनाता है और ऑप्टिकल अनिसोट्रॉपी को काफी घटाता है, जिससे मोड मिश्रण दमन होता है।

इसके अलावा, दोनों सामग्री की मॉड्यूलेशन दक्षता लगभग समान होने की उम्मीद है, लेकिन LiTaO3 की बड़ी ऑप्टिकल डैमेज थ्रेशोल्ड इसे उच्च‑शक्ति अनुप्रयोगों के लिए बहुत महत्वपूर्ण बनाती है।

वाणिज्यिक 5G रेडियोफ़्रीक्वेंसी फ़िल्टर में पहले से ही व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले LiTaO3 का उत्पादन क्षमता प्रति वर्ष 750,000 लिथियम टैंटालेट-ऑन-इंसुलेटर (LTOI) वेफ़र तक पहुँचने की संभावना है, जिससे LiTaO3-आधारित PICs का कम‑लागत स्केलेबल निर्माण संभव हो सकता है।

स्केलेबल निर्माण के लिए LiTaO3 PICs

नवीनतम अध्ययन, जो Nature में प्रकाशित हुआ और स्विस नेशनल साइंस फाउंडेशन (SNSF) तथा यूरोपीय रिसर्च काउंसिल (ERC) द्वारा वित्तपोषित है, बड़े‑वॉल्यूम और कम‑लागत इलेक्ट्रो‑ऑप्टिकल PICs के उत्पादन में स्केलेबिलिटी हासिल करने की दिशा में प्रगति कर रहा है, जो उन्नत हैं और भविष्य की दुनिया की बेहतर सेवा करेंगे।

यह लिथियम टैंटालेट की मदद से संभव हुआ, जो लिथियम नियोबेट (LN) के निकट संबंधी पदार्थ है — एक बहु‑कार्यात्मक फेरोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल, जिसमें ऑक्सीजन, लिथियम और नियोबियम होते हैं, जो आधुनिक फोटोनिक्स की नींव है और ऑप्टिकल मॉड्यूलेटर, मोबाइल फ़ोन, ऑप्टिकल वेवगाइड और पायज़ोइलेक्ट्रिक सेंसर के लिए प्रमुख सामग्री है।

लिथियम नियोबेट (LiNbO3) की तरह, लिथियम टैंटालेट (LiTaO3) में शानदार इलेक्ट्रो‑ऑप्टिक गुण हैं, लेकिन इसके अतिरिक्त लाभ भी हैं: लागत और स्केलेबिलिटी। LiTaO3 में बहुत कम बायरिफ्रिंजेंस भी दिखता है, जिससे LiNbO3 की तुलना में उच्च‑घनत्व सर्किट और सभी टेलीकॉम बैंड में ब्रॉडबैंड संचालन संभव होता है।

चूँकि टेलीकॉम उद्योग पहले से ही इस सामग्री का व्यापक रूप से 5G रेडियोफ़्रीक्वेंसी फ़िल्टर में उपयोग कर रहा है, LiTaO3 लिथियम नियोबेट की बाधाओं को दूर करने में मदद कर सकता है।

इसलिए, EPFL के वैज्ञानिक, प्रोफेसर टॉबियास जे. किप्पेनबर्ग और शंघाई इंस्टीट्यूट ऑफ माइक्रोसिस्टम एंड इन्फॉर्मेशन टेक्नोलॉजी के प्रोफेसर शिन ओउ के नेतृत्व में, लिथियम टैंटालेट पर आधारित एक PIC प्लेटफ़ॉर्म बनाया।

यह नया PIC LiTaO3 की अंतर्निहित गुणों का लाभ उठाकर उच्च‑गुणवत्ता वाले PICs को अधिक आर्थिक रूप से व्यवहार्य बनाता है, जिससे इलेक्ट्रो‑ऑप्टिकल PICs के क्षेत्र में परिवर्तन आता है। अध्ययन ने दिखाया कि लिथियम टैंटालेट को डीप अल्ट्रावायलेट (DUV) स्टेपर आधारित निर्माण प्रक्रिया और लिथियम टैंटालेट Mach–Zehnder मॉड्यूलेटर (MZM) का उपयोग करके कम‑हानि वाले PICs बनाने के लिए एच किया जा सकता है। यह प्लेटफ़ॉर्म सॉलिटोन माइक्रोकॉम्ब्स के उत्पादन को भी समर्थन देता है, जो फोटोनिक‑आधारित माइक्रोवेव सिग्नल सिंथेसिस के लिए एक आशाजनक नई विधि है।

