Van Communicatie tot Datacenters en Meer – Doorbraak in Fotoniïsche Geïntegreerde Circuits die de Industrie zal Opschudden

Een nieuwe studie heeft de ontwikkeling van schaalbare fotoniïsche geïntegreerde circuits onthuld die gebruikmaken van de anorganische verbinding lithiumtantalaat (LiTaO3), een diamagnetisch vast materiaal dat onoplosbaar is in water. Onderzoekers van de EPFL hebben aanzienlijke vooruitgang geboekt in optische technologieën met potentieel voor brede commerciële toepassingen.

Een fotoniïsch geïntegreerd circuit (PIC) is een microchip die fotonische componenten bevat die licht of fotonen gebruiken in plaats van elektrische componenten zoals transistors, inductoren en weerstanden, die elektronenstroom mogelijk maken. Fotoniïsche chips gebruiken optische componenten zoals lasers, golfgeleiders en polarisatoren om fotonen te manipuleren.

Een fotonische chip benut fotonen in plaats van elektronen om informatie te verwerken en te distribueren. Het gebruik van licht in plaats van elektriciteit stelt deze technologie in staat de beperkingen van elektronica, zoals warmteontwikkeling, te overwinnen.

Dit stelt PIC’s in staat de voordelen te bieden van lage thermische effecten, grote integratiecapaciteit, miniaturisatie en hogere snelheid. Tegelijkertijd zijn PIC’s compatibel met bestaande verwerkingsstromen, waardoor lagere prijzen, grootschalige productie en een hoog rendement mogelijk zijn.

Als gevolg hiervan vinden PIC’s hun toepassing in een breed scala aan sectoren, van de auto-industrie tot de astronomie, sensortechnologie, biomedisch en datacommunicatie. Naarmate wetenschappers en onderzoekers blijven werken aan PIC’s om ze te verbeteren, zien ze nog meer toepassingen en markeren ze een nieuw technologisch tijdperk.

Tot nu toe hebben PIC’s computersystemen en optische communicatie gerevolutioneerd. Echter, siliconen‑gebaseerde PIC’s hebben de markt tot nu toe gedomineerd vanwege hun kosteneffectiviteit en het vermogen om te integreren met bestaande halfgeleiderproductietechnologieën.

Ondanks de beperkingen in de elektro‑optische modulatiebandbreedte van siliconen‑gebaseerde PIC’s, zijn silicon‑on‑insulator optische transceiver‑chips breed gecommercialiseerd. Recentelijk krijgen lithiumniobaat‑on‑insulator (LNOI) waferplatformen, bekend om hun superieure Pockels‑coëfficiënt die essentieel is voor hoge‑snelheids optische modulatie, steeds meer aandacht.

Elektro‑optische PIC’s op basis van lithiumniobaat (LiNbO3) vertonen enorme mogelijkheden dankzij hun sterke Pockels‑coëfficiënt, en vinden toepassing in high‑performance computing, fotonische versnellers voor AI en datacentercommunicatie.

Er is echter een reden waarom lithiumniobaat nog geen bredere adoptie en commerciële integratie heeft gezien. De oorzaken zijn de complexe productie‑eisen, beperkte wafergrootte en hoge kosten per wafer, die het industriële gebruik beperken.

De technologie is duur omdat er geen bestaande toepassingen met hoge volumes zijn, zoals die de adoptie van silicon‑on‑insulator (SOI) fotonica hebben versneld.

In de afgelopen twee decennia zijn siliconen‑gebaseerde PIC’s snel overgegaan van academisch onderzoek naar brede toepassing in datacenters, gedreven door kosteneffectiviteit en de beschikbaarheid van SOI‑wafers in hoge volumes. Deze SOI‑wafers, bereid met smart‑cut technieken, hebben de productie van siliconen‑fotonica mogelijk gemaakt en, nog belangrijker, worden breed toegepast in consumentenelektronica.

Ter context: wereldwijd worden jaarlijks meer dan 3 miljoen SOI‑wafers met een diameter van 300 mm geproduceerd.

Dankzij de nieuwste studie, die lithiumtantalaat (LiTaO3) gebruikte voor elektro‑optische PIC’s, kunnen de zaken eindelijk voor hen veranderen.

