İletişimden Veri Merkezlerine ve Daha Fazlasına - Yükselen Endüstriye Çığır Açan Fotonik Entegre Devre Seti

Yeni bir çalışma, suda çözünmeyen diyamanyetik bir katı olan inorganik bileşik lityum tantalat (LiTaO3) kullanılarak ölçeklenebilir fotonik entegre devrelerin geliştirildiğini ortaya çıkardı. EPFL'deki araştırmacılar, yaygın ticari uygulama potansiyeli olan optik teknolojilerde önemli ilerlemeler kaydetti.

Fotonik entegre devre (PIC), elektron akışını kolaylaştıran transistörler, indüktörler ve dirençler gibi elektrikli bileşenler yerine ışık veya fotonlar kullanan fotonik bileşenler içeren bir mikroçiptir. Fotonik çipler, fotonları işlemek için lazerler, dalga kılavuzları ve polarizörler gibi optik bileşenleri kullanır. 

Fotonik çip, bilgiyi işlemek ve dağıtmak için elektronlar yerine fotonları kullanır. Elektrik yerine ışığın kullanılması, bu teknolojinin ısı üretimi gibi elektronik sınırlamalarının üstesinden gelmesine olanak tanır.

Bu PIC'lerin düşük termal etkiler, geniş entegrasyon kapasitesi, minyatürleştirme ve daha yüksek hız avantajlarını sunmasına olanak tanır. Aynı zamanda PIC'ler mevcut işlem akışlarıyla uyumludur ve daha düşük fiyatlara, hacimli üretime ve yüksek verime olanak tanır. 

Sonuç olarak, PIC'ler otomotivden astronomiye, algılamaya, biyomedikal ve veri iletişimine kadar geniş bir endüstri yelpazesinde uygulama alanı buldu. Bilim insanları ve araştırmacılar PIC'leri geliştirmek için üzerinde çalışmaya devam ettikçe, daha da fazla uygulama görebilir ve yeni bir teknolojik çağa işaret edebilirler.

Bugüne kadar PIC'ler bilgi işlem sistemlerinde ve optik iletişimde devrim yarattı. Bununla birlikte, silikon bazlı PIC'ler, maliyet etkinlikleri ve mevcut yarı iletken üretim teknolojileriyle entegre olma yetenekleri nedeniyle şu ana kadar pazara liderlik ediyor.

Silikon bazlı PIC'lerin elektro-optik modülasyon bant genişliği sınırlamalarına rağmen, yalıtkan üzerinde silikon optik alıcı-verici yongaları geniş çapta ticarileştirildi. Ancak son zamanlarda, yüksek hızlı optik modülasyon için gerekli olan üstün Pockels katsayısıyla bilinen yalıtkan üzerinde lityum niyobat (LNOI) levha platformları dikkat çekmeye başladı.

Lityum niyobat (LiNbO3) bazlı elektro-optik PIC'ler, güçlü Pockels katsayıları nedeniyle geniş yetenekler sergiler, yüksek performanslı bilgi işlemde, yapay zeka için fotonik hızlandırıcılarda ve veri merkezi iletişiminde kullanım alanı bulur.

Bununla birlikte, lityum niyobatın henüz daha geniş bir benimsenme ve ticari entegrasyon görmemesinin bir nedeni var. Bunun nedenleri karmaşık üretim gereklilikleri, sınırlı levha boyutu ve levha başına yüksek maliyet olup endüstriyel kullanımını sınırlamaktadır.

Teknoloji pahalı çünkü yalıtkan üzerinde silikon (SOI) fotoniklerinin benimsenmesini hızlandıran uygulamalar gibi yüksek hacimli uygulamalar mevcut değil. 

Son yirmi yılda silikon bazlı PIC'ler, SOI yonga levhalarının maliyet etkinliği ve yüksek hacimli kullanılabilirliği sayesinde akademik araştırmalardan veri merkezlerinde yaygın kullanıma hızla geçiş yaptı. Akıllı kesim teknikleri kullanılarak hazırlanan bu SOI plakaları, silikon fotoniklerin üretimini mümkün kıldı ve daha da önemlisi tüketici mikroelektroniğinde yaygın olarak kullanıldı. 

Bağlamda açıklamak gerekirse, dünya çapında her yıl 3 mm çapında 300 milyondan fazla SOI levha üretiliyor.

Ancak elektro-optik PIC'ler için lityum tantalatın (LiTaO3) kullanıldığı son çalışma sayesinde işler nihayet değişebilir. 

