Computação
De Comunicações a Data Centers e Mais – Avanço em Circuitos Fotônicos Integrados Promete Revolucionar a Indústria
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Um novo estudo revelou o desenvolvimento de circuitos fotônicos integrados escaláveis usando o composto inorgânico tântalo de lítio (LiTaO3), um sólido diamagnético que é insolúvel em água. Pesquisadores da EPFL fizeram avanços significativos em tecnologias ópticas com potencial para aplicações comerciais em larga escala.
Um circuito fotônico integrado (PIC) é um microchip que contém componentes fotônicos que utilizam luz ou fótons em vez de componentes elétricos como transistores, indutores e resistores, que facilitam o fluxo de elétrons. Os chips fotônicos empregam componentes ópticos como lasers, guias de ondas e polarizadores para manipular fótons.
Um chip fotônico aproveita fótons em vez de elétrons para processar e distribuir informações. O uso de luz em vez de eletricidade permite que essa tecnologia supere as limitações da eletrônica, como a geração de calor.
Isso permite que os PICs ofereçam vantagens como baixos efeitos térmicos, grande capacidade de integração, miniaturização e maior velocidade. Ao mesmo tempo, os PICs são compatíveis com fluxos de processamento existentes, permitindo preços mais baixos, fabricação em volume e alto rendimento.
Como resultado, os PICs encontraram aplicação em uma ampla gama de indústrias, desde automotiva até astronomia, sensoriamento, biomédica e comunicações de dados. À medida que cientistas e pesquisadores continuam a trabalhar nos PICs para aprimorá-los, eles podem vislumbrar ainda mais aplicações e marcar uma nova era tecnológica.
Até o momento, os PICs revolucionaram sistemas de computação e comunicações ópticas. No entanto, os PICs baseados em silício têm liderado o mercado até agora devido à sua relação custo‑benefício e capacidade de integração com as tecnologias de fabricação de semicondutores existentes.
Apesar das limitações de largura de banda de modulação eletro‑óptica dos PICs baseados em silício, os chips transceptores ópticos de silício sobre isolante (SOI) foram amplamente comercializados. Contudo, recentemente, as plataformas de wafers de lítio nióbico sobre isolante (LNOI), conhecidas por seu coeficiente de Pockels superior, essencial para modulação óptica de alta velocidade, começaram a ganhar atenção.
Os PICs eletro‑ópticos baseados em lítio nióbico (LiNbO3) exibem vastas capacidades devido ao seu forte coeficiente de Pockels, encontrando uso em computação de alto desempenho, aceleradores fotônicos para IA e comunicações em data centers.
No entanto, há uma razão pela qual o lítio nióbico ainda não teve adoção mais ampla e integração comercial. As razões são seus requisitos de produção complexos, tamanho de wafer limitado e alto custo por wafer, que restringem seu uso industrial.
A tecnologia é cara porque não existem aplicações de alto volume existentes, como aquelas que aceleraram a adoção da fotônica de silício sobre isolante (SOI).
Nas duas últimas décadas, os PICs baseados em silício transitaram rapidamente da pesquisa acadêmica para uso generalizado em data centers, impulsionados pela relação custo‑benefício e disponibilidade em alto volume de wafers SOI. Preparados usando técnicas de smart‑cut, esses wafers SOI possibilitaram a fabricação de fotônica de silício e, mais importante, são amplamente usados em microeletrônica de consumo.
Para contextualizar, mais de 3 milhões de wafers SOI com diâmetro de 300 mm são produzidos globalmente a cada ano.
No entanto, graças ao estudo mais recente, que utilizou tântalo de lítio (LiTaO3) para PICs eletro‑ópticos, as coisas podem finalmente mudar para eles.
LiTaO3, semelhante em estrutura cristalina ao LiNbO3, mas com átomos de Ta mais pesados substituindo Nb, oferece maior densidade de massa e ligações químicas mais fortes, aprimorando a resistência e a estabilidade química. Seu maior bandgap óptico também permite conversão óptica não linear para o espectro visível e até ultravioleta e apresenta uma anisotropia óptica muito reduzida, suprimindo a mistura de modos.