LiTaO3, vergelijkbaar in kristalstructuur met LiNbO3 maar met zwaardere Ta‑atomen die Nb vervangen, biedt een hogere massadichtheid en sterkere chemische bindingen, wat de sterkte en chemische stabiliteit verbetert. Zijn grotere optische bandgap maakt ook niet‑lineaire optische conversie naar het zichtbare en zelfs ultraviolet golflengtebereik mogelijk en vertoont een sterk verminderde optische anisotropie, waardoor modemuixing wordt onderdrukt.

Bovendien wordt verwacht dat de modulatie‑efficiëntie van beide materialen bijna identiek is, maar de hogere optische schade‑drempel van LiTaO3 maakt het zeer belangrijk voor toepassingen met hoog vermogen.

Alomtegenwoordig in commerciële 5G radiofrequentiefilters, wordt verwacht dat LiTaO3 een productiecapaciteit van 750.000 lithiumtantalaat‑on‑insulator (LTOI) wafers per jaar zal bereiken, wat mogelijk de goedkope schaalbare productie van op LiTaO3 gebaseerde PIC’s mogelijk maakt.

LiTaO3 PIC’s voor schaalbare productie

De nieuwste studie, published in Nature en gefinancierd door de Zwitserse Nationale Wetenschapsstichting (SNSF) en de Europese Onderzoeksraad (ERC), boekt vooruitgang in het bereiken van schaalbaarheid bij de productie van grootschalige en goedkope elektro‑optische PIC’s die geavanceerd zijn en beter zullen inspelen op de toekomstige wereld.

Dit werd mogelijk gemaakt met behulp van lithiumtantalaat, een materiaal dat nauw verwant is aan lithiumniobaat (LN) — een multifunctioneel ferroelectrisch kristal bestaande uit zuurstof, lithium en niobium, dat de basis vormt van moderne fotonica en een sleutelmateriaal is voor optische modulatoren, mobiele telefoons, optische golfgeleiders en piëzo‑elektrische sensoren.

Net als lithiumniobaat (LiNbO3) heeft lithiumtantalaat (LiTaO3) fantastische elektro‑optische eigenschappen, maar het biedt ook extra voordelen: kosten en schaalbaarheid. LiTaO3 vertoont bovendien een veel lagere birefringentie, waardoor hoge‑dichtheidscircuits en breedbandwerking over alle telecommunicatiebanden mogelijk zijn in vergelijking met LiNbO3.

Aangezien de telecomindustrie dit materiaal al uitgebreid gebruikt in 5G radiofrequentiefilters, kan LiTaO3 helpen de barrières van lithiumniobaat te overwinnen.

Dus hebben de wetenschappers van de EPFL, onder leiding van professor Tobias J. Kippenberg en Xin Ou, professor aan het Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, een PIC‑platform gecreëerd op basis van lithiumtantalaat.

Dit nieuwe PIC maakt gebruik van de inherente kwaliteiten van LiTaO3 om hoogwaardige PIC’s economisch haalbaarder te maken, waardoor het veld van elektro‑optische PIC’s wordt getransformeerd. De studie toonde aan dat lithiumtantalaat geëtst kan worden om laagverlies‑PIC’s te creëren met behulp van een productieproces gebaseerd op een deep‑ultraviolet (DUV) stepper en een lithiumtantalaat Mach–Zehnder modulator (MZM). Het platform ondersteunt ook de generatie van soliton‑microcombs, een veelbelovende nieuwe benadering voor fotonisch gebaseerde microgolf‑signaalsynthese.

Om dit grote succes te bereiken, ontwikkelde het team een wafer‑bondingsmethode voor lithiumtantalaat, die werkt met SOI‑productielijnen.

De onderzoekers vervaardigden LiNbO3 tot lithiumniobaat‑on‑insulator (LNOI) structuren om een volledig nieuwe klasse elektro‑optische PIC’s te bieden met extreem hoge snelheid en lage spanning. Volgens de studie kunnen deze PIC’s een integraal onderdeel worden van toekomstige energie‑efficiënte communicatiesystemen.

De fabricage werd uitgevoerd met de smart‑cut techniek. Deze fabricage van LTOI is beter afgestemd op de grootschalige commerciële productie van SOI‑wafers, wat hogere efficiëntie en lagere productiekosten biedt.

