Bilişim
İletişimden Veri Merkezlerine ve Daha Fazlasına – Fotonik Entegre Devre Atılımı Endüstriyi Sarsmaya Hazır
Securities.io sitesini Google'daki tercih ettiğiniz kaynaklara ekleyin
Yeni bir çalışma, su içinde çözünmeyen, diyamıknatik bir katı olan inorganik bileşik lityum tantalat (LiTaO3) kullanılarak ölçeklenebilir fotonik entegre devrelerin geliştirilmesini ortaya koydu. EPFL’deki araştırmacılar, geniş çaplı ticari uygulama potansiyeline sahip optik teknolojilerde önemli ilerlemeler kaydetti.
Fotonik entegre devre (PIC), elektron akışını sağlayan transistör, indüktör ve direnç gibi elektrikli bileşenler yerine ışık veya foton kullanan fotonik bileşenler içeren bir mikroçiptir. Fotonic çipler, fotonları manipüle etmek için lazerler, dalakılavuzları ve polarizatörler gibi optik bileşenler kullanır.
Bir fotonik çip, bilgi işlemek ve dağıtmak için elektronlar yerine fotonları kullanır. Elektrik yerine ışık kullanımı, ısı üretimi gibi elektronik sınırlamalarının üstesinden gelmesini sağlar.
Bu, PIC’lerin düşük termal etkiler, büyük entegrasyon kapasitesi, miniaturizasyon ve daha yüksek hız gibi avantajlar sunmasını sağlar. Aynı zamanda, PIC’ler mevcut işleme akışlarıyla uyumludur, bu da daha düşük fiyatlar, hacimli üretim ve yüksek verimlilik anlamına gelir.
Sonuç olarak, PIC’ler otomotivden astronomiye, algılamadan biyomedikal ve veri iletişimine kadar geniş bir endüstri yelpazesinde uygulama buldu. Bilim insanları ve araştırmacılar PIC’ler üzerinde çalışmaya devam ettikçe, daha fazla uygulama görebilir ve yeni bir teknolojik dönemi işaretleyebilirler.
Bugüne kadar, PIC’ler bilgisayar sistemlerini ve optik iletişimi devrim niteliğinde değiştirdi. Ancak, silikon tabanlı PIC’ler maliyet etkinliği ve mevcut yarı iletken üretim teknolojileriyle entegrasyon yetenekleri sayesinde piyasada lider konumda oldu.
Silikon tabanlı PIC’lerin elektro-optik modülasyon bant genişliği sınırlamalarına rağmen, silikon-izolatör (SOI) optik alıcı-verici çipleri geniş çapta ticarileştirildi. Ancak, yakın zamanda yüksek hızlı optik modülasyon için hayati öneme sahip üstün Pockels katsayısı ile tanınan lityum niyobat-izolatör (LNOI) wafer platformları ilgi görmeye başladı.
Lityum niyobat (LiNbO3) tabanlı elektro-optik PIC’ler, güçlü Pockels katsayıları sayesinde geniş yetenekler sergileyerek yüksek performanslı bilişim, yapay zeka için fotonik hızlandırıcılar ve veri merkezi iletişimlerinde kullanılmaktadır.
Bununla birlikte, lityum niyobatın henüz daha geniş çapta benimsenmemesinin ve ticari entegrasyonunun olmamasının bir nedeni var. Nedenleri, karmaşık üretim gereksinimleri, sınırlı wafer boyutu ve wafer başına yüksek maliyet olup, bu faktörler endüstriyel kullanımını sınırlamaktadır.
Teknoloji pahalıdır çünkü silikon-izolatör (SOI) fotoniklerin benimsenmesini hızlandıran yüksek hacimli uygulamalar mevcut değildir.
Son iki on yılda, silikon tabanlı PIC’ler akademik araştırmadan veri merkezlerinde yaygın kullanıma hızlı bir şekilde geçti; bu geçiş, SOI wafer’ların maliyet etkinliği ve yüksek hacimli bulunabilirliği sayesinde gerçekleşti. Akıllı kesim (smart-cut) teknikleriyle hazırlanan bu SOI wafer’lar, silikon fotonik üretimini mümkün kıldı ve daha da önemlisi tüketici mikroelektroniklerinde geniş çapta kullanılmaktadır.
Bağlam vermek gerekirse, her yıl dünya genelinde 300 mm çapında 3 milyondan fazla SOI wafer üretilmektedir.
Ancak, elektro-optik PIC’ler için lityum tantalat (LiTaO3) kullanan son çalışma sayesinde, durum nihayetinde değişebilir.