इस बड़ी उपलब्धि को हासिल करने के लिए, टीम ने लिथियम टैंटालेट के लिए एक वेफ़र‑बॉन्डिंग विधि विकसित की, जो SOI उत्पादन लाइनों के साथ काम करती है।

शोधकर्ताओं ने LiNbO3 को लिथियम नियोबेट-ऑन-इंसुलेटर (LNOI) संरचनाओं में निर्मित किया, जिससे अत्यधिक उच्च गति और कम वोल्टेज वाले इलेक्ट्रो‑ऑप्टिकल PICs की पूरी नई श्रेणी उपलब्ध हुई। अध्ययन के अनुसार, ये PICs भविष्य के ऊर्जा‑कुशल संचार प्रणालियों का अभिन्न हिस्सा बन सकते हैं।

निर्माण स्मार्ट‑कट तकनीक का उपयोग करके किया गया। LTOI का यह निर्माण SOI वेफ़र के उच्च‑वॉल्यूम व्यावसायिक उत्पादन के अधिक निकट है, जिससे उच्च दक्षता और कम उत्पादन लागत मिलती है।

अगले चरण में, टीम ने वेफ़र को कार्बन से मास्क किया और फिर मॉड्यूलेटर, ऑप्टिकल वेवगाइड और उच्च‑गुणवत्ता वाले फैक्टर माइक्रोरेज़ोनेटर को एच करना शुरू किया। उन्होंने वेफ़र को एच करने के लिए दो तकनीकों को मिलाया: DUV फोटोलीथोग्राफी, जिसमें नियंत्रित प्रकाश से पैटर्न बनाते हैं, और ड्राई एचिंग, जिसमें आयनों के संपर्क से सामग्री हटाते हैं। प्रारम्भ में लिथियम नियोबेट के लिए विकसित यह एचिंग प्रक्रिया बाद में कठोर और अधिक निष्क्रिय लिथियम टैंटालेट को एच करने के लिए अनुकूलित की गई।

एचिंग को ऑप्टिकल हानियों को न्यूनतम करने के लिए अनुकूलित किया गया, जो फोटोनिक सर्किट में उच्च प्रदर्शन प्राप्त करने के लिए महत्वपूर्ण है।

परिणामस्वरूप, शोधकर्ताओं ने लिथियम टैंटालेट PICs का सफलतापूर्वक निर्माण किया, जो अत्यधिक कुशल हैं और टेलीकॉम तरंगदैर्ध्य पर केवल 5.6 dB/m का ऑप्टिकल लॉस रेट रखते हैं।

जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, इलेक्ट्रो‑ऑप्टिक MZM — जो वर्तमान में हाई‑स्पीड ऑप्टिकल फाइबर कम्युनिकेशन में उपयोग होता है — इस अध्ययन का एक और मुख्य बिंदु था। लिथियम टैंटालेट MZM की इलेक्ट्रो‑ऑप्टिकल बैंडविड्थ 40 GHz तक पहुंची, जबकि आधा‑तरंग वोल्टेज‑लंबाई उत्पाद 1.9 V·cm था। अध्ययन के अनुसार:

“हमारी प्रक्रिया पूरी तरह से वेफ़र‑स्केल है और डीप‑अल्ट्रावायलेट फोटोलीथोग्राफी पर आधारित है, और 5G फ़िल्टर के लिए LTOI वेफ़र निर्माण के पैमाने का उपयोग करने वाले उच्च‑प्रदर्शन इलेक्ट्रो‑ऑप्टिकल PICs के स्केलेबल निर्माण की नींव रखती है।”

इस प्रकार, अध्ययन के LTOI PICs समान हानि और इलेक्ट्रो‑ऑप्टिकल प्रदर्शन प्राप्त करते हैं, जो स्थापित LNOI तकनीक के समान है, और डेटा‑सेंटर इंटरकनेक्ट, लॉन्ग‑हॉल ऑप्टिकल कम्युनिकेशन और क्वांटम फोटोनिक्स में उपयोग की बड़ी संभावनाएँ रखती है। अध्ययन के लेखक चेंगली वांग के अनुसार:

“अध्ययन ने सॉलिटोन माइक्रोकॉम्ब उत्पन्न करने में भी सफलता पाई, जबकि अत्यधिक कुशल इलेक्ट्रो‑ऑप्टिकल प्रदर्शन को बनाए रखा। ये सॉलिटोन माइक्रोकॉम्ब बड़ी संख्या में कोहेरेंट फ़्रीक्वेंसीज़ प्रदान करते हैं और जब इलेक्ट्रो‑ऑप्टिक मॉड्यूलेशन क्षमताओं के साथ संयोजित होते हैं, तो यह समानांतर कोहेरेंट LiDAR और फोटोनिक कंप्यूटिंग जैसे अनुप्रयोगों के लिए विशेष रूप से उपयुक्त होते हैं।”

