Révolution de la photonique sur silicium : une technologie à la vitesse de la lumière transforme l’IA, les centres de données et plus encore

La photonique sur silicium utilise des circuits intégrés photoniques (PIC) en silicium pour manipuler la lumière dans le traitement et la communication des données, permettant des interconnexions sur puce et entre puces à des vitesses telles que 100 Gb/s et 400 Gb/s.
Une puce photonique en silicium de la taille d’un ongle peut accueillir des dizaines de canaux laser et, avec le multiplexage en longueur d’onde dense, transporter des térabits de données.
Les interconnexions de centres de données bénéficient de liaisons optiques consommant moins d’énergie et offrant une plus grande densité, avec des prototypes tels que des puces de commutation 51,2 Tb/s avec E/S optiques intégrées déjà démontrés.
En 2024, Ayar Labs a démontré un chiplet optique délivrant 8 Tbps de bande passante utilisant 16 longueurs d’onde, et une levée de fonds Série D fin 2024 a permis de récolter 155 millions de dollars avec la participation de Nvidia, AMD et Intel, portant sa valorisation à plus d’un milliard de dollars.
Intel a externalisé la fabrication de ses émetteurs-récepteurs photoniques sur silicium à Jabil fin 2023 après avoir expédié plus de 8 millions de puces émetteurs-récepteurs photoniques depuis 2016.
InnoLight a démontré un prototype d’émetteur-récepteur optique à 1,6 Tbps fin 2023, avec des modules à 3,2 Tbps attendus d’ici 2026 alors que les liaisons multi-térabits approchent.
L’institut américain AIM Photonics a reçu un programme de 321 millions de dollars sur sept ans jusqu’en 2028 pour faire progresser la fabrication de la photonique intégrée aux États-Unis, permettant la création d’une fonderie et d’une ligne d’assemblage de photonique sur silicium à New York.
En 2023, Broadcom a démontré des prototypes de commutateurs à optique co-packagée de 25,6 Tbps et 51,2 Tbps avec moteurs photoniques laser intégrés.
Lightmatter a levé 400 millions de dollars lors d’une Série D en 2024 pour financer sa plateforme d’accélérateur IA optique, et PsiQuantum a publiquement présenté une feuille de route vers un ordinateur quantique photonique tolérant aux pertes avec sa puce Omega en 2024.
Les analystes prévoient que le marché de la photonique sur silicium atteindra environ 54 milliards de dollars d’ici 2035, dont environ 11 milliards provenant d’applications hors données, principalement portées par les besoins des centres de données pour l’IA.

Qu’est-ce que la photonique sur silicium et comment ça marche ?

La photonique sur silicium est une technologie qui utilise des circuits intégrés photoniques (PICs) à base de silicium pour manipuler la lumière (photons) pour le traitement et la communication. En termes simples, cela signifie construire des dispositifs optiques (comme des lasers, des modulateurs et des détecteurs) sur des puces en silicium, de la même manière que les circuits électroniques sont fabriqués. Ces puces photoniques en silicium peuvent envoyer et recevoir des données à l’aide de la lumière, permettant un transfert de données ultra-rapide avec une large bande passante et une faible perte d’énergie ansys.com. Les composants clés incluent les guides d’ondes (de minuscules « fils » optiques qui guident la lumière sur la puce), les modulateurs (qui codent les données sur les faisceaux lumineux), les lasers (généralement ajoutés via d’autres matériaux puisque le silicium lui-même ne peut pas émettre de lumière), et les photodétecteurs (pour convertir la lumière entrante en signaux électriques) ansys.com. En intégrant ces éléments sur une plateforme en silicium, les ingénieurs tirent parti de la fabrication de semi-conducteurs bien établie (CMOS) pour produire en masse des dispositifs photoniques, combinant la vitesse de la lumière avec l’échelle de la fabrication moderne de puces ansys.com.

Comment ça marche ? Au lieu d’impulsions électriques dans des fils de cuivre, les circuits photoniques en silicium utilisent la lumière laser infrarouge circulant à travers des guides d’ondes à l’échelle du micron. Le silicium est transparent aux longueurs d’onde infrarouges, permettant à la lumière de se propager avec une perte minimale lorsqu’elle est confinée par des matériaux environnants comme le dioxyde de silicium, qui ont un indice de réfraction plus faible ansys.com ansys.com. Les données sont encodées sur ces ondes lumineuses via des modulateurs capables de changer rapidement l’intensité ou la phase de la lumière. À l’autre extrémité, des photodétecteurs sur la puce reconvertissent les signaux optiques en signaux électriques. Parce que la lumière oscille à des fréquences bien plus élevées que les signaux électriques, les interconnexions optiques peuvent transporter beaucoup plus de données par seconde que les fils électriques. Une seule fibre ou guide d’onde minuscule peut transmettre des dizaines ou des centaines de gigabits par seconde, et en utilisant plusieurs longueurs d’onde de lumière (multiplexage en longueur d’onde dense), une seule fibre peut transporter des térabits de données. Concrètement, la photonique sur silicium permet des communications sur puce ou entre puces à des vitesses comme 100 Gb/s, 400 Gb/s ou plus, ce qui nécessiterait autrement de nombreuses lignes de cuivre ou serait tout simplement irréalisable sur de longues distances ansys.com optics.org.

