Komputasi
Dari Komunikasi hingga Pusat Data dan Lebih Banyak Lagi – Terobosan Sirkuit Terintegrasi Fotonic Siap Mengguncang Industri
Tambahkan Securities.io ke sumber pilihan Anda di Google
Sebuah studi baru telah mengungkap pengembangan sirkuit terintegrasi fotonik yang dapat diskalakan menggunakan senyawa anorganik lithium tantalate (LiTaO3), sebuah padatan diamagnetik yang tidak larut dalam air. Peneliti di EPFL telah membuat kemajuan signifikan dalam teknologi optik dengan potensi aplikasi komersial yang luas.
Sirkuit terintegrasi fotonik (PIC) adalah sebuah mikrochip yang berisi komponen fotonik yang memanfaatkan cahaya atau foton alih-alih komponen listrik seperti transistor, induktor, dan resistor, yang memfasilitasi aliran elektron. Chip fotonik menggunakan komponen optik seperti laser, gelombang pandu, dan polarisator untuk mengendalikan foton.
Sebuah chip fotonik memanfaatkan foton alih-alih elektron untuk memproses dan mendistribusikan informasi. Penggunaan cahaya menggantikan listrik memungkinkan teknologi ini mengatasi keterbatasan elektronik, seperti menghasilkan panas.
Hal ini memungkinkan PIC menawarkan keuntungan berupa efek termal rendah, kapasitas integrasi besar, miniaturisasi, dan kecepatan lebih tinggi. Pada saat yang sama, PIC kompatibel dengan alur proses yang ada, memungkinkan harga lebih rendah, produksi volume, dan hasil yang tinggi.
Akibatnya, PIC menemukan aplikasi di berbagai industri, mulai dari otomotif hingga astronomi, sensor, biomedis, dan komunikasi data. Seiring ilmuwan dan peneliti terus mengembangkan PIC, mereka dapat melihat lebih banyak lagi aplikasi dan menandai era teknologi baru.
Hingga saat ini, PIC telah merevolusi sistem komputasi dan komunikasi optik. Namun, PIC berbasis silikon telah memimpin pasar sejauh ini karena biaya yang efektif dan kemampuan integrasinya dengan teknologi manufaktur semikonduktor yang ada.
Meskipun terdapat batasan lebar pita modulasi elektro-optik pada PIC berbasis silikon, chip transceiver optik silicon-on-insulator telah banyak dikomersialkan. Namun, baru-baru ini, platform wafer lithium niobate-on-insulator (LNOI), yang dikenal karena koefisien Pockels superior yang penting untuk modulasi optik berkecepatan tinggi, mulai menarik perhatian.
PIC elektro-optik berbasis lithium niobate (LiNbO3) menunjukkan kemampuan luas berkat koefisien Pockels yang kuat, digunakan dalam komputasi berkinerja tinggi, akselerator fotonik untuk AI, dan komunikasi pusat data.
Namun, ada alasan mengapa lithium niobate belum diadopsi secara luas dan terintegrasi secara komersial. Alasannya adalah persyaratan produksi yang kompleks, ukuran wafer terbatas, dan biaya per wafer yang tinggi, yang membatasi penggunaan industrinya.
Teknologi ini mahal karena tidak ada aplikasi volume tinggi yang ada seperti yang mempercepat adopsi fotonik silicon-on-insulator (SOI).
Dalam dua dekade terakhir, PIC berbasis silikon telah beralih cepat dari penelitian akademik ke penggunaan luas di pusat data, didorong oleh biaya yang efektif dan ketersediaan wafer SOI dalam volume tinggi. Dipersiapkan menggunakan teknik smart-cut, wafer SOI ini memungkinkan pembuatan fotonik silikon dan, yang lebih penting, banyak digunakan dalam mikroelektronik konsumen.
Sebagai konteks, lebih dari 3 juta wafer SOI dengan diameter 300 mm diproduksi secara global setiap tahun.
Namun, berkat studi terbaru yang menggunakan lithium tantalate (LiTaO3) untuk PIC elektro-optik, situasinya mungkin akhirnya berubah.
LiTaO3, yang memiliki struktur kristal mirip dengan LiNbO3 tetapi dengan atom Ta yang lebih berat menggantikan Nb, menawarkan kepadatan massa yang lebih tinggi dan ikatan kimia yang lebih kuat, meningkatkan kekuatan dan stabilitas kimia. Celah pita optik yang lebih besar juga memungkinkan konversi optik nonlinier ke rentang panjang gelombang tampak bahkan ultraviolet serta menunjukkan anisotropi optik yang sangat berkurang, menekan pencampuran mode.