Além disso, espera‑se que a eficiência de modulação de ambos os materiais seja quase idêntica, mas o maior limiar de dano óptico do LiTaO3 o torna muito importante para aplicações de alta potência.
Já amplamente usado em filtros de radiofrequência 5G comerciais, espera‑se que o LiTaO3 alcance uma capacidade de produção de 750.000 wafers de tântalo de lítio sobre isolante (LTOI) por ano, potencialmente permitindo a fabricação escalável de baixo custo de PICs baseados em LiTaO3.
PICs de LiTaO3 para Fabricação Escalável
O estudo mais recente, publicado na Nature e financiado pela Fundação Nacional Suíça de Ciências (SNSF) e pelo Conselho Europeu de Pesquisa (ERC), está avançando na obtenção de escalabilidade na produção de PICs eletro‑ópticos de grande volume e baixo custo, que são avançados e atenderão ao futuro de forma melhor.
Isso foi possível com a ajuda do tântalo de lítio, um material intimamente relacionado ao nióbico de lítio (LN) — um cristal ferroelétrico multifuncional composto de oxigênio, lítio e nióbio, que é a base da fotônica moderna e um material chave para moduladores ópticos, telefones móveis, guias de ondas ópticas e sensores piezoelétricos.
Assim como o nióbico de lítio (LiNbO3), o tântalo de lítio (LiTaO3) possui qualidades eletro‑ópticas fantásticas, mas também apresenta benefícios adicionais: custo e escalabilidade. O LiTaO3 ainda exibe birrefringência muito menor, permitindo circuitos de alta densidade e operação de banda larga em todas as bandas de telecomunicações em comparação ao LiNbO3.
Considerando que a indústria de telecomunicações já usa esse material extensivamente em filtros de radiofrequência 5G, o LiTaO3 pode ajudar a superar as barreiras do nióbico de lítio.
Assim, os cientistas da EPFL, liderados pelo professor Tobias J. Kippenberg e Xin Ou, professor do Instituto de Microsistemas e Tecnologia da Informação de Xangai, criaram uma plataforma de PIC baseada em tântalo de lítio.
Este novo PIC aproveita as qualidades inerentes do LiTaO3 para tornar os PICs de alta qualidade mais viáveis economicamente, transformando o campo dos PICs eletro‑ópticos. O estudo demonstrou que o tântalo de lítio pode ser gravado para criar PICs de baixa perda usando um processo de fabricação baseado em um stepper de ultravioleta profundo (DUV) bem como um modulador Mach–Zehnder (MZM) de tântalo de lítio. A plataforma também suporta a geração de microcombos solitônicos, que é uma nova abordagem promissora para a síntese de sinais de micro‑ondas baseados em fotônica.
Para alcançar essa grande conquista, a equipe desenvolveu um método de ligação de wafers para tântalo de lítio, que funciona com linhas de produção SOI.
Os pesquisadores fabricaram LiNbO3 em estruturas de lítio nióbico sobre isolante (LNOI) para fornecer uma classe completamente nova de PICs eletro‑ópticos com velocidade extremamente alta e baixa voltagem. Segundo o estudo, esses PICs podem se tornar parte integral de futuros sistemas de comunicação energeticamente eficientes.
A fabricação foi realizada usando a técnica smart‑cut. Essa fabricação de LTOI está mais alinhada com a produção comercial em alto volume de wafers SOI, oferecendo maior eficiência e menores custos de produção.
Em seguida, a equipe mascarou o wafer com carbono e começou a gravar moduladores, guias de ondas ópticas e microressonadores de fator de qualidade suprema. Eles combinaram duas técnicas para gravar o wafer: fotolitografia DUV, que envolve a criação de padrões usando luz controlada, e gravação a seco, que remove material expondo‑o a íons. Inicialmente desenvolvido para lítio nióbico, esse processo de gravação foi posteriormente adaptado para gravar o tântalo de lítio, que é mais duro e mais inerte.
