Från kommunikation till datacenter och mer – Photonic Integrated Circuit-genombrott som kommer att omvälva branschen

En ny studie har avslöjat utvecklingen av skalbara fotoniska integrerade kretsar med den oorganiska föreningen litiumtantalat (LiTaO3), ett diamagnetiskt fast ämne som är olösligt i vatten. Forskare vid EPFL har gjort betydande framsteg inom optisk teknik med potential för breda kommersiella tillämpningar.

En fotonisk integrerad krets (PIC) är ett mikrochip som innehåller fotoniska komponenter som använder ljus eller fotoner istället för elektriska komponenter som transistorer, induktorer och motstånd, vilka möjliggör elektronflöde. Fotoniska chip använder optiska komponenter som lasrar, vågledare och polariserare för att manipulera fotoner.

Ett fotoniskt chip utnyttjar fotoner istället för elektroner för att bearbeta och distribuera information. Användningen av ljus i stället för elektricitet gör att tekniken kan övervinna elektronikens begränsningar, såsom värmeutveckling.

Detta gör att PIC:er kan erbjuda fördelarna med låga termiska effekter, stor integrationskapacitet, miniaturisering och högre hastighet. Samtidigt är PIC:er kompatibla med befintliga bearbetningsflöden, vilket möjliggör lägre priser, volymtillverkning och hög avkastning.

Som ett resultat har PIC:er hittat tillämpning i ett brett spektrum av industrier, från fordonsindustrin till astronomi, sensorteknik, biomedicin och datakommunikation. När forskare och vetenskapsmän fortsätter att arbeta med PIC:er för att förbättra dem, kan de se ännu fler tillämpningar och inleda en ny teknologisk era.

Hittills har PIC:er revolutionerat datorsystem och optisk kommunikation. Dock har kiselbaserade PIC:er lett marknaden hittills på grund av deras kostnadseffektivitet och förmåga att integreras med befintliga halvledartillverkningstekniker.

Trots begränsningarna i elektro‑optisk moduleringsbandbredd för kiselbaserade PIC:er har silicon‑on‑insulator‑optiska transceiver‑chip kommersialiserats i stor skala. På senare tid har dock litiumniobat‑on‑insulator‑(LNOI) wafer‑plattformar, kända för sin överlägsna Pockels‑koefficient som är avgörande för högfrekvent optisk modulering, börjat få uppmärksamhet.

Elektro‑optiska PIC:er baserade på litiumniobat (LiNbO3) uppvisar stora möjligheter på grund av deras starka Pockels‑koefficient, och används inom högpresterande beräkning, fotoniska acceleratorer för AI och datacenterkommunikation.

Det finns dock en anledning till att litiumniobat ännu inte har fått bredare antagande och kommersiell integration. Anledningarna är dess komplexa produktionskrav, begränsad wafer‑storlek och höga kostnad per wafer, vilket begränsar dess industriella användning.

Tekniken är dyr eftersom det inte finns några befintliga högvolymsapplikationer som de som påskyndade antagandet av silicon‑on‑insulator‑(SOI)‑fotonik.

Under de senaste två decennierna har kiselbaserade PIC:er snabbt gått från akademisk forskning till bred användning i datacenter, drivet av kostnadseffektiviteten och högvolyms tillgängligheten av SOI‑wafers. Tillverkade med smart‑cut‑tekniker har dessa SOI‑wafers möjliggjort produktionen av silicon‑fotonik och, ännu viktigare, används i stor utsträckning i konsumentmikroelektronik.

För att sätta det i perspektiv produceras över 3 miljoner SOI‑wafers med en diameter på 300 mm globalt varje år.

Men tack vare den senaste studien, som använde litiumtantalat (LiTaO3) för elektro‑optiska PIC:er, kan saker äntligen förändras för dem.

LiTaO3, som har en liknande kristallstruktur som LiNbO3 men med tyngre Ta‑atomer som ersätter Nb, erbjuder högre massdensitet och starkare kemiska bindningar, vilket förbättrar styrka och kemisk stabilitet. Dess större optiska bandgap möjliggör även icke‑linjär optisk omvandling till synligt och till och med ultraviolett våglängdsområde och visar en kraftigt minskad optisk anisotropi, vilket undertrycker lägesblandning.