Kristal yapısı bakımından LiNbO3'e benzeyen ancak Nb'nin yerini daha ağır Ta atomlarının aldığı LiTaO3, daha yüksek kütle yoğunluğu ve daha güçlü kimyasal bağlar sunarak gücü ve kimyasal stabiliteyi artırır. Daha büyük optik bant aralığı aynı zamanda görünür ve hatta ultraviyole dalga boyu aralığına doğrusal olmayan optik dönüşüm sağlar ve mod karışımını baskılayan büyük ölçüde azalmış bir optik anizotropi gösterir.

Ayrıca her iki malzemenin modülasyon verimliliği bekleniyor Neredeyse aynı olsa da LiTaO3'ün daha büyük optik hasar eşiği, onu yüksek güçlü uygulamalar için çok önemli kılıyor.

Halihazırda ticari 5G radyofrekans filtrelerinde yaygın olarak kullanılan LiTaO3 öngörülüyor Yılda 750,000 lityum tantalat-üzerinde-yalıtkan (LTOI) levha üretim kapasitesine ulaşmak, potansiyel olarak LiTaO3 bazlı PIC'lerin düşük maliyetli ölçeklenebilir üretimini mümkün kılmak. 

Ölçeklenebilir Üretim için LiTaO3 PIC'ler

En son çalışma, yayınlanan Nature dergisinde yayınlanan ve İsviçre Ulusal Bilim Vakfı (SNSF) ve Avrupa Araştırma Konseyi (ERC) tarafından finanse edilen şirket, gelişmiş ve ihtiyaçlara cevap verecek büyük hacimli ve düşük maliyetli elektro-optik PIC'lerin üretiminde ölçeklenebilirlik sağlama konusunda ilerleme kaydediyor. geleceğin dünyasını daha iyi bir şekilde

Bu, modern fotoniğin temeli olan ve optik modülatörler için önemli bir malzeme olan, oksijen, lityum ve niyobyumdan oluşan çok işlevli bir ferroelektrik kristal olan lityum niyobat (LN) ile yakından ilişkili bir malzeme olan lityum tantalat yardımıyla mümkün oldu. cep telefonları, optik dalga kılavuzları ve piezoelektrik sensörler.

Lityum niyobat (LiNbO3) gibi lityum tantalat (LiTaO3) da olağanüstü elektro-optik niteliklere sahiptir, ancak aynı zamanda ek faydaları da vardır: maliyet ve ölçeklenebilirlik. LiTaO3 ayrıca, LiNbO3'e kıyasla tüm telekomünikasyon bantlarında yüksek yoğunluklu devrelere ve geniş bant çalışmasına olanak tanıyan çok daha düşük bir çift kırılma sergiliyor.

Telekom endüstrisinin bu malzemeyi halihazırda 5G radyofrekans filtrelerinde yaygın olarak kullandığı göz önüne alındığında, LiTaO3, lityum niyobatın engellerinin aşılmasına yardımcı olabilir.

Böylece, Profesör Tobias J. Kippenberg ve Şangay Mikrosistem ve Bilgi Teknolojileri Enstitüsü'nde profesör olan Xin Ou liderliğindeki EPFL'deki bilim adamları, lityum tantalat bazlı bir PIC platformu oluşturdular.

Bu yeni PIC, yüksek kaliteli PIC'leri ekonomik olarak daha uygun hale getirmek için LiTaO3'ün doğal özelliklerinden yararlanıyor ve elektro-optik PIC alanını dönüştürüyor. Çalışma, lityum tantalatın, derin bir ultraviyole (DUV) stepleyicinin yanı sıra bir lityum tantalat Mach-Zehnder modülatörünü (MZM) temel alan bir üretim süreci kullanılarak düşük kayıplı PIC'ler oluşturmak üzere kazınabileceğini gösterdi. Platform aynı zamanda fotonik tabanlı mikrodalga sinyal sentezi için umut verici yeni bir yaklaşım olan soliton mikro peteklerin üretimini de destekliyor.

Bu büyük başarıya ulaşmak için ekip, lityum tantalat için SOI üretim hatlarıyla çalışan bir levha yapıştırma yöntemi geliştirdi. 

Araştırmacılar, son derece yüksek hız ve düşük voltaja sahip tamamen yeni bir elektro-optik PIC sınıfı sağlamak için LiNbO3'ü yalıtkan lityum niyobat (LNOI) yapılarına dönüştürdü. Araştırmaya göre bu PIC'ler gelecekteki enerji verimli iletişim sistemlerinin ayrılmaz bir parçası haline gelebilir. 

Fabrikasyon yapıldı Akıllı kesim tekniğini kullanarak. Bu LTOI uydurması daha yakından hizalanmıştır SOI levhalarının yüksek hacimli ticari üretimi ile daha yüksek verimlilik ve daha düşük üretim maliyetleri sunuluyor. 