A gravação foi adaptada para minimizar perdas ópticas, o que é crítico para alcançar alto desempenho em circuitos fotônicos.
Como resultado, os pesquisadores conseguiram fabricar PICs de tântalo de lítio, que são altamente eficientes e apresentam uma taxa de perda óptica de apenas 5,6 dB/m no comprimento de onda de telecomunicações.
Conforme observado acima, o MZM eletro‑óptico — atualmente usado em comunicações de fibra óptica de alta velocidade — foi outro destaque deste estudo. A largura de banda eletro‑óptica do MZM de tântalo de lítio atingiu 40 GHz, oferecendo um produto de tensão‑comprimento de meia onda de 1,9 V cm. Segundo o estudo:
“Nosso processo é totalmente em escala de wafer e baseado em fotolitografia de ultravioleta profundo, estabelecendo a base para a fabricação escalável de PICs eletro‑ópticos de alto desempenho que podem aproveitar a escala da fabricação de wafers LTOI para filtros 5G.”
Dessa forma, os PICs LTOI do estudo alcançam perdas e desempenho eletro‑óptico semelhantes à tecnologia LNOI bem estabelecida, que tem grande potencial para uso em interconexões de data centers, comunicações ópticas de longa distância e fotônica quântica. Segundo Chengli Wang, autor do estudo:
“O estudo também conseguiu gerar microcombos solitônicos mantendo um desempenho eletro‑óptico altamente eficiente. Esses microcombos solitônicos apresentam um grande número de frequências coerentes e, quando combinados com capacidades de modulação eletro‑óptica, são particularmente adequados para aplicações como LiDAR coerente paralelo e computação fotônica.”
Aplicações Reais e Extensas dos PICs de Tântalo de Lítio
O desenvolvimento de circuitos fotônicos integrados (PICs) usando tântalo de lítio (LiTaO3) é uma grande conquista, dadas suas inúmeras aplicações reais em diversos campos. Algumas áreas‑chave que podem se beneficiar desse avanço incluem data centers, que podem utilizar esses PICs para gerenciar grandes volumes de tráfego de dados e reduzir a latência.
Nas telecomunicações, os tântalos de lítio já estão sendo usados. Ao integrá‑los em PICs, podemos simplificar a transição para sistemas de comunicação sem fio de ponta. Enquanto isso, os MZMs podem melhorar as taxas de transmissão de dados em redes de fibra óptica.
A computação é outra área onde a ultra‑alta velocidade oferecida por esses PICs pode ajudar as capacidades de processamento, enquanto a computação quântica pode se beneficiar da alta eficiência e baixa birrefringência dos PICs de tântalo de lítio. A eletrônica de consumo é mais um campo que pode utilizar os PICs de tântalo de lítio para melhorar o desempenho dos dispositivos.
Existe também o LiDAR (Light Detection and Ranging), que pode ser tornado mais preciso para uso em veículos autônomos, agricultura, meteorologia, navegação, biodiversidade, mapeamento e muito mais.
Outras indústrias que podem se beneficiar incluem sensores, que são utilizados em monitoramento médico, industrial e ambiental, e a área da saúde, onde PICs avançados podem ajudar no diagnóstico precoce e no planejamento de tratamentos.
Como vimos, aproveitar as propriedades únicas do tântalo de lítio permite que os PICs ofereçam desempenho aprimorado, escalabilidade e relação custo‑benefício. Esses benefícios tornam os PICs baseados em tântalo de lítio altamente adequados para uma ampla gama de aplicações que exigem soluções ópticas de alta velocidade e alta eficiência.