Dessutom förväntas modulerings­effektiviteten för båda materialen vara nästan identisk, men LiTaO3:s högre optiska skadeståndströskel gör det mycket viktigt för hög‑effekt‑applikationer.

Redan i stor utsträckning använt i kommersiella 5G‑radiofrekvensfilter, förväntas LiTaO3 nå en produktionskapacitet på 750 000 lithiumtantalat‑on‑insulator‑(LTOI)‑wafers per år, vilket potentiellt möjliggör lågkostnadsskalbar tillverkning av LiTaO3‑baserade PIC:er.

LiTaO3 PIC:er för skalbar tillverkning

Den senaste studien, publicerad i Nature och finansierad av den schweiziska nationella forskningsstiftelsen (SNSF) och Europeiska forskningsrådet (ERC), gör framsteg i att uppnå skalbarhet i produktionen av stora volymer och lågkostnads‑elektro‑optiska PIC:er som är avancerade och kommer att betjäna framtidens värld på ett bättre sätt.

Detta möjliggjordes med hjälp av litiumtantalat, ett material som är nära besläktat med litiumniobat (LN) — en multifunktionell ferroelektrisk kristall bestående av syre, litium och niobium, som är grunden för modern fotonik och ett nyckelmaterial för optiska modulatorer, mobiltelefoner, optiska vågledare och piezoelektriska sensorer.

Precis som litiumniobat (LiNbO3) har litiumtantalat (LiTaO3) fantastiska elektro‑optiska egenskaper, men det har också ytterligare fördelar: kostnad och skalbarhet. LiTaO3 uppvisar dessutom en mycket lägre birefringens, vilket möjliggör högdensitetskretsar och bredbandsdrift över alla telekommunikationsband jämfört med LiNbO3.

Eftersom telekomindustrin redan använder detta material i stor utsträckning i 5G‑radiofrekvensfilter, kan LiTaO3 hjälpa till att övervinna hindren för litiumniobat.

Så skapade forskarna vid EPFL, ledda av professor Tobias J. Kippenberg och Xin Ou, som är professor vid Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, en PIC‑plattform baserad på litiumtantalat.

Denna nya PIC utnyttjar LiTaO3:s inneboende egenskaper för att göra högkvalitativa PIC:er mer ekonomiskt hållbara, vilket omvandlar området för elektro‑optiska PIC:er. Studien visade att litiumtantalat kan etsas för att skapa lågförlust‑PIC:er genom en tillverkningsprocess baserad på en djupultraviolett (DUV)‑steppare samt en litiumtantalat‑Mach–Zehnder‑modulator (MZM). Plattformen stödjer även generering av soliton‑mikrocomb, vilket är ett lovande nytt tillvägagångssätt för fotonisk baserad mikrovågs‑signalgenerering.

För att uppnå detta stora resultat utvecklade teamet en wafer‑bindningsmetod för litiumtantalat, som fungerar med SOI‑produktionslinjer.

Forskarna tillverkade LiNbO3 till litiumniobat‑on‑insulator‑(LNOI)‑strukturer för att erbjuda en helt ny klass av elektro‑optiska PIC:er med extremt hög hastighet och låg spänning. Enligt studien kan dessa PIC:er bli en integrerad del av framtida energieffektiva kommunikationssystem.

Tillverkningen gjordes med smart‑cut‑tekniken. Denna tillverkning av LTOI är närmare anpassad till högvolym‑kommersiell produktion av SOI‑wafers, vilket ger högre effektivitet och lägre produktionskostnader.

Därefter maskerade teamet wafer‑en med kol och började sedan etsa modulatorer, optiska vågledare och faktormikroresonatorer av högsta kvalitet. De kombinerade två tekniker för att etsa wafer‑en: DUV‑fotolitografi, som innebär att skapa mönster med kontrollerat ljus, och torr‑etsning, som innebär att avlägsna material genom att exponera det för joner. Ursprungligen utvecklad för litiumniobat, anpassades denna etsprocess senare för att etsa det hårdare och mer inerta litiumtantalatet.