Vervolgens maskerde het team de wafer met koolstof en begon met het etsen van modulatoren, optische golfgeleiders en factor‑microresonatoren van superieure kwaliteit. Ze combineerden twee technieken om de wafer te etsen: DUV‑fotolithografie, waarbij patronen worden gecreëerd met gecontroleerd licht, en droog etsen, waarbij materiaal wordt verwijderd door blootstelling aan ionen. Oorspronkelijk ontwikkeld voor lithiumniobaat, werd dit etsproces later aangepast om het hardere en meer inert lithiumtantalaat te etsen.

Het etsproces werd aangepast om optische verliezen te minimaliseren, wat cruciaal is voor het behalen van hoge prestaties in fotonische circuits.

Als resultaat slaagden de onderzoekers erin lithiumtantalaat‑PIC’s te fabriceren, die zeer efficiënt zijn en een optisch verlies van slechts 5,6 dB/m bij telecommunicatiewavelength hebben.

Zoals hierboven vermeld, was de elektro‑optische MZM — momenteel gebruikt in high‑speed optische vezelcommunicatie — een ander hoogtepunt van deze studie. De elektro‑optische bandbreedte van de lithiumtantalaat MZM bereikte 40 GHz terwijl het een half‑golf spanning‑lengte product van 1,9 V·cm bood. Volgens de studie:

“Ons proces is volledig wafer‑schaal en gebaseerd op deep‑ultraviolet fotolithografie en legt de basis voor de schaalbare productie van high‑performance elektro‑optische PIC’s die de schaal van LTOI‑waferfabricage voor 5G‑filters kunnen benutten.”

Op deze manier bereiken de LTOI‑PIC’s uit de studie een vergelijkbaar verlies en elektro‑optische prestaties als de goed gevestigde LNOI‑technologie, die een groot potentieel heeft voor gebruik in datacenter‑interconnects, langeafstand‑optische communicatie en kwantumfotonica. Volgens Chengli Wang, de auteur van de studie:

“De studie kon bovendien een soliton‑microcomb genereren terwijl een zeer efficiënte elektro‑optische prestatie behouden bleef. Deze soliton‑microcombs bevatten een groot aantal coherente frequenties en, in combinatie met elektro‑optische modulatie‑mogelijkheden, zijn ze bijzonder geschikt voor toepassingen zoals parallelle coherente LiDAR en fotonische computing.”

Uitgebreide praktische toepassingen van lithiumtantalaat‑PIC’s

De ontwikkeling van fotonische geïntegreerde circuits (PIC’s) met lithiumtantalaat (LiTaO3) is een grote prestatie, gezien de talrijke praktische toepassingen in verschillende vakgebieden. Enkele belangrijke sectoren die van deze vooruitgang kunnen profiteren, omvatten datacenters, die deze PIC’s kunnen gebruiken om enorme hoeveelheden dataverkeer te beheren en de latentie te verminderen.

In de telecommunicatie worden lithiumtantalaten al gebruikt. Door ze in PIC’s te integreren, kunnen we de overgang naar geavanceerde draadloze communicatiesystemen stroomlijnen. Ondertussen kunnen MZM’s de gegevensoverdrachtsnelheden in optische vezelnetwerken verbeteren.

Computing is een ander gebied waar de ultrahoge snelheid die deze PIC’s bieden de verwerkingscapaciteit kan verbeteren, terwijl quantumcomputing kan profiteren van de hoge efficiëntie en lage birefringentie van lithiumtantalaat‑PIC’s. Consumentenelektronica is nog een sector die lithiumtantalaat‑PIC’s kan gebruiken voor betere apparaatprestaties.

Dan is er LiDAR (Light Detection and Ranging), dat nauwkeuriger kan worden gemaakt voor gebruik in autonome voertuigen, landbouw, weer, navigatie, biodiversiteit, cartografie en nog veel meer.

Andere sectoren die kunnen profiteren, omvatten sensoren, die worden gebruikt in medische, industriële en milieumonitoring, en de gezondheidszorg, waar geavanceerde PIC’s kunnen helpen bij vroege diagnose en behandelplanning.

Zoals we hebben gezien, maakt het benutten van de unieke eigenschappen van lithiumtantalaat het mogelijk dat PIC’s verbeterde prestaties, schaalbaarheid en kosteneffectiviteit bieden. Deze voordelen maken PIC’s op basis van lithiumtantalaat zeer geschikt voor een breed scala aan toepassingen die hoge‑snelheids, hoge‑efficiëntie optische oplossingen vereisen.

Klik hier om te leren waarom lasers een cruciale rol zullen spelen in de komende decennia.

