Dalle Comunicazioni ai Data Center e Oltre – La Scoperta dei Circuiti Fotonicamente Integrati Pronta a Rivoluzionare l’Industria

Un nuovo studio ha rivelato lo sviluppo di circuiti fotonicamente integrati scalabili utilizzando il composto inorganico tantalato di litio (LiTaO3), un solido diamagnetico insolubile in acqua. I ricercatori dell’EPFL hanno compiuto notevoli progressi nelle tecnologie ottiche con potenziale per ampie applicazioni commerciali.

Un circuito fotonicamente integrato (PIC) è un microchip che contiene componenti fotonici che utilizzano luce o fotoni anziché componenti elettrici come transistor, induttori e resistori, che facilitano il flusso di elettroni. I chip fotonici impiegano componenti ottici come laser, guide d’onda e polarizzatori per manipolare i fotoni.

Un chip fotonico sfrutta i fotoni invece degli elettroni per elaborare e distribuire informazioni. L’uso della luce al posto dell’elettricità consente a questa tecnologia di superare le limitazioni dell’elettronica, come la generazione di calore.

Ciò consente ai PIC di offrire i vantaggi di bassi effetti termici, grande capacità di integrazione, miniaturizzazione e velocità più elevate. Allo stesso tempo, i PIC sono compatibili con i flussi di lavorazione esistenti, permettendo prezzi più bassi, produzione in volume e alto rendimento.

Di conseguenza, i PIC hanno trovato applicazione in un’ampia gamma di settori, dall’automotive all’astronomia, al sensing, al biomedicale e alle comunicazioni dati. Man mano che scienziati e ricercatori continuano a lavorare sui PIC per migliorarli, vedono sempre più applicazioni e segnano una nuova era tecnologica.

Finora, i PIC hanno rivoluzionato i sistemi informatici e le comunicazioni ottiche. Tuttavia, i PIC basati su silicio hanno dominato il mercato finora grazie al loro rapporto qualità-prezzo e alla capacità di integrarsi con le tecnologie di fabbricazione dei semiconduttori esistenti.

Nonostante le limitazioni di larghezza di banda della modulazione elettro-ottica dei PIC basati su silicio, i chip transceiver ottici silicon-on-insulator sono stati ampiamente commercializzati. Tuttavia, recentemente, le piattaforme di wafer lithium niobate-on-insulator (LNOI), note per il loro superiore coefficiente di Pockels essenziale per la modulazione ottica ad alta velocità, hanno iniziato a guadagnare attenzione.

I PIC elettro-ottici basati su niobato di litio (LiNbO3) mostrano ampie capacità grazie al loro forte coefficiente di Pockels, trovando impiego nel calcolo ad alte prestazioni, negli acceleratori fotonici per l’IA e nelle comunicazioni dei data center.

Tuttavia, c’è una ragione per cui il niobato di litio non ha ancora visto una più ampia adozione e integrazione commerciale. Le ragioni sono i suoi complessi requisiti di produzione, le dimensioni limitate del wafer e l’alto costo per wafer, che ne limitano l’uso industriale.

La tecnologia è costosa perché non esistono applicazioni ad alto volume esistenti come quelle che hanno accelerato l’adozione della fotonica silicon-on-insulator (SOI).

Negli ultimi due decenni, i PIC basati su silicio sono passati rapidamente dalla ricerca accademica all’uso diffuso nei data center, spinti dal rapporto qualità-prezzo e dalla disponibilità ad alto volume dei wafer SOI. Preparati con tecniche smart-cut, questi wafer SOI hanno consentito la produzione di fotonica su silicio e, soprattutto, sono ampiamente utilizzati nella microelettronica di consumo.

Per contestualizzare, oltre 3 milioni di wafer SOI con diametro di 300 mm vengono prodotti a livello globale ogni anno.

Tuttavia, grazie al più recente studio, che ha utilizzato il tantalato di litio (LiTaO3) per i PIC elettro-ottici, le cose potrebbero finalmente cambiare per loro.