Les dispositifs photoniques en silicium sont compacts, rapides et économes en énergie. La lumière peut voyager dans les guides d’ondes avec une très faible résistance (pas de capacité électrique ni de problèmes de chauffage comme avec le cuivre à haute vitesse), ce qui signifie une consommation d’énergie potentiellement plus faible pour le déplacement des données. Une analyse note que les interconnexions optiques peuvent considérablement atténuer les goulets d’étranglement des données et réduire la chaleur dans les systèmes haute performance – « les interconnexions optiques, rendues possibles par la photonique sur silicium, sont la seule voie évolutive » pour répondre à l’explosion de la demande de bande passante laserfocusworld.com. En résumé, la photonique sur silicium marie la plateforme de puces en silicium à faible coût et produite en masse avec la physique de la lumière, créant une « circuiterie pour photons » sur une puce ansys.com. Cette technologie nous permet de déplacer littéralement les données à la vitesse de la lumière dans des contextes où l’électronique traditionnelle atteint ses limites.

Applications clés de la photonique sur silicium

La photonique sur silicium a commencé dans les communications par fibre optique, mais aujourd’hui c’est une plateforme polyvalente qui trouve des applications dans de nombreux domaines de pointe. Grâce à sa grande vitesse et à son efficacité énergétique, tout domaine ayant besoin de déplacer d’énormes quantités de données (ou de contrôler précisément la lumière) est un candidat. Voici quelques-unes des applications clés :

Centres de données et réseaux cloud à haute vitesse

L’une des applications les plus importantes se trouve à l’intérieur des centres de données et des superordinateurs, où la photonique sur silicium répond au besoin urgent d’interconnexions plus rapides et plus efficaces. Les centres de données cloud modernes et hyperscale data centers gèrent d’énormes flux de données entre les serveurs, les racks et à travers les réseaux de campus. Les câbles en cuivre et les commutateurs électriques traditionnels deviennent de plus en plus un goulot d’étranglement – ils consomment trop d’énergie et ne peuvent pas être étendus au-delà de certaines distances ou vitesses (par exemple, les connexions cuivre à 100 Gb/s ne fonctionnent que sur quelques mètres). Les interconnexions photoniques sur silicium résolvent ce problème en utilisant des fibres optiques et des moteurs optiques embarqués pour relier les serveurs et les commutateurs à des vitesses très élevées avec une perte minimale. Optical transceivers basés sur la photonique sur silicium remplacent déjà ou complètent les connexions électriques pour la communication de rack à rack et même à l’intérieur d’un même rack tanaka-preciousmetals.com.

Cisco et Intel ont été des pionniers dans ce domaine : Cisco conçoit désormais des émetteurs-récepteurs optiques enfichables à haute vitesse utilisant la photonique sur silicium pour connecter les équipements réseau expertmarketresearch.com. Intel a également exploité la photonique sur silicium pour améliorer la connectivité des centres de données, expédiant des millions de puces d’émetteurs-récepteurs optiques 100G et lançant maintenant la production de modules optiques 200G, 400G, et l’échantillonnage de modules 800G tanaka-preciousmetals.com. La motivation est claire : à mesure que les débits doublent de 100G à 200G puis 400G, la portée du cuivre diminue considérablement. « Lorsque vous entrez aujourd’hui dans un centre de données, vous verrez des câbles en cuivre 100 Gb/s reliant les serveurs au switch en haut de rack… Ces câbles conviennent pour environ quatre mètres. Mais tout ce qui dépasse le rack utilise déjà des solutions optiques, » note Robert Blum, directeur principal de la photonique chez Intel, ajoutant que « à mesure que nous augmentons les débits à 200 ou 400 Gb/s, la portée du cuivre devient beaucoup plus courte et nous commençons à observer cette tendance où l’optique va jusqu’au serveur. » tanaka-preciousmetals.com Dans les clusters de calcul haute performance (HPC) et les superordinateurs d’IA, où des milliers de processeurs nécessitent des liaisons à faible latence, les interconnexions optiques fournissent la bande passante nécessaire pour alimenter toutes ces puces en données ansys.com, laserfocusworld.com. En intégrant la photonique au sein du switch et même dans les boîtiers processeurs (ce que l’on appelle l’optique co-packagée), les futurs réseaux de centres de données atteindront des débits bien plus élevés. En fait, des puces de commutation 51,2 Tb/s avec E/S optiques intégrées sont en préparation, et des prototypes ont déjà été démontrés tanaka-preciousmetals.com.