Selain itu, efisiensi modulasi kedua material diperkirakan hampir identik, tetapi ambang kerusakan optik yang lebih besar pada LiTaO3 menjadikannya sangat penting untuk aplikasi berdaya tinggi.
Sudah banyak digunakan dalam filter radiofrekuensi 5G komersial, LiTaO3 diproyeksikan akan mencapai kapasitas produksi sebesar 750.000 wafer lithium tantalate-on-insulator (LTOI) per tahun, berpotensi memungkinkan manufaktur skala rendah biaya untuk PIC berbasis LiTaO3.
LiTaO3 PIC untuk Manufaktur Skala Besar
Studi terbaru, yang dipublikasikan di Nature dan didanai oleh Swiss National Science Foundation (SNSF) serta European Research Council (ERC), membuat kemajuan dalam mencapai skalabilitas produksi PIC elektro-optik bervolume besar dan biaya rendah yang canggih serta akan melayani dunia masa depan dengan cara yang lebih baik.
Hal ini dimungkinkan dengan bantuan lithium tantalate, sebuah material yang sangat terkait dengan lithium niobate (LN) — kristal ferroeletik multifungsi yang terdiri dari oksigen, lithium, dan niobium yang menjadi dasar fotonik modern dan merupakan material kunci untuk modulasi optik, ponsel, gelombang pandu optik, dan sensor piezoelektrik.
Seperti lithium niobate (LiNbO3), lithium tantalate (LiTaO3) memiliki kualitas elektro-optik yang fantastis, namun juga memiliki manfaat tambahan: biaya dan skalabilitas. LiTaO3 juga menunjukkan birifringensi yang jauh lebih rendah, memungkinkan sirkuit berdensitas tinggi dan operasi broadband di semua pita telekomunikasi dibandingkan dengan LiNbO3.
Mengingat industri telekomunikasi sudah menggunakan material ini secara luas dalam filter radiofrekuensi 5G, LiTaO3 dapat membantu mengatasi hambatan pada lithium niobate.
Jadi, para ilmuwan di EPFL, dipimpin oleh Profesor Tobias J. Kippenberg dan Xin Ou, seorang profesor di Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, menciptakan platform PIC berbasis lithium tantalate.
PIC baru ini memanfaatkan kualitas inheren LiTaO3 untuk membuat PIC berkualitas tinggi lebih ekonomis, mengubah bidang PIC elektro-optik. Studi tersebut menunjukkan bahwa lithium tantalate dapat diukir untuk membuat PIC dengan kehilangan rendah menggunakan proses manufaktur berbasis deep ultraviolet (DUV) stepper serta modulasi Mach–Zehnder (MZM) berbasis lithium tantalate. Platform ini juga mendukung generasi soliton mikrokomb, yang merupakan pendekatan baru yang menjanjikan untuk sintesis sinyal gelombang mikro berbasis fotonik.
Untuk mencapai prestasi besar ini, tim mengembangkan metode pengikatan wafer untuk lithium tantalate, yang dapat bekerja dengan jalur produksi SOI.
Para peneliti memfabricasi LiNbO3 menjadi struktur lithium niobate-on-insulator (LNOI) untuk menyediakan kelas baru PIC elektro-optik dengan kecepatan sangat tinggi dan tegangan rendah. Menurut studi, PIC ini dapat menjadi bagian integral dari sistem komunikasi hemat energi di masa depan.
Fabricasi dilakukan menggunakan teknik smart-cut. Fabricasi LTOI ini lebih selaras dengan produksi komersial volume tinggi wafer SOI, menawarkan efisiensi lebih tinggi dan biaya produksi lebih rendah.
Selanjutnya, tim memasker wafer dengan karbon dan kemudian mulai mengukir modulasi, gelombang pandu optik, dan mikroresonator faktor dengan kualitas unggul. Mereka menggabungkan dua teknik untuk mengukir wafer: fotolitografi DUV, yang melibatkan pembuatan pola menggunakan cahaya terkontrol, dan pengukiran kering, yang melibatkan penghilangan material dengan mengekspose ke ion. Awalnya dikembangkan untuk lithium niobate, proses pengukiran ini kemudian diadaptasi untuk mengukir lithium tantalate yang lebih keras dan lebih inert.