Il LiTaO3, simile nella struttura cristallina al LiNbO3 ma con atomi di Ta più pesanti che sostituiscono il Nb, offre una maggiore densità di massa e legami chimici più forti, migliorando la resistenza e la stabilità chimica. Il suo più ampio bandgap ottico consente anche la conversione ottica non lineare verso il visibile e persino l’intervallo di lunghezze d’onda ultraviolette e mostra una notevolmente ridotta anisotropia ottica, sopprimendo il mescolamento delle modalità.

Inoltre, ci si aspetta che l’efficienza di modulazione di entrambi i materiali sia quasi identica, ma la soglia di danno ottico più elevata del LiTaO3 lo rende molto importante per applicazioni ad alta potenza.

Già ampiamente utilizzato nei filtri radiofrequenza 5G commerciali, si prevede che il LiTaO3 raggiunga una capacità produttiva di 750.000 wafer lithium tantalate-on-insulator (LTOI) all’anno, potenzialmente consentendo la produzione scalabile a basso costo di PIC basati su LiTaO3.

PIC al LiTaO3 per la Produzione Scalabile

L’ultimo studio, pubblicato su Nature e finanziato dalla Swiss National Science Foundation (SNSF) e dal European Research Council (ERC), sta facendo progressi nel raggiungere la scalabilità nella produzione di PIC elettro-ottici ad alto volume e a basso costo, avanzati e destinati a servire il futuro in modo migliore.

Ciò è stato reso possibile grazie al tantalato di litio, un materiale strettamente correlato al niobato di litio (LN) — un cristallo ferroelettrico multifunzionale composto da ossigeno, litio e niobio, che è la base della fotonica moderna e un materiale chiave per modulatori ottici, telefoni cellulari, guide d’onda ottiche e sensori piezoelettrici.

Come il niobato di litio (LiNbO3), il tantalato di litio (LiTaO3) possiede fantastiche proprietà elettro-ottiche, ma ha anche vantaggi aggiuntivi: costo e scalabilità. Il LiTaO3 presenta inoltre una birifrangenza molto più bassa, consentendo circuiti ad alta densità e operazione a banda larga su tutte le bande di telecomunicazione rispetto al LiNbO3.

Dato che l’industria delle telecomunicazioni utilizza già ampiamente questo materiale nei filtri radiofrequenza 5G, il LiTaO3 può aiutare a superare le barriere del niobato di litio.

Così, gli scienziati dell’EPFL, guidati dal Professor Tobias J. Kippenberg e da Xin Ou, professore presso lo Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, hanno creato una piattaforma PIC basata sul tantalato di litio.

Questo nuovo PIC sfrutta le qualità intrinseche del LiTaO3 per rendere i PIC di alta qualità più economicamente sostenibili, trasformando il campo dei PIC elettro-ottici. Lo studio ha dimostrato che il tantalato di litio può essere inciso per creare PIC a bassa perdita utilizzando un processo di fabbricazione basato su uno stepper a ultravioleto profondo (DUV) oltre a un modulatore Mach–Zehnder (MZM) in tantalato di litio. La piattaforma supporta anche la generazione di microcomb solitonici, un promettente nuovo approccio per la sintesi di segnali a microonde basati su fotonica.

Per raggiungere questo grande risultato, il team ha sviluppato un metodo di bonding dei wafer per il tantalato di litio, compatibile con le linee di produzione SOI.

I ricercatori hanno fabbricato LiNbO3 in strutture lithium niobate-on-insulator (LNOI) per fornire una classe completamente nuova di PIC elettro-ottici con velocità estremamente alta e bassa tensione. Secondo lo studio, questi PIC possono diventare una parte integrante dei futuri sistemi di comunicazione a basso consumo energetico.

La fabbricazione è stata eseguita utilizzando la tecnica smart-cut. Questa fabbricazione di LTOI è più strettamente allineata con la produzione commerciale ad alto volume di wafer SOI, offrendo maggiore efficienza e costi di produzione più bassi.

Successivamente, il team ha mascherato il wafer con carbonio e ha iniziato a incidere modulatori, guide d’onda ottiche e microrisonatori di fattore di qualità suprema. Hanno combinato due tecniche per incidere il wafer: fotolitografia DUV, che prevede la creazione di pattern mediante luce controllata, e incisione a secco, che rimuove il materiale esponendolo a ioni. Inizialmente sviluppato per il niobato di litio, questo processo di incisione è stato poi adattato per incidere il tantalato di litio, più duro e più inerte.