Etsningen anpassades för att minimera optiska förluster, vilket är kritiskt för att uppnå hög prestanda i fotoniska kretsar.

Som ett resultat lyckades forskarna tillverka litiumtantalat‑PIC:er, som är mycket effektiva och har en optisk förlust på endast 5,6 dB/m vid telekomvåglängd.

Som nämnts ovan var elektro‑optisk MZM — för närvarande använd i högfrekvent optisk fiberkommunikation — en annan höjdpunkt i denna studie. Litiumtantalat‑MZM:s elektro‑optiska bandbredd nådde 40 GHz samtidigt som den erbjöd ett halvvågs‑spänning‑längd‑produkt på 1,9 V cm. Enligt studien:

Vår process är helt wafer‑baserad och bygger på djupultraviolett fotolitografi och lägger grunden för skalbar tillverkning av högpresterande elektro‑optiska PIC:er som kan utnyttja skalan av LTOI‑wafer‑tillverkning för 5G‑filter.

På så sätt uppnår studiens LTOI‑PIC:er liknande förluster och elektro‑optisk prestanda som den väl etablerade LNOI‑teknologin, som har stor potential för användning i datacenter‑interconnects, långdistans‑optisk kommunikation och kvantfotonik. Enligt Chengli Wang, studiens författare:

Studien kunde dessutom generera soliton‑mikrocomb samtidigt som den bibehöll mycket effektiv elektro‑optisk prestanda. Dessa soliton‑mikrocomb har ett stort antal koherenta frekvenser och, när de kombineras med elektro‑optiska moduleringsmöjligheter, är de särskilt lämpliga för applikationer såsom parallell koherent LiDAR och fotonisk beräkning.

Omfattande verkliga tillämpningar av litiumtantalat‑PIC:er

Utvecklingen av fotoniska integrerade kretsar (PIC:er) med litiumtantalat (LiTaO3) är en stor prestation, med tanke på dess många verkliga tillämpningar inom olika områden. Några nyckelområden som kan dra nytta av detta genombrott inkluderar datacenter, som kan använda dessa PIC:er för att hantera enorma mängder datatrafik och minska latens.

Inom telekommunikation används litiumtantalat redan. Genom att integrera dem i PIC:er kan vi förenkla övergången till banbrytande trådlösa kommunikationssystem. Samtidigt kan MZM:er förbättra dataöverföringshastigheten i optiska fibernätverk.

Beräkning är ett annat område där den ultrahöga hastigheten som dessa PIC:er erbjuder kan förbättra bearbetningskapaciteten, medan kvantberäkning kan dra nytta av litiumtantalat‑PIC:ers höga effektivitet och låga birefringens. Konsumentelektronik är ytterligare ett fält som kan använda litiumtantalat‑PIC:er för bättre enhetsprestanda.

Sedan finns LiDAR (Light Detection and Ranging), som kan göras mer exakt för användning i autonoma fordon, jordbruk, väder, navigation, biologisk mångfald, kartläggning och mycket mer.

Andra industrier som kan dra nytta inkluderar sensorer, som används i medicinsk, industriell och miljöövervakning, samt hälso- och sjukvård, där avancerade PIC:er kan hjälpa till med tidig diagnos och behandlingsplanering.

Som vi har sett möjliggör utnyttjandet av litiumtantalats unika egenskaper att PIC:er kan erbjuda förbättrad prestanda, skalbarhet och kostnadseffektivitet. Dessa fördelar gör PIC:er baserade på litiumtantalat mycket lämpliga för ett brett spektrum av applikationer som kräver hög hastighet och hög effektivitet i optiska lösningar.

Klicka här för att lära dig varför lasrar kommer att spela en avgörande roll under de kommande årtiondena.