Pengukiran diadaptasi untuk meminimalkan kehilangan optik, yang penting dalam mencapai kinerja tinggi pada sirkuit fotonik.
Sebagai hasilnya, para peneliti berhasil memfabricasi PIC lithium tantalate, yang sangat efisien dan memiliki tingkat kehilangan optik hanya 5,6 dB/m pada panjang gelombang telekomunikasi.
Seperti yang disebutkan di atas, MZM elektro-optik — yang saat ini digunakan dalam komunikasi serat optik berkecepatan tinggi — merupakan sorotan lain dari studi ini. Lebar pita elektro-optik MZM lithium tantalate mencapai 40 GHz sambil menawarkan produk setengah gelombang tegangan-panjang sebesar 1,9 V cm. Menurut studi:
Proses kami sepenuhnya berskala wafer dan berbasis pada fotolitografi deep-ultraviolet serta meletakkan dasar bagi manufaktur skala besar PIC elektro-optik berkinerja tinggi yang dapat memanfaatkan skala fabrikasi wafer LTOI untuk filter 5G.
Dengan cara ini, PIC LTOI dalam studi tersebut mencapai kehilangan dan kinerja elektro-optik yang serupa dengan teknologi LNOI yang sudah mapan, yang memiliki potensi besar untuk digunakan dalam interkoneksi pusat data, komunikasi optik jarak jauh, dan fotonik kuantum. Menurut Chengli Wang, penulis studi:
Studi ini juga berhasil menghasilkan soliton mikrokomb sambil mempertahankan kinerja elektro-optik yang sangat efisien. Soliton mikrokomb ini memiliki sejumlah besar frekuensi koheren dan, ketika dikombinasikan dengan kemampuan modulasi elektro-optik, sangat cocok untuk aplikasi seperti LiDAR koheren paralel dan komputasi fotonik.
Aplikasi Dunia Nyata yang Luas dari PIC Lithium Tantalate
Pengembangan sirkuit terintegrasi fotonik (PIC) menggunakan lithium tantalate (LiTaO3) merupakan pencapaian besar, mengingat banyaknya aplikasi dunia nyata di berbagai bidang. Beberapa area kunci yang dapat memperoleh manfaat dari kemajuan ini meliputi pusat data, yang dapat memanfaatkan PIC ini untuk mengelola lalu lintas data yang masif dan mengurangi latensi.
Dalam telekomunikasi, lithium tantalate sudah digunakan. Dengan mengintegrasikannya ke dalam PIC, kita dapat memperlancar transisi ke sistem komunikasi nirkabel mutakhir. Sementara itu, MZM dapat meningkatkan kecepatan transmisi data dalam jaringan serat optik.
Komputasi adalah area lain di mana kecepatan ultra-tinggi yang ditawarkan oleh PIC ini dapat membantu kemampuan pemrosesan, sementara komputasi kuantum dapat memperoleh manfaat dari efisiensi tinggi dan birifringensi rendah pada PIC lithium tantalate. Elektronik konsumen juga merupakan bidang lain yang dapat memanfaatkan PIC lithium tantalate untuk kinerja perangkat yang lebih baik.
Kemudian ada LiDAR (Light Detection and Ranging), yang dapat dibuat lebih akurat untuk digunakan dalam kendaraan otonom, pertanian, cuaca, navigasi, keanekaragaman hayati, pemetaan, dan banyak lagi.
Industri lain yang dapat memperoleh manfaat meliputi sensor, yang digunakan dalam pemantauan medis, industri, dan lingkungan, serta perawatan kesehatan, di mana PIC canggih dapat membantu diagnosis dini dan perencanaan perawatan.
Seperti yang kita lihat, memanfaatkan sifat unik lithium tantalate memungkinkan PIC menawarkan kinerja yang ditingkatkan, skalabilitas, dan biaya yang efektif. Manfaat ini menjadikan PIC berbasis lithium tantalate sangat cocok untuk berbagai aplikasi yang menuntut solusi optik berkecepatan tinggi dan efisiensi tinggi.