LiTaO3, kristal yapısı bakımından LiNbO3’e benzer ancak Nb yerine daha ağır Ta atomları içerir; bu, daha yüksek kütle yoğunluğu ve daha güçlü kimyasal bağlar sağlayarak dayanıklılık ve kimyasal stabiliteyi artırır. Daha geniş optik bant aralığı, görünür ve hatta ultraviyole dalga boyu aralığına doğrusal olmayan optik dönüşümü mümkün kılar ve optik anizotropiyi büyük ölçüde azaltarak mod karışımını bastırır.
Ayrıca, her iki malzemenin modülasyon verimliliğinin neredeyse aynı olması beklenirken, LiTaO3’ün daha yüksek optik hasar eşiği, yüksek güçlü uygulamalar için çok önemli kılar.
Zaten ticari 5G radyo frekans filtrelerinde yaygın olarak kullanılan LiTaO3, yılda 750.000 lityum tantalat-izolatör (LTOI) wafer üretim kapasitesine ulaşması öngörülmekte ve bu da LiTaO3 tabanlı PIC’lerin düşük maliyetli ölçeklenebilir üretimini mümkün kılabilir.
LiTaO3 PIC’ler için Ölçeklenebilir Üretim
Son çalışma, Nature dergisinde yayınlandı ve İsviçre Ulusal Bilim Vakfı (SNSF) ve Avrupa Araştırma Konseyi (ERC) tarafından finanse edildi; büyük hacimli ve düşük maliyetli elektro-optik PIC’lerin üretiminde ölçeklenebilirliği sağlama konusunda ilerleme kaydediyor ve bu ileri teknoloji, gelecekteki dünyaya daha iyi hizmet edecek.
Bu, lityum niyobata (LN) yakın bir malzeme olan lityum tantalat sayesinde mümkün oldu — oksijen, lityum ve niyobat içeren çok işlevli bir ferroelectric kristal olup modern fotoniğin temeli ve optik modülatörler, mobil telefonlar, optik dalakılavuzlar ve piezoelektrik sensörler için kilit bir malzemedir.
Lityum niyobat (LiNbO3) gibi, lityum tantalat (LiTaO3) da muhteşem elektro-optik özelliklere sahiptir, ancak ek faydaları da vardır: maliyet ve ölçeklenebilirlik. LiTaO3, LiNbO3’e kıyasla çok daha düşük bir çift kırılma gösterir; bu da yüksek yoğunluklu devreler ve tüm telekomünikasyon bantları üzerinde geniş bantlı çalışma imkanı sağlar.
Telekom endüstrisinin bu malzemeyi 5G radyo frekans filtrelerinde zaten geniş ölçüde kullandığı göz önüne alındığında, LiTaO3 lityum niyobatın engellerini aşmaya yardımcı olabilir.
Dolayısıyla, EPFL’deki bilim insanları, Profesör Tobias J. Kippenberg ve Şanghay Mikrosistem ve Bilgi Teknolojileri Enstitüsü’nde profesör olan Xin Ou liderliğinde, lityum tantalat tabanlı bir PIC platformu oluşturdu.
Bu yeni PIC, LiTaO3’ün doğal özelliklerinden yararlanarak yüksek kaliteli PIC’leri daha ekonomik hale getiriyor ve elektro-optik PIC alanını dönüştürüyor. Çalışma, lityum tantalatın derin ultraviyole (DUV) adımcı tabanlı bir üretim süreci ve lityum tantalat Mach–Zehnder modülatörü (MZM) kullanılarak düşük kayıplı PIC’ler oluşturmak için aşındırılabileceğini gösterdi. Platform ayrıca, fotonik tabanlı mikrodalga sinyal sentezi için umut vaat eden yeni bir yaklaşım olan soliton mikrokombların üretilmesini destekliyor.
Bu büyük başarıyı elde etmek için ekip, SOI üretim hatlarıyla uyumlu bir lityum tantalat wafer bağlama yöntemi geliştirdi.
Araştırmacılar, LiNbO3’ü lityum niyobat-izolatör (LNOI) yapıları haline getirerek son derece yüksek hız ve düşük voltajlı tamamen yeni bir elektro-optik PIC sınıfı sağladı. Çalışmaya göre, bu PIC’ler geleceğin enerji verimli iletişim sistemlerinin ayrılmaz bir parçası haline gelebilir.
Üretim, akıllı kesim (smart-cut) tekniği kullanılarak gerçekleştirildi. LTOI’nin bu üretimi, SOI wafer’ların yüksek hacimli ticari üretimiyle daha yakından uyumlu olup, daha yüksek verimlilik ve daha düşük üretim maliyetleri sunar.