लिथियम टैंटालेट PICs के व्यापक वास्तविक‑विश्व अनुप्रयोग

लिथियम टैंटालेट (LiTaO3) का उपयोग करके फोटोनिक इंटीग्रेटेड सर्किट (PICs) का विकास एक बड़ी उपलब्धि है, क्योंकि इसके विभिन्न क्षेत्रों में कई वास्तविक‑विश्व अनुप्रयोग हैं। इस प्रगति से लाभान्वित होने वाले प्रमुख क्षेत्रों में डेटा सेंटर शामिल हैं, जो इन PICs का उपयोग करके बड़े पैमाने पर डेटा ट्रैफ़िक को प्रबंधित कर सकते हैं और लेटेंसी को कम कर सकते हैं।

टेलीकॉम में, लिथियम टैंटालेट का पहले से ही उपयोग हो रहा है। इन्हें PICs में एकीकृत करके, हम अत्याधुनिक वायरलेस कम्युनिकेशन सिस्टम में परिवर्तन को सुगम बना सकते हैं। साथ ही, MZM ऑप्टिकल फाइबर नेटवर्क में डेटा ट्रांसमिशन दरों को सुधार सकते हैं।

कम्प्यूटिंग एक और ऐसा क्षेत्र है जहाँ इन PICs द्वारा प्रदान की गई अल्ट्रा‑हाई स्पीड प्रोसेसिंग क्षमताओं को बढ़ा सकती है, जबकि क्वांटम कम्प्यूटिंग लिथियम टैंटालेट PICs की उच्च दक्षता और कम बायरिफ्रिंजेंस से लाभ उठा सकती है। उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स भी एक ऐसा क्षेत्र है जहाँ लिथियम टैंटालेट PICs का उपयोग बेहतर डिवाइस प्रदर्शन के लिए किया जा सकता है।

फिर LiDAR (लाइट डिटेक्शन एंड रेंजिंग) है, जिसे स्वायत्त वाहन, कृषि, मौसम, नेविगेशन, जैव विविधता, मानचित्रण और कई अन्य क्षेत्रों में उपयोग के लिए अधिक सटीक बनाया जा सकता है।

अन्य उद्योगों में सेंसर शामिल हैं, जो चिकित्सा, औद्योगिक और पर्यावरणीय मॉनिटरिंग में उपयोग होते हैं, और स्वास्थ्य देखभाल, जहाँ उन्नत PICs शुरुआती निदान और उपचार योजना में मदद कर सकते हैं।

जैसा कि हमने देखा, लिथियम टैंटालेट की अनूठी विशेषताओं का उपयोग करके PICs बेहतर प्रदर्शन, स्केलेबिलिटी और लागत‑प्रभावशीलता प्रदान करते हैं। ये लाभ लिथियम टैंटालेट‑आधारित PICs को उन सभी अनुप्रयोगों के लिए अत्यधिक उपयुक्त बनाते हैं, जिनमें हाई‑स्पीड, हाई‑एफिशिएंसी ऑप्टिकल समाधान की आवश्यकता होती है।

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इस प्रगति से लाभान्वित हो सकने वाली कंपनियां 

जैसा कि हमने ऊपर चर्चा की, PICs में नवीनतम प्रगति के गहरे उपयोग केस हैं, अब चलिए कुछ कंपनियों पर नज़र डालते हैं जो इस नई तकनीक से लाभ उठा सकती हैं:

#1. Lumentum Holdings Inc. (LITE)

Lumentum एक ऑप्टिकल और फोटोनिक उत्पादों का प्रदाता है, जो Lasers और OpComms सेक्शन के माध्यम से लेज़र और कम्युनिकेशन बाजार को कवर करता है। कंपनी का मार्केट कैप $3.12 बिलियन है, जबकि इसके शेयर (LITE: NASDAQ) $46.28 पर ट्रेड हो रहे हैं, YTD में 11.71% गिरावट के साथ। इसका EPS (TTM) -5.26 है, और P/E (TTM) -8.81 है।

अपने हालिया तिमाही परिणामों के लिए, Lumentum ने $366.5 मिलियन की शुद्ध आय की रिपोर्ट की, जो अनुमान से थोड़ा अधिक थी। हालांकि, पिछले तिमाही की तुलना में गिरावट आई, जिसका एक हिस्सा टेलीकॉम ग्राहकों द्वारा सामना किए गए इन्वेंटरी मुद्दों के कारण था।

