Fra kommunikasjon til datasentre og mer – Fotonic Integrated Circuit‑gjennombrudd som vil endre industrien

En ny studie har avdekket utviklingen av skalerbare fotoniske integrerte kretser ved bruk av den uorganiske forbindelsen litiumtantalat (LiTaO3), et diamagnetisk fast stoff som er uoppløselig i vann. Forskere ved EPFL har gjort betydelige fremskritt innen optisk teknologi med potensial for omfattende kommersielle anvendelser.

En fotonisk integrert krets (PIC) er en mikrochip som inneholder fotoniske komponenter som bruker lys eller fotoner i stedet for elektriske komponenter som transistorer, induktorer og motstander, som muliggjør elektronstrøm. Fotonske chips bruker optiske komponenter som lasere, bølgeledere og polariserere for å manipulere fotoner.

En fotonisk chip utnytter fotoner i stedet for elektroner for å behandle og distribuere informasjon. Bruken av lys i stedet for elektrisitet gjør at slik teknologi kan overvinne begrensningene til elektronikk, som varmeutvikling.

Dette gjør at PIC-er kan tilby fordelene med lave termiske effekter, stor integrasjonskapasitet, miniaturisering og høyere hastighet. Samtidig er PIC-er kompatible med eksisterende produksjonsprosesser, noe som gir lavere priser, masseproduksjon og høy avkastning.

Som et resultat har PIC-er funnet anvendelse i et bredt spekter av industrier, fra bilindustrien til astronomi, sensorteknologi, biomedisin og datakommunikasjon. Etter hvert som forskere og vitenskapsfolk fortsetter å arbeide med PIC-er for å forbedre dem, kan de se enda flere anvendelser og markere en ny teknologisk æra.

Til dags dato har PIC-er revolusjonert datasystemer og optisk kommunikasjon. Imidlertid har silisiumbaserte PIC-er ledet markedet så langt på grunn av deres kostnadseffektivitet og evne til å integreres med eksisterende halvlederproduksjonsteknologier.

Til tross for begrensningene i elektro‑optisk moduleringsbåndbredde for silisiumbaserte PIC-er, har silisium‑på‑isolator (SOI) optiske transceiver‑chips blitt kommersialisert i stor skala. Imidlertid har litiumniobat‑på‑isolator (LNOI) wafer‑plattformer, kjent for sin overlegne Pockels‑koeffisient som er essensiell for høyhastighets‑optisk modulering, nylig begynt å få oppmerksomhet.

Elektro‑optiske PIC-er basert på litiumniobat (LiNbO3) viser enorme muligheter på grunn av deres sterke Pockels‑koeffisient, og brukes i høyytelses‑databehandling, fotoniske akseleratorer for AI og datasenter‑kommunikasjon.

Det er imidlertid en grunn til at litiumniobat ennå ikke har oppnådd bredere adopsjon og kommersiell integrering. Årsakene er de komplekse produksjonskravene, begrenset wafer‑størrelse og høy kostnad per wafer, som begrenser industriell bruk.

Teknologien er dyr fordi det ikke finnes eksisterende høyvolums‑applikasjoner som de som akselererte adopsjonen av silisium‑på‑isolator (SOI) fotonikk.

I løpet av de siste to tiårene har silisiumbaserte PIC-er raskt gått fra akademisk forskning til omfattende bruk i datasentre, drevet av kostnadseffektivitet og høy‑volums‑tilgjengelighet av SOI‑wafere. Tilvirket med smart‑cut‑teknikker har disse SOI‑wafere muliggjort produksjon av silisium‑fotonikk og, enda viktigere, er de i stor grad brukt i forbrukerelektronikk.

For å sette det i kontekst produseres over 3 millioner SOI‑wafere med en diameter på 300 mm globalt hvert år.

Imidlertid kan ting endelig endre seg for dem takket være den siste studien, som brukte litiumtantalat (LiTaO3) for elektro‑optiske PIC-er.