Empresas Que Podem Se Beneficiar Deste Avanço
O avanço mais recente em PICs tem casos de uso profundos, como discutimos acima; agora, vamos analisar algumas empresas que podem se beneficiar dessa nova tecnologia:
#1. Lumentum Holdings Inc. (LITE)
A Lumentum é fornecedora de produtos ópticos e fotônicos, abrangendo os mercados de lasers e comunicações por meio dos segmentos Lasers e OpComms. A empresa tem uma capitalização de mercado de US$ 3,12 bi, enquanto suas ações (LITE: NASDAQ) são negociadas a US$ 46,28, queda de 11,71% no ano. Seu EPS (TTM) é -5,26 e seu P/E (TTM) é -8,81.
LITE Gráfico de preços
Nos seus resultados trimestrais recentes, a Lumentum reportou receita líquida de US$ 366,5 mi, um pouco acima do estimado. No entanto, houve uma queda em relação ao trimestre anterior, em parte devido a problemas de estoque enfrentados por clientes de telecomunicações.
O lucro líquido non‑GAAP foi de US$ 19,6 mi, enquanto o prejuízo líquido GAAP foi de US$ 127 mi. A margem bruta GAAP caiu para 16,2%, e a margem bruta non‑GAAP reduziu para 32,6%. O total de caixa, equivalentes de caixa e investimentos de curto prazo da empresa também diminuiu para US$ 870,9 mi, principalmente devido a um pagamento de US$ 323 mi em notas conversíveis.
No entanto, o CEO Alan Lowe está otimista quanto à recuperação do setor de telecomunicações e expressou confiança na capacidade da empresa de capitalizar a crescente demanda por data centers em nuvem impulsionados por IA.
#2. Infinera Corporation (INFN)
A Infinera Corporation fornece semicondutores ópticos avançados e soluções de rede óptica para empresas, governos, operadoras e provedores de nuvem. A empresa tem uma capitalização de mercado de US$ 1,27 bi, e suas ações são negociadas a US$ 5,46, alta de 14,95% no ano. Seu EPS (TTM) é -0,34 e seu P/E (TTM) é -16,04.
Para o 2T de 2024, a empresa reportou receita GAAP de US$ 306,9 mi, queda em relação aos US$ 453,5 mi do trimestre anterior. A margem bruta GAAP foi de 36,0%, novamente uma diminuição em relação a 38,6% no 4T23 e 37,5% no 1T23. No trimestre, a margem operacional GAAP foi de 14%, e o prejuízo líquido GAAP foi de US$ 61,4 mi.
A margem bruta non‑GAAP foi de 36,6%, a margem operacional non‑GAAP foi de 8,4% e o prejuízo líquido non‑GAAP foi de US$ 38,3 mi. A empresa gerou US$ 24 mi de fluxo de caixa operacional e US$ 16 mi de fluxo de caixa livre, encerrando o trimestre com caixa, equivalentes de caixa e caixa restrito totalizando US$ 192,2 mi.
O CEO David Heard descreveu o 1T24 como um trimestre importante, marcado por um significativo impulso de clientes, RFPs e vitórias de design.
Considerações Finais
Embora os PICs baseados em fotônica de silício tenham liderado o mundo com uso disseminado em telecomunicações e data centers nas últimas décadas, as coisas ficarão ainda mais interessantes com a chegada da próxima geração de PICs.
Os PICs de ultra‑alta velocidade baseados em materiais eletro‑ópticos desempenharão um papel maior em data centers energeticamente eficientes, filtros de radiofrequência 5G e 6G, comunicações ópticas e, principalmente, em computação de alto desempenho impulsionada por cargas de trabalho de IA.
Claro, para que isso aconteça, precisamos de fabricação escalável e de baixo custo, o que o estudo mais recente conseguiu ao usar LiTaO3, que em alguns casos é superior ao LiNbO3. Ser compatível com linhas de produção existentes torna esse novo método extremamente atraente. Ele promete PICs eletro‑ópticos de próxima geração a baixo custo, com ampla aplicabilidade em diversos setores.