Sonra ekip, wafer’ı karbonla maskeladı ve ardından modülatörleri, optik dalakılavuzları ve üstün kalitede faktör mikrorezonatörleri aşındırmaya başladı. Wafer’ı aşındırmak için iki tekniği birleştirdiler: kontrollü ışıkla desen oluşturmayı içeren DUV fotolitografi ve iyonlara maruz bırakarak malzeme kaldırmayı sağlayan kuru aşındırma. Başlangıçta lityum niyobat için geliştirilen bu aşındırma süreci, daha sert ve daha inert lityum tantalatı aşındırmak için daha sonra uyarlanmıştır.
Aşındırma, optik kayıpları en aza indirecek şekilde uyarlanmış olup, fotonik devrelerde yüksek performans elde etmek için kritik öneme sahiptir.
Sonuç olarak, araştırmacılar yüksek verimli ve telekom dalga boyunda sadece 5,6 dB/m optik kayıp oranına sahip lityum tantalat PIC’ler üretmeyi başardılar.
Yukarıda belirtildiği gibi, yüksek hızlı optik fiber iletişimde şu anda kullanılan elektro-optik MZM, bu çalışmanın bir diğer öne çıkan özelliğiydi. Lityum tantalat MZM’nin elektro-optik bant genişliği 40 GHz’ye ulaşırken, yarım dalga voltaj-uzunluk çarpanı 1,9 V·cm olarak sağlandı. Çalışmaya göre:
“İşlemimiz tamamen wafer ölçeğinde ve derin ultraviyole fotolitografi temelli olup, LTOI wafer üretiminin ölçeğini 5G filtreleri için kullanabilen yüksek performanslı elektro-optik PIC’lerin ölçeklenebilir üretiminin temelini atmaktadır.”
Bu şekilde, çalışmanın LTOI PIC’leri, veri merkezi bağlantıları, uzun mesafe optik iletişim ve kuantum fotoniği gibi alanlarda büyük potansiyele sahip köklü LNOI teknolojisine benzer kayıp ve elektro-optik performans elde ediyor. Çalışmanın yazarı Chengli Wang’a göre:
“Çalışma, yüksek verimli elektro-optik performansı korurken soliton mikrokombları da üretebildi. Bu soliton mikrokomblar, büyük sayıda koherent frekans içerir ve elektro-optik modülasyon yetenekleriyle birleştirildiğinde, paralel koherent LiDAR ve fotonik bilişim gibi uygulamalar için özellikle uygundur.”
Lityum Tantalat PIC’lerin Geniş Gerçek Dünya Uygulamaları
Lityum tantalat (LiTaO3) kullanılarak fotonik entegre devrelerin (PIC’ler) geliştirilmesi, çeşitli alanlarda çok sayıda gerçek dünya uygulamasına sahip olduğu için büyük bir başarıdır. Bu atılımdan faydalanabilecek başlıca alanlar arasında, bu PIC’leri büyük veri trafiğini yönetmek ve gecikmeyi azaltmak için kullanabilecek veri merkezleri yer alıyor.
Telekomünikasyonda, lityum tantalatlar zaten kullanılmaktadır. Bunları PIC’lere entegre ederek, en yeni kablosuz iletişim sistemlerine geçişi hızlandırabiliriz. Bu arada, MZM’ler optik fiber ağlarında veri iletim hızlarını artırabilir.
Bilgisayar teknolojisi, bu PIC’lerin sunduğu ultra yüksek hızın işlem yeteneklerine yardımcı olabileceği bir diğer alandır; kuantum bilişim ise lityum tantalat PIC’lerin yüksek verimliliği ve düşük çift kırılmasından faydalanabilir. Tüketici elektroniği de lityum tantalat PIC’leri daha iyi cihaz performansı için kullanabilecek bir başka alandır.
Ayrıca, otonom araçlar, tarım, hava durumu, navigasyon, biyolojik çeşitlilik, haritalama ve daha birçok alanda kullanılmak üzere daha hassas hale getirilebilecek LiDAR (Işık Algılama ve Ölçüm) bulunmaktadır.
Faydalanabilecek diğer endüstriler arasında, tıbbi, endüstriyel ve çevresel izleme alanlarında kullanılan sensörler ve gelişmiş PIC’lerin erken tanı ve tedavi planlamasına yardımcı olabileceği sağlık sektörü yer alıyor.
Gördüğümüz gibi, lityum tantalatın benzersiz özelliklerinden yararlanmak, PIC’lerin geliştirilmiş performans, ölçeklenebilirlik ve maliyet etkinliği sunmasını sağlar. Bu avantajlar, yüksek hızlı ve yüksek verimli optik çözümler gerektiren geniş bir uygulama yelpazesi için lityum tantalat tabanlı PIC’leri son derece uygun kılar.
