Computing
Mula sa Komunikasyon hanggang sa Data Center at Higit Pa – Photonic Integrated Circuit Breakthrough na Magbabago sa Industriya
Idagdag ang Securities.io sa mga gusto mong mapagkunan sa Google
Isang bagong pag-aaral ang nagpakita ng pag-unlad ng scalable na photonic integrated circuits gamit ang inorganikong compound na lithium tantalate (LiTaO3), isang diamagnetikong solid na hindi natutunaw sa tubig. Ang mga mananaliksik sa EPFL ay gumawa ng makabuluhang pag-unlad sa mga optikal na teknolohiya na may potensyal para sa malawakang komersyal na aplikasyon.
Ang photonic integrated circuit (PIC) ay isang microchip na naglalaman ng mga photonic na komponent na gumagamit ng liwanag o photon sa halip na mga elektronikong komponent tulad ng transistor, inductor, at resistor, na nagpapadaloy ng mga electron. Ang mga photonic chip ay gumagamit ng mga optikal na komponent tulad ng laser, waveguide, at polarizer upang manipulahin ang mga photon.
Ang isang photonic chip ay gumagamit ng mga photon sa halip na mga electron upang magproseso at magdistribute ng impormasyon. Ang paggamit ng liwanag kapalit ng kuryente ay nagpapahintulot sa teknolohiyang ito na lampasan ang mga limitasyon ng elektronika, tulad ng pagbuo ng init.
Ito ay nagbibigay-daan sa mga PIC na mag-alok ng mga benepisyo tulad ng mababang epekto ng init, malaking kapasidad ng integrasyon, miniaturisasyon, at mas mataas na bilis. Kasabay nito, ang mga PIC ay compatible sa umiiral na mga proseso ng paggawa, na nagpapahintulot ng mas mababang presyo, mass manufacturing, at mataas na yield.
Bilang resulta, natagpuan ng mga PIC ang kanilang aplikasyon sa malawak na hanay ng mga industriya, mula sa automotive hanggang astronomiya, sensing, biomedical, at data communications. Habang patuloy na nagtatrabaho ang mga siyentipiko at mananaliksik sa mga PIC upang mapabuti pa ito, nakikita nila ang mas marami pang aplikasyon at nagmamarka ng isang bagong panahon ng teknolohiya.
Hanggang ngayon, binago ng mga PIC ang mga sistema ng computing at optikal na komunikasyon. Gayunpaman, ang mga silicon-based na PIC ang nangunguna sa merkado dahil sa kanilang pagiging cost-effective at kakayahang i-integrate sa umiiral na mga teknolohiya ng paggawa ng semiconductor.
Sa kabila ng mga limitasyon sa electro-optical modulation bandwidth ng silicon-based na PIC, ang mga silicon-on-insulator na optical transceiver chip ay malawak nang na-komersyalisa. Gayunpaman, kamakailan, ang mga lithium niobate-on-insulator (LNOI) wafer platform, na kilala sa kanilang superior na Pockels coefficient na mahalaga para sa high-speed na optical modulation, ay nagsimulang makakuha ng pansin.
Ang mga electro-optical PIC na batay sa lithium niobate (LiNbO3) ay nagpapakita ng malawak na kakayahan dahil sa kanilang malakas na Pockels coefficient, na ginagamit sa high-performance computing, photonic accelerators para sa AI, at komunikasyon sa data center.
Gayunpaman, may dahilan kung bakit hindi pa naging malawak ang pag-aampon at komersyal na integrasyon ng lithium niobate. Ang mga dahilan ay ang komplikadong mga pangangailangan sa produksyon, limitadong sukat ng wafer, at mataas na gastos bawat wafer, na naglilimita sa paggamit nito sa industriya.
Mahal ang teknolohiyang ito dahil walang umiiral na high-volume na aplikasyon tulad ng nagpasigla sa pag-aampon ng silicon-on-insulator (SOI) photonics.
Sa nakaraang dalawang dekada, mabilis na lumipat ang mga silicon-based na PIC mula sa akademikong pananaliksik patungo sa malawak na paggamit sa mga data center, na pinapatakbo ng cost-effectiveness at high-volume na availability ng mga SOI wafer. Inihanda gamit ang smart-cut techniques, ang mga SOI wafer na ito ay nagbigay-daan sa paggawa ng silicon photonics at, higit sa lahat, malawakang ginagamit sa consumer microelectronics.
Upang mailagay ito sa konteksto, higit sa 3 milyong SOI wafer na may diameter na 300 mm ang ginagawa sa buong mundo bawat taon.