Non-GAAP शुद्ध आय $19.6 मिलियन थी, जबकि GAAP शुद्ध हानि $127 मिलियन थी। GAAP ग्रॉस मार्जिन 16.2% तक गिर गया, और non-GAAP ग्रॉस मार्जिन 32.6% तक घट गया। कंपनी की कुल नकद, नकद समकक्ष और अल्पकालिक निवेश भी $870.9 मिलियन तक गिर गए, मुख्यतः $323 मिलियन के कन्वर्टिबल नोट्स की पुनर्भुगतान के कारण।

हालाँकि, CEO एलन लोवे टेलीकॉम सेक्टर की पुनरुद्धार को लेकर आशावादी हैं और कंपनी की AI‑ड्रिवेन क्लाउड डेटा सेंटर की बढ़ती मांग का लाभ उठाने की क्षमता में विश्वास व्यक्त किया है।

#2. Infinera Corporation (INFN)

Infinera Corporation उन्नत ऑप्टिकल सेमीकंडक्टर्स और ऑप्टिकल नेटवर्किंग समाधान एंटरप्राइज़, सरकारों, कैरियर्स और क्लाउड ऑपरेटरों को प्रदान करती है। कंपनी का मार्केट कैप $1.27 बिलियन है, और इसके शेयर $5.46 पर ट्रेड हो रहे हैं, YTD में 14.95% वृद्धि के साथ। इसका EPS (TTM) -0.34 है, और P/E (TTM) -16.04 है।

2024 की Q2 के लिए, कंपनी ने $306.9 मिलियन का GAAP राजस्व रिपोर्ट किया, जो पिछले तिमाही के $453.5 मिलियन से कम है। GAAP ग्रॉस मार्जिन 36.0% था, जो 4Q23 में 38.6% और 1Q23 में 37.5% से फिर भी घटा है। इस तिमाही के लिए, GAAP ऑपरेटिंग मार्जिन 14% था, और GAAP शुद्ध हानि $61.4 मिलियन थी।

Non-GAAP ग्रॉस मार्जिन 36.6% था, non-GAAP ऑपरेटिंग मार्जिन 8.4% था, और non-GAAP शुद्ध हानि $38.3 मिलियन थी। कंपनी ने $24 मिलियन का ऑपरेटिंग कैश फ्लो और $16 मिलियन का फ्री कैश फ्लो उत्पन्न किया, जिससे तिमाही के अंत में नकद, नकद समकक्ष और प्रतिबंधित नकद $192.2 मिलियन पर पहुँचा।

CEO डेविड हर्ड ने 1Q24 को एक महत्वपूर्ण तिमाही कहा, जो महत्वपूर्ण ग्राहक, RFP और डिज़ाइन‑विन मोमेंटम द्वारा चिह्नित थी।

निष्कर्षात्मक विचार

जबकि सिलिकॉन फोटोनिक्स पर आधारित PICs ने पिछले कई दशकों में टेलीकॉम और डेटा सेंटर में व्यापक उपयोग के साथ दुनिया में अग्रणी भूमिका निभाई है, अगली पीढ़ी के PICs के प्रवेश के साथ चीज़ें और भी रोचक होने वाली हैं।

इलेक्ट्रो‑ऑप्टिकल सामग्री पर आधारित अल्ट्रा‑हाई स्पीड PICs ऊर्जा‑कुशल डेटा सेंटर, 5G और 6G रेडियोफ़्रीक्वेंसी फ़िल्टर, ऑप्टिकल कम्युनिकेशन, और सबसे महत्वपूर्ण, एआई वर्कलोड‑ड्रिवेन हाई‑परफ़ॉर्मेंस कंप्यूटिंग में बड़ी भूमिका निभाएंगे।

बिल्कुल, इसके लिए हमें स्केलेबल, कम‑लागत निर्माण की आवश्यकता है, जिसे नवीनतम अध्ययन ने LiTaO3 का उपयोग करके हासिल किया है, जो कुछ मामलों में LiNbO3 से श्रेष्ठ है। मौजूदा उत्पादन लाइनों के साथ संगत होना इस नई विधि को अत्यंत आकर्षक बनाता है। यह विभिन्न उद्योगों में व्यापक अनुप्रयोग के साथ कम‑लागत की अगली पीढ़ी के इलेक्ट्रो‑ऑप्टिकल PICs का वादा करता है।

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