Daha sonra ekip, levhayı karbonla maskeledi ve ardından yüksek kalitede modülatörleri, optik dalga kılavuzlarını ve faktör mikrorezonatörlerini aşındırmaya başladı. Plakayı aşındırmak için iki tekniği birleştirdiler: Kontrollü ışık kullanarak desenler oluşturmayı içeren DUV fotolitografi ve malzemenin iyonlara maruz bırakılarak çıkarılmasını içeren kuru aşındırma. Başlangıçta lityum niyobat için geliştirildi, bu aşındırma işlemi daha sonra uyarlandı daha sert ve daha atıl lityum tantalatı aşındırmak için. 

Aşındırma, fotonik devrelerde yüksek performans elde etmede kritik olan optik kayıpları en aza indirecek şekilde uyarlandı.

Sonuç olarak araştırmacılar, yüksek verimliliğe sahip ve telekom dalga boyunda yalnızca 5.6 dB/m optik kayıp oranına sahip olan lityum tantalat PIC'lerin üretilmesinde başarılı oldular. 

Yukarıda belirtildiği gibi, şu anda yüksek hızlı fiber optik iletişimde kullanılan elektro-optik MZM, bu çalışmanın bir diğer öne çıkan özelliğiydi. Lityum tantalat MZM'nin elektro-optik bant genişliği 40 GHz'e ulaşırken, 1.9 V cm yarım dalga voltaj uzunluğunda bir ürün sunuyor. Araştırmaya göre:

"Sürecimiz tamamen levha ölçeğinde ve derin morötesi fotolitografiye dayanıyor ve 5G filtreler için LTOI levha üretimi ölçeğinden yararlanabilecek yüksek performanslı elektro-optik PIC'lerin ölçeklenebilir üretiminin temelini atıyor."

Bu şekilde, çalışmanın LTOI PIC'leri, veri merkezi ara bağlantılarında, uzun mesafeli optik iletişimlerde ve kuantum fotoniklerinde kullanım için büyük potansiyele sahip köklü LNOI teknolojisine benzer kayıp ve elektro-optik performans elde ediyor. Araştırmanın yazarı Chengli Wang'a göre:

"Çalışma, yüksek verimli elektro-optik performansı korurken soliton mikro petek üretmeyi de başardı. Bu soliton mikro petekler çok sayıda tutarlı frekansa sahiptir ve elektro-optik modülasyon yetenekleriyle birleştirildiğinde paralel tutarlı LiDAR ve fotonik hesaplama gibi uygulamalar için özellikle uygundur.

Lityum Tantalat PIC'lerin Kapsamlı Gerçek Dünya Uygulamaları

Lityum tantalat (LiTaO3) kullanılarak fotonik entegre devrelerin (PIC'ler) geliştirilmesi, çeşitli alanlardaki sayısız gerçek dünya uygulamaları göz önüne alındığında büyük bir başarıdır. Bu ilerlemeden yararlanabilecek bazı önemli alanlar arasında, büyük miktarlarda veri trafiğini yönetmek ve gecikmeyi azaltmak için bu PCI'leri kullanabilen veri merkezleri yer alıyor. 

Telekomünikasyonda lityum tantalatlar halihazırda kullanılıyor Kullanılan. Bunları PIC'lere entegre ederek son teknoloji kablosuz iletişim sistemlerine geçişi kolaylaştırabiliriz. Bu arada MZM'ler fiber optik ağlarda veri iletim hızlarını artırabilir.

Bilgi işlem, bu PIC'lerin sunduğu ultra yüksek hızın işleme yeteneklerine yardımcı olabileceği başka bir alandır., süre kuantum hesaplama, lityum tantalat PIC'lerin yüksek verimliliğinden ve düşük çift kırılımından yararlanabilir. Tüketici elektroniği, daha iyi cihaz performansı için lityum tantalat PIC'leri kullanabilen başka bir alandır.

Ayrıca otonom araçlar, tarım, hava durumu, navigasyon, biyolojik çeşitlilik, haritalama ve çok daha fazlasında kullanım için daha doğru hale getirilebilecek LiDAR (Işık Algılama ve Mesafe Belirleme) var.

Fayda sağlayacak diğer sektörler arasında sensörler yer alıyor. kullanılıyor Gelişmiş PIC'lerin erken teşhis ve tedavi planlamasına yardımcı olabileceği tıbbi, endüstriyel ve çevresel izleme ve sağlık hizmetlerinde.

Gördüğümüz gibi, lityum tantalat'ın benzersiz özelliklerinden yararlanmak PIC'lerin gelişmiş performans, ölçeklenebilirlik ve maliyet etkinliği sunmasına olanak tanır. Bu avantajlar, lityum tantalat bazlı PIC'leri, yüksek hızlı, yüksek verimli optik çözümler gerektiren çok çeşitli uygulamalar için oldukça uygun hale getirir.