Gayunpaman, salamat sa pinakabagong pag-aaral na gumamit ng lithium tantalate (LiTaO3) para sa electro-optical PIC, maaaring sa wakas ay magbago ang sitwasyon para sa mga ito.
Ang LiTaO3, na katulad sa crystal structure ng LiNbO3 ngunit may mas mabibigat na atom na Ta na pumapalit sa Nb, ay nag-aalok ng mas mataas na mass density at mas matibay na chemical bonds, na nagpapahusay ng tibay at chemical stability. Ang mas malaking optical bandgap nito ay nagbibigay-daan din sa nonlinear optical conversion patungo sa visible at kahit ultraviolet na saklaw ng wavelength at nagpapakita ng malaki ang nabawasang optical anisotropy, na pumipigil sa mode mixing.
Bukod pa rito, inaasahang halos magkapareho ang modulation efficiency ng parehong materyales, ngunit ang mas malaking optical damage threshold ng LiTaO3 ay ginagawang napakahalaga para sa mga high-power na aplikasyon.
Na kasalukuyang malawak nang ginagamit sa mga komersyal na 5G radiofrequency filter, inaasahang maaabot ng LiTaO3 ang kapasidad ng produksyon na 750,000 lithium tantalate-on-insulator (LTOI) wafer bawat taon, na posibleng magbigay-daan sa low-cost na scalable manufacturing ng mga LiTaO3-based na PIC.
LiTaO3 PICs para sa Scalable na Paggawa
Ang pinakabagong pag-aaral, na inilathala sa published sa Nature at pinondohan ng Swiss National Science Foundation (SNSF) at ng European Research Council (ERC), ay gumagawa ng pag-unlad sa pag-abot ng scalability sa produksyon ng malakihang dami at mababang-gastos na electro-optical PICs na advanced at maglilingkod sa hinaharap na mundo nang mas mahusay.
Ito ay naging posible sa tulong ng lithium tantalate, isang materyal na malapit na kaugnay ng lithium niobate (LN) — isang multifunctional na ferroelectric crystal na binubuo ng oxygen, lithium, at niobium na siyang pundasyon ng modernong photonics at isang pangunahing materyal para sa mga optical modulator, mobile phone, optical waveguide, at piezoelectric sensor.
Katulad ng lithium niobate (LiNbO3), ang lithium tantalate (LiTaO3) ay may kamangha-manghang electro-optic na katangian, ngunit mayroon din itong karagdagang benepisyo: gastos at scalability. Ang LiTaO3 ay nagpapakita rin ng mas mababang birefringence, na nagbibigay-daan sa high-density na mga circuit at broadband na operasyon sa lahat ng telecommunication band kumpara sa LiNbO3.
Dahil ang industriya ng telecom ay malawak nang gumagamit ng materyal na ito sa mga 5G radiofrequency filter, makakatulong ang LiTaO3 na lampasan ang mga hadlang ng lithium niobate.
Kaya, ang mga siyentipiko sa EPFL, pinamumunuan nina Propesor Tobias J. Kippenberg at Xin Ou, na propesor sa Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, ay lumikha ng isang PIC platform na batay sa lithium tantalate.
Ang bagong PIC na ito ay sinasamantala ang likas na katangian ng LiTaO3 upang gawing mas ekonomikong viable ang mga high-quality na PIC, na nagbabago sa larangan ng electro-optical PIC. Ipinakita ng pag-aaral na ang lithium tantalate ay maaaring i-etch upang lumikha ng low-loss na PIC gamit ang proseso ng paggawa na batay sa deep ultraviolet (DUV) stepper pati na rin sa lithium tantalate Mach–Zehnder modulator (MZM). Sinusuportahan din ng platform ang pagbuo ng soliton microcomb, na isang promising na bagong paraan para sa photonic-based microwave signal synthesis.
Upang makamit ang dakilang tagumpay na ito, nag-develop ang koponan ng wafer-bonding method para sa lithium tantalate, na gumagana sa mga SOI production line.
Ang mga mananaliksik ay nag-fabricate ng LiNbO3 sa lithium niobate-on-insulator (LNOI) na istruktura upang magbigay ng ganap na bagong klase ng electro-optical PIC na may napakabilis na bilis at mababang boltahe. Ayon sa pag-aaral, ang mga PIC na ito ay maaaring maging integral na bahagi ng mga hinaharap na energy-efficient na communication system.
Ang paggawa ay ginawa gamit ang smart-cut technique. Ang paggawa ng LTOI ay mas malapit na naka-align sa high-volume na komersyal na produksyon ng mga SOI wafer, na nag-aalok ng mas mataas na kahusayan at mas mababang gastos sa produksyon.