L’incisione è stata adattata per ridurre al minimo le perdite ottiche, critiche per ottenere alte prestazioni nei circuiti fotonici.

Di conseguenza, i ricercatori hanno avuto successo nella fabbricazione di PIC in tantalato di litio, altamente efficienti e con un tasso di perdita ottica di soli 5,6 dB/m alla lunghezza d’onda delle telecomunicazioni.

Come notato sopra, il MZM elettro-ottico — attualmente usato nelle comunicazioni in fibra ottica ad alta velocità — è stato un altro punto saliente di questo studio. La larghezza di banda elettro-ottica del MZM in tantalato di litio ha raggiunto i 40 GHz offrendo un prodotto tensione-lunghezza a mezza onda di 1,9 V·cm. Secondo lo studio:

“Il nostro processo è completamente su scala wafer e basato sulla fotolitografia a ultravioleto profondo e pone le basi per la produzione scalabile di PIC elettro-ottici ad alte prestazioni che possono sfruttare la scala della fabbricazione di wafer LTOI per i filtri 5G.”

In questo modo, i PIC LTOI dello studio raggiungono perdite e prestazioni elettro-ottiche simili alla consolidata tecnologia LNOI, con grande potenziale per l’uso negli interconnettori dei data center, nelle comunicazioni ottiche a lunga distanza e nella fotonica quantistica. Secondo Chengli Wang, autore dello studio:

“Lo studio è stato inoltre in grado di generare microcomb solitonici mantenendo prestazioni elettro-ottiche altamente efficienti. Questi microcomb solitonici presentano un gran numero di frequenze coerenti e, combinati con le capacità di modulazione elettro-ottica, sono particolarmente adatti per applicazioni come LiDAR coerente parallelo e calcolo fotonico.”

Ampie Applicazioni Reali dei PIC al Tantalato di Litio

Lo sviluppo di circuiti fotonicamente integrati (PIC) utilizzando il tantalato di litio (LiTaO3) è una grande conquista, dato il suo numeroso impiego reale in vari settori. Alcune aree chiave che potrebbero beneficiare di questo progresso includono i data center, che possono utilizzare questi PIC per gestire enormi quantità di traffico dati e ridurre la latenza.

Nelle telecomunicazioni, i tantalati di litio sono già in uso. Integrandoli nei PIC, possiamo semplificare la transizione verso sistemi di comunicazione wireless all’avanguardia. Nel frattempo, i MZM possono migliorare i tassi di trasmissione dati nelle reti in fibra ottica.

Il calcolo è un altro ambito in cui l’ultra-alta velocità offerta da questi PIC può migliorare le capacità di elaborazione, mentre il calcolo quantistico può beneficiare dell’alta efficienza e bassa birifrangenza dei PIC al tantalato di litio. L’elettronica di consumo è un altro settore che può utilizzare i PIC al tantalato di litio per prestazioni migliori dei dispositivi.

Poi c’è il LiDAR (Light Detection and Ranging), che può diventare più preciso per l’uso in veicoli autonomi, agricoltura, meteorologia, navigazione, biodiversità, mappatura e molto altro.

Altri settori che possono trarne beneficio includono i sensori, utilizzati nella diagnostica medica, industriale e nel monitoraggio ambientale, e l’assistenza sanitaria, dove i PIC avanzati possono aiutare nella diagnosi precoce e nella pianificazione dei trattamenti.

Come abbiamo visto, sfruttare le proprietà uniche del tantalato di litio consente ai PIC di offrire prestazioni migliorate, scalabilità e convenienza. Questi vantaggi rendono i PIC basati su tantalato di litio altamente adatti a una vasta gamma di applicazioni che richiedono soluzioni ottiche ad alta velocità e alta efficienza.