LiTaO3, som har en krystallstruktur lik LiNbO3, men med tyngre Ta‑atomer som erstatter Nb, gir høyere massetetthet og sterkere kjemiske bindinger, noe som forbedrer styrke og kjemisk stabilitet. Dens større optiske båndgap gjør også ikke‑lineær optisk konvertering til synlig og til og med ultrafiolett bølgelengdeområde mulig, og viser en betydelig redusert optisk anisotropi, som undertrykker modusblanding.

Dessuten forventes modulerings‑effektiviteten til begge materialene å være nesten identisk, men LiTaO3s høyere optiske skade­terskel gjør den svært viktig for høy‑effekt‑applikasjoner.

Allerede i bred bruk i kommersielle 5G‑radiofrekvensfiltre, forventes LiTaO3 å nå en produksjonskapasitet på 750 000 litiumtantalat‑på‑isolator (LTOI) wafere per år, noe som potensielt muliggjør lavkost‑skalerbar produksjon av LiTaO3‑baserte PIC-er.

LiTaO3‑PIC-er for skalerbar produksjon

Den siste studien, publisert i Nature og finansiert av Swiss National Science Foundation (SNSF) og European Research Council (ERC), gjør fremskritt i å oppnå skalerbarhet i produksjonen av stor‑volum og lav‑kost elektro‑optiske PIC-er som er avanserte og vil betjene fremtidens verden på en bedre måte.

Dette ble muliggjort med hjelp av litiumtantalat, et materiale som er nært beslektet med litiumniobat (LN) – en multifunksjonell ferroelektrisk krystall bestående av oksygen, litium og niobium, som er grunnlaget for moderne fotonikk og et nøkkelmateriale for optiske modulatorer, mobiltelefoner, optiske bølgeledere og piezoelektriske sensorer.

Som litiumniobat (LiNbO3) har litiumtantalat (LiTaO3) fantastiske elektro‑optiske egenskaper, men det har også ekstra fordeler: kostnad og skalerbarhet. LiTaO3 viser også en mye lavere birefringens, noe som muliggjør høy‑tetthets‑kretser og bredbånds‑drift over alle telekommunikasjonsbånd sammenlignet med LiNbO3.

Siden telekomindustrien allerede bruker dette materialet i stor grad i 5G‑radiofrekvensfiltre, kan LiTaO3 bidra til å overvinne barrierene til litiumniobat.

Dermed har forskerne ved EPFL, ledet av professor Tobias J. Kippenberg og Xin Ou, som er professor ved Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, utviklet en PIC‑plattform basert på litiumtantalat.

Denne nye PIC-en utnytter LiTaO3s iboende egenskaper for å gjøre høykvalitets‑PIC-er mer økonomisk levedyktige, og transformerer feltet for elektro‑optiske PIC-er. Studien demonstrerte at litiumtantalat kan etsjes for å lage lav‑tap‑PIC-er ved bruk av en produksjonsprosess basert på en dyp‑ultraviolet (DUV) stepper samt en litiumtantalat Mach–Zehnder‑modulator (MZM). Plattformen støtter også generering av soliton‑mikrokomber, som er en lovende ny tilnærming for fotonisk‑basert mikrobølgesignalgenerering.

For å oppnå denne store prestasjonen utviklet teamet en wafer‑bindingsmetode for litiumtantalat, som fungerer med SOI‑produksjonslinjer.

Forskerne fabrikerte LiNbO3 til litiumniobat‑på‑isolator (LNOI) strukturer for å tilby en helt ny klasse av elektro‑optiske PIC-er med ekstremt høy hastighet og lav spenning. Ifølge studien kan disse PIC-ene bli en integrert del av fremtidige energieffektive kommunikasjons‑systemer.

Fremstillingen ble utført ved bruk av smart‑cut‑teknikken. Denne fremstillingen av LTOI er mer i tråd med høy‑volums kommersiell produksjon av SOI‑wafere, og gir høyere effektivitet og lavere produksjonskostnader.

Deretter maskerte teamet waferen med karbon og begynte å etse modulatorer, optiske bølgeledere og faktor‑mikroresonatorer av suveren kvalitet. De kombinerte to teknikker for å etse waferen: DUV‑fotolitografi, som innebærer å lage mønstre ved hjelp av kontrollert lys, og tørr‑etsing, som fjerner materiale ved eksponering for ioner. Opprinnelig utviklet for litiumniobat, ble denne etsingsprosessen senere tilpasset for å etse det hardere og mer inerte litiumtantalat.