Bu İlerlemeden Yararlanabilecek Şirketler
Yukarıda bahsettiğimiz gibi, PIC’lerdeki son ilerleme derin kullanım senaryolarına sahiptir; şimdi, bu yeni teknolojiden yararlanabilecek birkaç şirkete bir göz atalım:
#1. Lumentum Holdings Inc. (LITE)
Lumentum, lazerler ve iletişim pazarını Lasers ve OpComms segmentleri aracılığıyla kapsayan optik ve fotonik ürün sağlayıcısıdır. Şirketin piyasa değeri 3,12 milyar dolar, hisseleri (LITE: NASDAQ) ise yılbaşından bu yana %11,71 düşüşle 46,28 dolar seviyesinde işlem görüyor. EPS (TTM) -5,26, P/E (TTM) -8,81.
LITE Fiyat Grafiği
Son çeyrek sonuçları için, Lumentum net gelirinin 366,5 milyon dolar olduğunu ve tahminlerin biraz üzerinde olduğunu bildirdi. Ancak, önceki çeyrekten bir düşüş yaşandı; bu kısmen telekom müşterilerinin karşılaştığı stok sorunlarından kaynaklandı.
GAAP dışı net gelir 19,6 milyon dolar iken, GAAP net zararı 127 milyon dolar oldu. GAAP brüt marjı %16,2’ye düşerken, GAAP dışı brüt marj %32,6’ya geriledi. Şirketin toplam nakit, nakit benzerleri ve kısa vadeli yatırımları da, dönüştürülebilir tahvillere yapılan 323 milyon dolarlık geri ödeme nedeniyle 870,9 milyon dolara düştü.
CEO Alan Lowe, ancak telekom sektörünün toparlanması konusunda iyimser ve şirketin AI destekli bulut veri merkezlerine artan talebi değerlendirme yeteneğine güven duyduğunu belirtti.
#2. Infinera Corporation (INFN)
Infinera Corporation , işletmelere, hükümetlere, taşıyıcılara ve bulut operatörlerine gelişmiş optik yarı iletkenler ve optik ağ çözümleri sağlar. Şirketin piyasa değeri 1,27 milyar dolar ve hisseleri yılbaşından bu yana %14,95 artışla 5,46 dolar seviyesinde işlem görüyor. EPS (TTM) -0,34, P/E (TTM) -16,04.
2024’ün 2. çeyreği için şirket, önceki çeyrek 453,5 milyon dolar iken, GAAP gelirinin 306,9 milyon dolar olduğunu bildirdi. GAAP brüt marjı %36,0 iken, bu oran 4Ç23’te %38,6 ve 1Ç23’te %37,5’ten bir düşüş gösterdi. Çeyrek için GAAP operasyonel marj %14, GAAP net zararı ise 61,4 milyon dolar oldu.
GAAP dışı brüt marj %36,6, GAAP dışı operasyonel marj %8,4 ve GAAP dışı net zarar 38,3 milyon dolar idi. Şirket, çeyrek sonunda nakit, nakit benzerleri ve kısıtlı nakit olarak 192,2 milyon dolar ile sona ermek için 24 milyon dolar operasyonel nakit akışı ve 16 milyon dolar serbest nakit akışı üretti.
CEO David Heard, 1Ç24’ü önemli bir çeyrek olarak nitelendirdi; bu çeyrek, önemli müşteri, RFP ve tasarım kazanım ivmesiyle işaretlendi.
Son Düşünceler
Silikon fotonik tabanlı PIC’ler, geçmiş on yıllarda telekomünikasyon ve veri merkezlerinde yaygın kullanım ile dünyayı yönlendirmişken, bir sonraki nesil PIC’lerin sahneye çıkmasıyla durum daha da ilginçleşecek.
Elektro-optik malzemelere dayalı ultra yüksek hızlı PIC’ler, enerji verimli veri merkezlerinde, 5G ve 6G radyo frekans filtrelerinde, optik iletişimde ve en önemlisi AI iş yüküne dayalı yüksek performanslı bilişimde daha büyük bir rol oynayacak.
Tabii ki bunun gerçekleşmesi için ölçeklenebilir, düşük maliyetli üretime ihtiyaç var; son çalışma LiTaO3 kullanarak bunu başardı ve LiTaO3 bazı durumlarda LiNbO3’ten üstün. Mevcut üretim hatlarıyla uyumlu olması, bu yeni yöntemi son derece cazip kılıyor. Bu, endüstriler genelinde geniş uygulama alanına sahip düşük maliyetli yeni nesil elektro-optik PIC’ler vaat ediyor.