Företag som kan dra nytta av detta framsteg 

Det senaste framsteget inom PIC:er har djupgående användningsområden, som vi diskuterade ovan, låt oss nu titta på ett par företag som kan dra nytta av denna nya teknik:

#1. Lumentum Holdings Inc. (LITE)

Lumentum är en leverantör av optiska och fotoniska produkter och täcker laser- och kommunikationsmarknaden via segmenten Lasers och OpComms. Företaget har ett marknadsvärde på 3,12 miljarder USD, medan dess aktier (LITE: NASDAQ) handlas till 46,28 USD, ner 11,71 % år‑till‑datum. Dess EPS (TTM) är -5,26 och dess P/E (TTM) är -8,81.

För sina senaste kvartalsresultat rapporterade Lumentum en nettoomsättning på 366,5 miljoner USD, något högre än uppskattat. Det fanns dock en nedgång jämfört med föregående kvartal, delvis på grund av lagerproblem hos telekomkunder.

Non‑GAAP nettoresultat var 19,6 miljoner USD, medan GAAP nettoförlust var 127 miljoner USD. GAAP bruttomarginalen föll till 16,2 % och non‑GAAP bruttomarginalen minskade till 32,6 %. Företagets totala kontanter, likvida medel och kortfristiga investeringar minskade också till 870,9 miljoner USD, främst på grund av en återbetalning på 323 miljoner USD i konvertibla skuldebrev.

VD Alan Lowe är dock optimistisk kring telekomsektorns återhämtning och har uttryckt förtroende för företagets förmåga att kapitalisera på den växande efterfrågan på AI‑drivna molndatacenter.

#2. Infinera Corporation (INFN)

Infinera Corporation levererar avancerade optiska halvledare och optiska nätverkslösningar till företag, regeringar, operatörer och molnleverantörer. Företaget har ett marknadsvärde på 1,27 miljarder USD, och dess aktier handlas till 5,46 USD, upp 14,95 % år‑till‑datum. Dess EPS (TTM) är -0,34 och dess P/E (TTM) är -16,04.

För Q2 2024 rapporterade företaget 306,9 miljoner USD i GAAP‑intäkter, ner från 453,5 miljoner USD föregående kvartal. GAAP bruttomarginalen var samtidigt 36,0 %, återigen en minskning från 38,6 % i 4Q23 och 37,5 % i 1Q23. För kvartalet var GAAP rörelsemarginalen 14 % och GAAP nettoförlusten 61,4 miljoner USD.

Non‑GAAP bruttomarginalen var 36,6 %, non‑GAAP rörelsemarginalen var 8,4 % och non‑GAAP nettoförlusten var 38,3 miljoner USD. Företaget genererade 24 miljoner USD i operativt kassaflöde och fritt kassaflöde på 16 miljoner USD, vilket avslutade kvartalet med kontanter, likvida medel och restriktioner på 192,2 miljoner USD.

VD David Heard kallade 1Q24 för ett viktigt kvartal, präglat av betydande kund-, RFP- och design‑vinnande momentum.

Avslutande tankar

Medan PIC:er baserade på silicon‑fotonik har lett världen med omfattande användning inom telekommunikation och datacenter under de senaste årtiondena, kommer det att bli ännu mer intressant med nästa generation av PIC:er som gör sitt inträde.

Ultrahöga hastighets‑PIC:er baserade på elektro‑optiska material kommer att spela en större roll i energieffektiva datacenter, 5G‑ och 6G‑radiofrekvensfilter, optisk kommunikation och, viktigast av allt, i AI‑arbetsbelastningsdriven högpresterande beräkning.

Självklart krävs skalbar, lågkostnadstillverkning för att detta ska ske, vilket den senaste studien har uppnått genom att använda LiTaO3, som i vissa fall är överlägset LiNbO3. Att vara kompatibel med befintliga produktionslinjer gör denna nya metod mycket attraktiv. Den lovar lågkostnads‑nästa‑generations elektro‑optiska PIC:er med bred tillämpning över industrier.

Klicka här för att lära dig hur ny fononikforskning kan revolutionera kommunikationsenheter.