Etsingen ble tilpasset for å minimere optiske tap, noe som er kritisk for å oppnå høy ytelse i fotoniske kretser.

Som et resultat lyktes forskerne i å fremstille litiumtantalat‑PIC-er, som er svært effektive og har en optisk tap‑rate på kun 5,6 dB/m ved telekom‑bølgelengde.

Som nevnt ovenfor var elektro‑optisk MZM – som for tiden brukes i høyhastighets‑optisk fiberkommunikasjon – et annet høydepunkt i denne studien. Litiumtantalat‑MZM‑ens elektro‑optiske båndbredde nådde 40 GHz samtidig som den leverte et halv‑bølgelengde‑spennings‑produkt på 1,9 V·cm. Ifølge studien:

“Vår prosess er fullstendig wafer‑skala og basert på dyp‑ultraviolet fotolitografi, og legger grunnlaget for skalerbar produksjon av høy‑ytelses elektro‑optiske PIC-er som kan utnytte skalaen til LTOI‑wafer‑fremstilling for 5G‑filtre.”

På denne måten oppnår studiens LTOI‑PIC-er lignende tap og elektro‑optisk ytelse som den veletablerte LNOI‑teknologien, som har stort potensial for bruk i datasenter‑interkonnekt, langdistanse‑optisk kommunikasjon og kvante‑fotonikk. Ifølge Chengli Wang, forfatteren av studien:

“Studien klarte også å generere soliton‑mikrokomber samtidig som den opprettholdt svært effektiv elektro‑optisk ytelse. Disse soliton‑mikrokomber har et stort antall koherente frekvenser, og når de kombineres med elektro‑optisk moduleringskapasitet, er de spesielt egnet for applikasjoner som parallell koherent LiDAR og fotonisk databehandling.”

Omfattende virkelige anvendelser av litiumtantalat‑PIC-er

Utviklingen av fotoniske integrerte kretser (PIC-er) ved bruk av litiumtantalat (LiTaO3) er en stor prestasjon, gitt de mange virkelige anvendelsene på tvers av ulike felt. Noen nøkkelområder som kan dra nytte av dette gjennombruddet inkluderer datasentre, som kan bruke disse PIC‑ene til å håndtere enorme mengder datatrafikk og redusere latenstid.

Innen telekommunikasjon brukes litiumtantalater allerede. Ved å integrere dem i PIC-er kan vi strømlinjeforme overgangen til banebrytende trådløse kommunikasjonssystemer. Samtidig kan MZM-er forbedre dataoverføringshastighetene i optiske fibernettverk.

Databehandling er et annet område hvor den ultra‑høye hastigheten som tilbys av disse PIC‑ene kan hjelpe prosesseringskapasiteten, mens kvantedatabehandling kan dra nytte av litiumtantalat‑PIC‑enes høye effektivitet og lave birefringens. Forbrukerelektronikk er enda et felt som kan bruke litiumtantalat‑PIC‑er for bedre enhetsytelse.

Deretter er det LiDAR (Light Detection and Ranging), som kan gjøres mer nøyaktig for bruk i autonome kjøretøy, landbruk, vær, navigasjon, biologisk mangfold, kartlegging og mye mer.

Andre industrier som kan ha nytte av dette inkluderer sensorer, som brukes i medisinsk, industriell og miljøovervåking, samt helsevesen, hvor avanserte PIC-er kan bidra til tidlig diagnostisering og behandlingsplanlegging.

Som vi har sett, gjør utnyttelsen av litiumtantalats unike egenskaper at PIC-er kan tilby forbedret ytelse, skalerbarhet og kostnadseffektivitet. Disse fordelene gjør PIC-er basert på litiumtantalat svært egnet for et bredt spekter av applikasjoner som krever høyhastighets‑ og høy‑effektivitet‑optiske løsninger.

Klikk her for å lære hvorfor lasere vil spille en sentral rolle i de kommende tiårene.