Lazerlerin önümüzdeki yıllarda neden önemli bir rol oynayacağını öğrenmek için burayı tıklayın.

Bu Gelişmeden Yararlanabilecek Şirketler 

PIC'lerdeki en son gelişmelerin derin kullanım alanları var, yukarıda da bahsettiğimiz gibi, şimdi bu yeni teknolojiden yararlanabilecek birkaç şirkete göz atalım:

# 1. Lumentum Holdings Inc. (LITE)

Lumentum, Lazerler ve OpComms segmentleri aracılığıyla lazerler ve iletişim pazarını kapsayan bir optik ve fotonik ürün sağlayıcısıdır. Şirketin piyasa değeri 3.12 milyar dolar iken, hisseleri (LITE: NASDAQ) yılbaşından bu yana %46.28 düşüşle 11.71 dolardan işlem görüyor. EPS (TTM) -5.26, F/K (TTM) -8.81'dir.

Son üç aylık dönemi için SonuçlarLumentum, tahmin edilenin biraz üzerinde 366.5 milyon dolar net gelir bildirdi. Ancak kısmen telekom müşterilerinin karşılaştığı stok sorunları nedeniyle önceki çeyreğe göre bir düşüş yaşandı.

GAAP dışı net gelir 19.6 milyon dolar, GAAP net zararı ise 127 milyon dolar oldu. Bu arada GAAP brüt kar marjı %16.2'ye, GAAP dışı brüt kar marjı ise %32.6'ya düştü. Şirketin toplam nakit, nakit benzerleri ve kısa vadeli yatırımları da 870.9 milyon dolarlık dönüştürülebilir senet geri ödemesi nedeniyle 323 milyon dolara düştü.

Ancak CEO Alan Lowe, telekom sektörünün toparlanması konusunda iyimser ve şirketin yapay zeka destekli bulut veri merkezlerine yönelik artan talepten yararlanma becerisine güvendiğini ifade etti.

# 2. Infinera Şirketi (INFN)

Infinera Corporation, işletmelere, hükümetlere, operatörlere ve bulut operatörlerine gelişmiş optik yarı iletkenler ve optik ağ çözümleri sunmaktadır. Şirketin piyasa değeri 1.27 milyar dolar ve hisseleri YTD'ye göre %5.46 artışla 14.95 dolardan işlem görüyor. EPS (TTM) -0.34, F/K (TTM) -16.04'tür. 

Şirket, 2 yılının 2024. çeyreği için rapor GAAP geliri önceki çeyrekteki 306.9 milyon dolardan 453.5 milyon dolara düştü. GAAP brüt kar marjı ise yine 36.0Ç38.6'teki %4 ve 23Ç37.5'teki %1'ten düşüşle %23 oldu. Bu çeyrekte GAAP işletme marjı %14 ve GAAP net zararı 61.4 milyon dolardı.

GAAP dışı brüt kar %36.6, GAAP dışı faaliyet marjı %8.4 ve GAAP dışı net zarar 38.3 milyon dolardı. Şirket, çeyreği 24 milyon $'lık nakit, nakit benzerleri ve kısıtlı nakit ile tamamlayarak 16 milyon $'lık işletme nakit akışı ve 192.2 milyon $'lık serbest nakit akışı elde etti.

CEO David Heard, 1Ç24'ü önemli müşteri, RFP ve tasarım kazanma ivmesinin damgasını vurduğu önemli bir çeyrek olarak nitelendirdi. 

Sonuç Düşünceler

Silikon fotoniğe dayalı PIC'ler son yıllarda telekomünikasyon ve veri merkezlerinde yaygın kullanımıyla dünyaya öncülük ederken, yeni nesil PIC'lerin piyasaya sürülmesiyle işler daha da ilginçleşecek. 

Elektro-optik malzemelere dayanan ultra yüksek hızlı PIC'ler, enerji tasarruflu veri merkezlerinde, 5G ve 6G radyo frekansı filtrelerinde, optik iletişimde ve en önemlisi yapay zeka iş yüküne dayalı yüksek performanslı bilgi işlemde daha büyük bir rol oynayacak.

Elbette bunun gerçekleşebilmesi için ölçeklenebilir, düşük maliyetli üretime ihtiyacımız var; son çalışma bunu bazı durumlarda LiNbO3'ten daha üstün olan LiTaO3 kullanarak gerçekleştirdi. Mevcut üretim hatlarıyla uyumlu olması bu yeni yöntemi son derece cazip kılıyor. Endüstrilerde geniş uygulanabilirliğe sahip, düşük maliyetli yeni nesil elektro-optik PIC'ler vaat ediyor. 

Yeni fononik araştırmalarının iletişim cihazlarında nasıl devrim yaratabileceğini öğrenmek için burayı tıklayın.