Sunod, ang koponan ay nag-mask ng wafer gamit ang carbon at pagkatapos ay nagsimulang mag-etch ng mga modulator, optical waveguide, at factor microresonator na may napakagandang kalidad. Pinagsama nila ang dalawang teknik upang i-etch ang wafer: DUV photolithography, na kinabibilangan ng paglikha ng mga pattern gamit ang kontroladong liwanag, at dry etching, na nag-aalis ng materyal sa pamamagitan ng pag-expose nito sa mga ion. Unang binuo para sa lithium niobate, ang prosesong ito ng pag-etch ay kalaunan inangkop upang i-etch ang mas matigas at mas inert na lithium tantalate.
Ang pag-etch ay inangkop upang mabawasan ang optical losses, na kritikal sa pag-abot ng mataas na performance sa mga photonic circuit.
Bilang resulta, nagtagumpay ang mga mananaliksik sa paggawa ng lithium tantalate PIC, na napakaepektibo at may optical loss rate na 5.6 dB/m lamang sa telecom wavelength.
Tulad ng nabanggit sa itaas, ang electro-optic MZM — na kasalukuyang ginagamit sa high-speed na optical fiber communication — ay isa pang tampok ng pag-aaral na ito. Ang electro-optical bandwidth ng lithium tantalate MZM ay umabot sa 40 GHz habang nag-aalok ng half-wave voltage-length product na 1.9 V cm. Ayon sa pag-aaral:
“Ang aming proseso ay ganap na wafer-scale at batay sa deep-ultraviolet photolithography at naglalatag ng pundasyon para sa scalable na paggawa ng high-performance na electro-optical PICs na maaaring samantalahin ang sukat ng LTOI wafer fabrication para sa mga 5G filter.”
Sa ganitong paraan, ang LTOI PICs ng pag-aaral ay nakakamit ang katulad na loss at electro-optical performance sa kilalang LNOI technology na may malaking potensyal para magamit sa data-center interconnects, long-haul optical communications, at quantum photonics. Ayon kay Chengli Wang, ang may-akda ng pag-aaral:
“Ang pag-aaral ay nakagawa pa ng soliton microcomb habang pinapanatili ang napakaepektibong electro-optical performance. Ang mga soliton microcomb na ito ay nagtatampok ng malaking bilang ng coherent frequencies at, kapag pinagsama sa electro-optic modulation capabilities, ay partikular na angkop para sa mga aplikasyon tulad ng parallel coherent LiDAR at photonic computing.”
Malawak na Real-world na Aplikasyon ng Lithium Tantalate PICs
Ang pag-unlad ng photonic integrated circuits (PIC) gamit ang lithium tantalate (LiTaO3) ay isang malaking tagumpay, dahil sa napakaraming real-world na aplikasyon nito sa iba’t ibang larangan. Ilan sa mga pangunahing lugar na maaaring makinabang mula sa pag-unlad na ito ay ang mga data center, na maaaring gamitin ang mga PIC na ito upang pamahalaan ang napakalaking dami ng data traffic at bawasan ang latency.
Sa telecommunications, ang mga lithium tantalate ay kasalukuyang ginagamit na. Sa pamamagitan ng pag-integrate ng mga ito sa PIC, maaari nating pasimplehin ang paglipat sa mga cutting-edge na wireless communication system. Samantala, ang mga MZM ay maaaring mapabuti ang data transmission rate sa mga optical fiber network.
Ang computing ay isa pang larangan kung saan ang ultra-high speed na inaalok ng mga PIC na ito ay makakatulong sa kakayahan ng pagproseso, habang ang quantum computing ay maaaring makinabang mula sa mataas na kahusayan at mababang birefringence ng lithium tantalate PIC. Ang consumer electronics ay isa pang larangan na maaaring gumamit ng lithium tantalate PIC para sa mas mahusay na performance ng device.
Mayroon ding LiDAR (Light Detection and Ranging), na maaaring gawing mas tumpak para sa paggamit sa autonomous vehicles, agrikultura, panahon, nabigasyon, biodiversity, pagmamapa, at marami pang iba.
Ang iba pang industriya na maaaring makinabang ay ang mga sensor, na ginagamit sa medikal, industriyal, at environmental monitoring, at ang healthcare, kung saan ang advanced na PIC ay makakatulong sa maagang diagnosis at pagpaplano ng paggamot.
Tulad ng nakita natin, ang paggamit ng natatanging katangian ng lithium tantalate ay nagbibigay-daan sa mga PIC na mag-alok ng pinahusay na performance, scalability, at cost-effectiveness. Ang mga benepisyong ito ay ginagawang ang mga PIC na batay sa lithium tantalate ay lubos na angkop para sa malawak na hanay ng mga aplikasyon na nangangailangan ng high-speed, high-efficiency na optikal na solusyon.