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Aziende Che Possono Beneficiare di Questo Avanzamento 

L’ultimo avanzamento nei PIC ha casi d’uso profondi, come abbiamo discusso sopra; ora, diamo un’occhiata a un paio di aziende che possono beneficiare di questa nuova tecnologia:

#1. Lumentum Holdings Inc. (LITE)

Lumentum è un fornitore di prodotti ottici e fotonici, coprendo i mercati dei laser e delle comunicazioni tramite i segmenti Lasers e OpComms. L’azienda ha una capitalizzazione di mercato di 3,12 miliardi di dollari, mentre le sue azioni (LITE: NASDAQ) sono quotate a 46,28 $, in calo dell’11,71 % YTD. Il suo EPS (TTM) è -5,26, e il P/E (TTM) è -8,81.

Per i suoi recenti risultati trimestrali, Lumentum ha riportato un fatturato netto di 366,5 milioni di dollari, leggermente superiore alle stime. Tuttavia, c’è stato un calo rispetto al trimestre precedente, in parte a causa di problemi di inventario affrontati dai clienti delle telecomunicazioni.

Il reddito netto non GAAP è stato di 19,6 milioni di dollari, mentre la perdita netta GAAP è stata di 127 milioni di dollari. Il margine lordo GAAP è sceso al 16,2 %, e il margine lordo non GAAP è diminuito al 32,6 %. Il totale di liquidità, equivalenti di liquidità e investimenti a breve termine dell’azienda è sceso a 870,9 milioni di dollari, principalmente a causa di un rimborso di 323 milioni di dollari in obbligazioni convertibili.

Il CEO Alan Lowe, tuttavia, è ottimista riguardo alla ripresa del settore delle telecomunicazioni e ha espresso fiducia nella capacità dell’azienda di capitalizzare la crescente domanda di data center cloud guidati dall’IA.

#2. Infinera Corporation (INFN)

Infinera Corporation fornisce semiconduttori ottici avanzati e soluzioni di rete ottica a imprese, governi, operatori e fornitori di cloud. L’azienda ha una capitalizzazione di mercato di 1,27 miliardi di dollari, e le sue azioni sono quotate a 5,46 $, in aumento del 14,95 % YTD. Il suo EPS (TTM) è -0,34, e il P/E (TTM) è -16,04.

Per il secondo trimestre del 2024, l’azienda ha riportato un fatturato GAAP di 306,9 milioni di dollari, in calo rispetto ai 453,5 milioni del trimestre precedente. Il margine lordo GAAP è stato del 36,0 %, nuovamente in diminuzione rispetto al 38,6 % del 4Q23 e al 37,5 % del 1Q23. Per il trimestre, il margine operativo GAAP è stato del 14 % e la perdita netta GAAP è stata di 61,4 milioni di dollari.

Il margine lordo non GAAP era del 36,6 %, il margine operativo non GAAP dell’8,4 % e la perdita netta non GAAP di 38,3 milioni di dollari. L’azienda ha generato 24 milioni di dollari di flusso di cassa operativo e 16 milioni di dollari di flusso di cassa libero, terminando il trimestre con liquidità, equivalenti di liquidità e cassa vincolata per 192,2 milioni di dollari.

Il CEO David Heard ha definito il 1Q24 un trimestre importante, caratterizzato da un notevole slancio da parte dei clienti, delle richieste di proposta (RFP) e dei successi di design.

Considerazioni Conclusive

Mentre i PIC basati sulla fotonica al silicio hanno guidato il mondo con un uso diffuso nelle telecomunicazioni e nei data center negli ultimi decenni, le cose diventeranno ancora più interessanti con l’arrivo della prossima generazione di PIC.

I PIC ad ultra-alta velocità basati su materiali elettro-ottici giocheranno un ruolo più importante nei data center a basso consumo energetico, nei filtri radiofrequenza 5G e 6G, nelle comunicazioni ottiche e, soprattutto, nel calcolo ad alte prestazioni guidato da carichi di lavoro IA.

Naturalmente, per farlo, è necessaria una produzione scalabile e a basso costo, che il più recente studio ha realizzato utilizzando il LiTaO3, che in alcuni casi è superiore al LiNbO3. Essere compatibile con le linee di produzione esistenti rende questo nuovo metodo estremamente allettante. Promette PIC elettro-ottici di prossima generazione a basso costo con ampia applicabilità in diversi settori.

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