Perusahaan yang Dapat Memanfaatkan Kemajuan Ini
Kemajuan terbaru dalam PIC memiliki kasus penggunaan yang mendalam, seperti yang telah kami bahas di atas, sekarang, mari kita lihat beberapa perusahaan yang dapat memanfaatkan teknologi baru ini:
#1. Lumentum Holdings Inc. (LITE)
Lumentum adalah penyedia produk optik dan fotonik, mencakup pasar laser dan komunikasi melalui segmen Lasers dan OpComms. Perusahaan ini memiliki kapitalisasi pasar sebesar $3,12 miliar, sementara sahamnya (LITE: NASDAQ) diperdagangkan pada $46,28, turun 11,71% YTD. EPS (TTM) nya adalah -5,26, dan P/E (TTM) nya adalah -8,81.
LITE Grafik Harga
Untuk hasil kuartalan terbarunya, Lumentum melaporkan pendapatan bersih sebesar $366,5 juta, sedikit lebih tinggi dari perkiraan. Namun, terdapat penurunan dibandingkan kuartal sebelumnya, sebagian karena masalah inventaris yang dihadapi oleh pelanggan telekomunikasi.
Pendapatan bersih Non-GAAP sebesar $19,6 juta, sementara kerugian bersih GAAP sebesar $127 juta. Margin kotor GAAP turun menjadi 16,2%, dan margin kotor Non-GAAP berkurang menjadi 32,6%. Total kas, setara kas, dan investasi jangka pendek perusahaan juga turun menjadi $870,9 juta, terutama karena pembayaran $323 juta pada obligasi konversi.
Namun, CEO Alan Lowe optimis tentang pemulihan sektor telekomunikasi dan menyatakan keyakinannya pada kemampuan perusahaan untuk memanfaatkan permintaan yang meningkat untuk pusat data cloud berbasis AI.
#2. Infinera Corporation (INFN)
Infinera Corporation menyediakan semikonduktor optik canggih dan solusi jaringan optik untuk perusahaan, pemerintah, operator, dan penyedia cloud. Perusahaan ini memiliki kapitalisasi pasar sebesar $1,27 miliar, dan sahamnya diperdagangkan pada $5,46, naik 14,95% YTD. EPS (TTM) nya adalah -0,34, dan P/E (TTM) nya adalah -16,04.
Untuk Q2 2024, perusahaan melaporkan pendapatan GAAP sebesar $306,9 juta, turun dari $453,5 juta pada kuartal sebelumnya. Margin kotor GAAP, sementara itu, sebesar 36,0%, kembali menurun dari 38,6% pada 4Q23 dan 37,5% pada 1Q23. Untuk kuartal tersebut, margin operasi GAAP sebesar 14%, dan kerugian bersih GAAP sebesar $61,4 juta.
Margin kotor Non-GAAP sebesar 36,6%, margin operasi Non-GAAP sebesar 8,4%, dan kerugian bersih Non-GAAP sebesar $38,3 juta. Perusahaan menghasilkan arus kas operasi sebesar $24 juta dan arus kas bebas sebesar $16 juta, sehingga pada akhir kuartal kas, setara kas, dan kas terbatas sebesar $192,2 juta.
CEO David Heard menyebut 1Q24 sebagai kuartal penting, ditandai oleh momentum signifikan dari pelanggan, RFP, dan kemenangan desain.
Pemikiran Penutup
Meskipun PIC berbasis fotonik silikon telah memimpin dunia dengan penggunaan luas dalam telekomunikasi dan pusat data selama beberapa dekade terakhir, hal-hal akan menjadi lebih menarik dengan kedatangan generasi berikutnya dari PIC.
PIC berkecepatan ultra-tinggi berbasis material elektro-optik akan memainkan peran lebih besar dalam pusat data hemat energi, filter radiofrekuensi 5G dan 6G, komunikasi optik, dan yang paling penting, dalam komputasi berkinerja tinggi yang didorong oleh beban kerja AI.
Tentu saja, untuk mewujudkannya, kita memerlukan manufaktur yang skalabel dan biaya rendah, yang telah dicapai oleh studi terbaru dengan menggunakan LiTaO3, yang dalam beberapa kasus lebih unggul daripada LiNbO3. Kompatibilitas dengan jalur produksi yang ada membuat metode baru ini sangat menarik. Metode ini menjanjikan PIC elektro-optik generasi berikutnya dengan biaya rendah dan penerapan luas di berbagai industri.
Klik di sini untuk mempelajari bagaimana riset fononik baru dapat merevolusi perangkat komunikasi.