Mga Kumpanya na Maaaring Makikinabang sa Pag-unlad na Ito
Ang pinakabagong pag-unlad sa mga PIC ay may malalim na mga kaso ng paggamit, tulad ng tinalakay natin kanina, ngayon, tingnan natin ang ilang kumpanya na maaaring makinabang sa bagong teknolohiyang ito:
#1. Lumentum Holdings Inc. (LITE)
Ang Lumentum ay isang tagapagbigay ng mga optical at photonic na produkto, na sumasaklaw sa merkado ng mga laser at komunikasyon sa pamamagitan ng mga segment na Lasers at OpComms. Ang kumpanya ay may market cap na $3.12 bilyon, habang ang mga shares nito (LITE: NASDAQ) ay nagte-trade sa $46.28, pababa ng 11.71% sa taong ito. Ang EPS nito (TTM) ay -5.26, at ang P/E (TTM) ay -8.81.
LITE Tsart ng Presyo
Para sa kamakailang quarterly na resulta, iniulat ng Lumentum ang net revenue na $366.5 milyon, bahagyang mas mataas kaysa sa tinantiya. Gayunpaman, nagkaroon ng pagbaba mula sa nakaraang quarter, bahagi nito ay dahil sa mga isyu sa imbentaryo na hinarap ng mga telecom na customer.
Ang Non-GAAP net income ay $19.6 milyon, habang ang GAAP net loss ay $127 milyon. Ang GAAP gross margin ay bumaba sa 16.2%, at ang non-GAAP gross margin ay nabawasan sa 32.6%. Ang kabuuang cash, cash equivalents, at short-term investments ng kumpanya ay bumaba rin sa $870.9 milyon, pangunahing dahil sa $323 milyong pagbabayad ng convertible notes.
Si CEO Alan Lowe, gayunpaman, ay optimistiko tungkol sa pagbangon ng sektor ng telecom at nagpahayag ng kumpiyansa sa kakayahan ng kumpanya na samantalahin ang lumalaking pangangailangan para sa AI-driven cloud data centers.
#2. Infinera Corporation (INFN)
Ang Infinera Corporation ay nag-susupply ng advanced na optical semiconductors at optical networking solutions sa mga enterprise, gobyerno, carrier, at cloud operator. Ang kumpanya ay may market cap na $1.27 bilyon, at ang mga shares nito ay nagte-trade sa $5.46, tumaas ng 14.95% sa taong ito. Ang EPS nito (TTM) ay -0.34, at ang P/E (TTM) ay -16.04.
Para sa Q2 ng 2024, iniulat ng kumpanya ang $306.9 milyon na GAAP revenue, pababa mula sa $453.5 milyon sa nakaraang quarter. Ang GAAP gross margin, samantala, ay 36.0%, muli isang pagbaba mula sa 38.6% sa 4Q23 at 37.5% sa 1Q23. Para sa quarter, ang GAAP operating margin ay 14%, at ang GAAP net loss ay $61.4 milyon.
Ang non-GAAP gross margin ay 36.6%, ang non-GAAP operating margin ay 8.4%, at ang non-GAAP net loss ay $38.3 milyon. Ang kumpanya ay nakalikha ng $24 milyon na operating cash flow at free cash flow na $16 milyon upang tapusin ang quarter na may cash, cash equivalents, at restricted cash na $192.2 milyon.
Tinawag ni CEO David Heard ang 1Q24 na isang mahalagang quarter, na minarkahan ng makabuluhang customer, RFP, at design-win na momentum.
Pangwakas na Kaisipan
Habang ang mga PIC na batay sa silicon photonics ay nangunguna sa mundo sa malawak na paggamit sa telecommunications at data center sa nakaraang maraming dekada, magiging mas kawili-wili pa ang mga bagay sa susunod na henerasyon ng mga PIC na papasok.
Ang ultrahigh-speed na PIC na batay sa electro-optical na materyales ay gagampanan ang mas malaking papel sa energy-efficient na mga data center, 5G at 6G radiofrequency filter, optical communications, at, pinakamahalaga, sa AI workload-driven na high-performance computing.
Siyempre, para mangyari ito, kailangan natin ng scalable, low-cost na paggawa, na naabot ng pinakabagong pag-aaral sa pamamagitan ng paggamit ng LiTaO3, na sa ilang kaso ay mas mahusay kaysa sa LiNbO3. Ang pagiging compatible sa umiiral na mga production line ay ginagawang napaka-kaakit-akit ng bagong metodong ito. Nangangako ito ng low-cost na susunod na henerasyon ng electro-optical PICs na may malawak na aplikasyon sa iba’t ibang industriya.