Bedrijven die van deze vooruitgang kunnen profiteren

De nieuwste vooruitgang in PIC’s heeft diepgaande toepassingsgevallen, zoals we hierboven hebben besproken; laten we nu een paar bedrijven bekijken die van deze nieuwe technologie kunnen profiteren:

#1. Lumentum Holdings Inc. (LITE)

Lumentum is een leverancier van optische en fotonische producten, die de lasers- en communicatiemarkt bedient via de segmenten Lasers en OpComms. Het bedrijf heeft een marktkapitalisatie van $3,12 miljard, terwijl de aandelen (LITE: NASDAQ) handelen tegen $46,28, een daling van 11,71% YTD. De EPS (TTM) bedraagt -5,26 en de P/E (TTM) is -8,81.

Voor de recente kwartaalresultaten, results meldde Lumentum een netto-omzet van $366,5 miljoen, iets hoger dan geschat. Er was echter een daling ten opzichte van het vorige kwartaal, gedeeltelijk door voorraadproblemen bij telecomklanten.

De non‑GAAP nettowinst bedroeg $19,6 miljoen, terwijl de GAAP nettoverspilling $127 miljoen was. De GAAP brutomarge daalde tot 16,2%, en de non‑GAAP brutomarge daalde tot 32,6%. Het totale cash, cash equivalents en kortetermijninvesteringen van het bedrijf daalde ook tot $870,9 miljoen, voornamelijk vanwege een terugbetaling van $323 miljoen in converteerbare obligaties.

CEO Alan Lowe is echter optimistisch over het herstel van de telecomsector en heeft vertrouwen uitgesproken in het vermogen van het bedrijf om te profiteren van de groeiende vraag naar AI‑gedreven cloud‑datacenters.

#2. Infinera Corporation (INFN)

Infinera Corporation levert geavanceerde optische halfgeleiders en optische netwerkoplossingen aan ondernemingen, overheden, carriers en cloud‑operators. Het bedrijf heeft een marktkapitalisatie van $1,27 miljard, en de aandelen handelen tegen $5,46, een stijging van 14,95% YTD. De EPS (TTM) bedraagt -0,34 en de P/E (TTM) is -16,04.

Voor Q2 van 2024 rapporteerde het bedrijf $306,9 miljoen aan GAAP‑omzet, een daling ten opzichte van $453,5 miljoen in het vorige kwartaal. De GAAP brutomarge bedroeg ondertussen 36,0%, opnieuw een daling ten opzichte van 38,6% in 4Q23 en 37,5% in 1Q23. Voor het kwartaal was de GAAP operationele marge 14% en de GAAP nettoverspilling $61,4 miljoen.

De non‑GAAP brutomarge was 36,6%, de non‑GAAP operationele marge was 8,4% en de non‑GAAP nettoverspilling was $38,3 miljoen. Het bedrijf genereerde $24 miljoen operationele cashflow en een vrije cashflow van $16 miljoen, waardoor het kwartaal eindigde met cash, cash equivalents en restricted cash van $192,2 miljoen.

CEO David Heard noemde 1Q24 een belangrijk kwartaal, gekenmerkt door significante klant-, RFP- en design‑win‑momentum.

Conclusieve gedachten

Hoewel PIC’s gebaseerd op siliconen‑fotonica de wereld al tientallen jaren leiden met wijdverspreid gebruik in telecommunicatie en datacenters, zullen de zaken nog interessanter worden met de komst van de volgende generatie PIC’s.

Ultrahoge‑snelheids PIC’s gebaseerd op elektro‑optische materialen zullen een grotere rol spelen in energie‑efficiënte datacenters, 5G‑ en 6G‑radiofrequentiefilters, optische communicatie, en, vooral, in AI‑werkbelastingsgedreven high‑performance computing.

Natuurlijk hebben we voor die ontwikkeling schaalbare, goedkope productie nodig, wat de nieuwste studie heeft bereikt door gebruik te maken van LiTaO3, dat in sommige gevallen superieur is aan LiNbO3. Compatibiliteit met bestaande productielijnen maakt deze nieuwe methode bijzonder aantrekkelijk. Het belooft goedkope next‑generation elektro‑optische PIC’s met brede toepasbaarheid in diverse sectoren.

Klik hier om te leren hoe nieuw fononisch onderzoek communicatieapparaten kan revolutioneren.