Selskaper som kan dra nytte av dette fremskrittet 

Det siste fremskrittet innen PIC-er har dype bruksområder, som vi diskuterte ovenfor, la oss nå se på noen selskaper som kan dra nytte av denne nye teknologien:

#1. Lumentum Holdings Inc. (LITE)

Lumentum er en leverandør av optiske og fotoniske produkter, og dekker laser‑ og kommunikasjonsmarkedet via segmentene Lasers og OpComms. Selskapet har en markedsverdi på 3,12 milliarder dollar, mens aksjene (LITE: NASDAQ) handles til 46,28 $, ned 11,71 % år‑til‑dato. EPS (TTM) er -5,26, og P/E (TTM) er -8,81.

For sine nylige kvartalsresultater rapporterte Lumentum en nettoinntekt på 366,5 millioner dollar, litt høyere enn estimert. Det var imidlertid en nedgang fra forrige kvartal, delvis på grunn av lagerproblemer hos telekomkunder.

Non‑GAAP nettoinntekt var 19,6 millioner dollar, mens GAAP netto tap var 127 millioner dollar. GAAP bruttofortjeneste falt til 16,2 %, og non‑GAAP bruttofortjeneste ble redusert til 32,6 %. Selskapets totale kontanter, kontantekvivalenter og kortsiktige investeringer falt også til 870,9 millioner dollar, hovedsakelig på grunn av en tilbakebetaling på 323 millioner dollar i konvertible obligasjoner.

CEO Alan Lowe er imidlertid optimistisk med hensyn til telekomsektorens gjenoppretting og har uttrykt tillit til selskapets evne til å utnytte den økende etterspørselen etter AI‑drevede sky‑datasentre.

#2. Infinera Corporation (INFN)

Infinera Corporation leverer avanserte optiske halvledere og optiske nettverksløsninger til bedrifter, myndigheter, operatører og sky‑operatører. Selskapet har en markedsverdi på 1,27 milliarder dollar, og aksjene handles til 5,46 $, opp 14,95 % år‑til‑dato. EPS (TTM) er -0,34, og P/E (TTM) er -16,04.

For 2. kvartal 2024 rapporterte selskapet 306,9 millioner dollar i GAAP‑inntekter, ned fra 453,5 millioner dollar i forrige kvartal. GAAP bruttofortjeneste var 36,0 %, igjen en nedgang fra 38,6 % i 4. kvartal 2023 og 37,5 % i 1. kvartal 2023. For kvartalet var GAAP driftsmargin 14 %, og GAAP netto tap var 61,4 millioner dollar.

Non‑GAAP bruttofortjeneste var 36,6 %, non‑GAAP driftsmargin var 8,4 %, og non‑GAAP netto tap var 38,3 millioner dollar. Selskapet genererte 24 millioner dollar i driftskontantstrøm og fri kontantstrøm på 16 millioner dollar, og avsluttet kvartalet med kontanter, kontantekvivalenter og restriktive kontanter på 192,2 millioner dollar.

CEO David Heard kalte 1. kvartal 2024 et viktig kvartal, preget av betydelig kunde‑, RFP‑ og design‑gevinst‑momentum.

Avsluttende tanker

Mens PIC-er basert på silisium‑fotonikk har ledet verden med omfattende bruk i telekommunikasjon og datasentre i mange tiår, vil ting bli enda mer interessante med neste generasjon av PIC-er som gjør sin inntreden.

Ultrahøyhastighets‑PIC-er basert på elektro‑optiske materialer vil spille en større rolle i energieffektive datasentre, 5G‑ og 6G‑radiofrekvensfiltre, optisk kommunikasjon, og, viktigst av alt, i AI‑arbeidsbelastningsdrevet høyytelses‑databehandling.

Selvfølgelig, for at dette skal skje, trenger vi skalerbar, lavkost‑produksjon, noe den siste studien har oppnådd ved bruk av LiTaO3, som i noen tilfeller er overlegent LiNbO3. Å være kompatibel med eksisterende produksjonslinjer gjør denne nye metoden svært attraktiv. Den lover lavkost‑neste‑generasjons elektro‑optiske PIC-er med bred anvendelse på tvers av industrier.

Klikk her for å lære hvordan ny fononikkforskning kan revolusjonere kommunikasjonsenheter.