Les avantages pour les centres de données sont significatifs : une consommation d’énergie réduite (les liaisons optiques gaspillent beaucoup moins d’énergie sous forme de chaleur que le transfert d’électrons dans le cuivre à des dizaines de GHz), une densité plus élevée (de nombreux canaux optiques peuvent être multiplexés sans se soucier des interférences électromagnétiques), et une portée plus longue (les signaux optiques peuvent parcourir des kilomètres si nécessaire). Cela signifie que la photonique sur silicium aide les centres de données à augmenter leurs performances sans être limités par les interconnexions. Un analyste de marché a noté que les centres de données axés sur l’IA génèrent une demande sans précédent pour des émetteurs-récepteurs optiques haute performance, affirmant que « la photonique sur silicium et les PIC sont à l’avant-garde de cette révolution, grâce à leur capacité à transmettre des données à des vitesses de 1,6 Tbps et au-delà. » optics.org Concrètement, une seule puce photonique de la taille d’un ongle peut contenir des dizaines de canaux laser, transportant ensemble des térabits de données – un élément essentiel pour l’infrastructure cloud de nouvelle génération.

Accélération de l’IA et de l’apprentissage automatique

L’explosion des charges de travail en IA et en apprentissage automatique est un cas particulier de l’application aux centres de données – elle mérite d’être mentionnée à part car l’IA impose des exigences uniques et a stimulé de nouveaux usages pour la photonique sur silicium. L’entraînement de modèles d’IA avancés (comme les grands modèles de langage qui alimentent les chatbots) implique des calculs massivement parallèles répartis sur de nombreux GPU ou accélérateurs d’IA spécialisés. Ces puces doivent échanger d’énormes quantités de données pour des tâches telles que l’entraînement de modèles, saturant souvent les liaisons électriques conventionnelles. La photonique sur silicium offre un double avantage à l’IA : des interconnexions à large bande passante et même le potentiel du calcul optique.

Du côté de l’interconnexion, des liaisons optiques sont en cours de développement pour connecter directement les puces accélératrices d’IA ou la mémoire à l’aide de la lumière (parfois appelées E/S optiques). En remplaçant le backplane traditionnel du serveur ou la communication GPU-à-GPU par de la fibre optique, les systèmes d’IA peuvent réduire considérablement la latence de communication et la consommation d’énergie. Par exemple, des startups comme Ayar Labs créent des chiplets d’E/S optiques qui se placent à côté des processeurs pour transmettre les données à l’aide de la lumière, éliminant ainsi les faisceaux denses de pistes en cuivre qui seraient autrement nécessaires. En 2024, Ayar Labs a démontré un chiplet optique offrant 8 Tbps de bande passante en utilisant 16 longueurs d’onde de lumière – un aperçu de ce à quoi pourraient ressembler les interconnexions IA de prochaine génération businesswire.com. Les grands fabricants de puces sont attentifs : Nvidia, AMD et Intel ont chacun investi dans Ayar Labs dans le cadre d’un tour de table de 155 millions de dollars, pariant que les interconnexions optiques seront essentielles pour faire évoluer le matériel IA du futur nextplatform.com. Comme l’a plaisanté un journaliste, si vous ne pouvez pas obtenir assez de vitesse simplement en rendant les puces plus rapides, « la meilleure chose dans laquelle investir est probablement une forme d’E/S optique. » nextplatform.com

Au-delà du transfert de données entre puces d’IA, la photonique sur silicium permet également le calcul optique pour l’IA. Cela signifie effectuer certains calculs (comme les multiplications de matrices dans les réseaux neuronaux) à l’aide de la lumière plutôt que de l’électricité, ce qui pourrait potentiellement contourner certaines des limitations de vitesse et d’énergie des accélérateurs électroniques d’IA actuels. Des entreprises telles que Lightmatter et Lightelligence ont construit des prototypes de processeurs photoniques qui utilisent l’interférence de la lumière dans des guides d’ondes en silicium pour calculer des résultats en parallèle. Fin 2024, Lightmatter a levé la somme remarquable de 400 millions de dollars lors d’un tour de table de série D (portant sa valorisation à 4,4 milliards de dollars) pour faire progresser sa technologie de calcul optique nextplatform.com. Bien qu’encore émergents, ces accélérateurs IA photoniques promettent une exécution ultra-rapide et à faible latence des réseaux neuronaux avec une consommation d’énergie bien moindre, puisque les photons génèrent très peu de chaleur comparé aux milliards de commutations de transistors.

Dans l’ensemble, à mesure que les modèles d’IA gagnent en taille et en complexité (et nécessitent des grappes de dizaines de milliers de puces), la photonique sur silicium est considérée comme un « changement de paradigme » capable de surmonter les goulets d’étranglement de communication dans l’infrastructure de l’IA laserfocusworld.com. Elle offre un moyen d’augmenter la bande passante entre les processeurs de façon linéaire selon la demande, ce qui est difficile pour les connexions électriques. Les observateurs de l’industrie prédisent que les technologies optiques (comme les optiques co-packagées, les liaisons optiques puce-à-puce, et peut-être les éléments de calcul photoniques) deviendront la norme dans les systèmes d’IA dans les prochaines années – et non plus une simple expérimentation de niche. En fait, selon une estimation, les centres de données d’IA croîtront si rapidement (50 % de TCAC en consommation d’énergie) que d’ici 2030, ils pourraient devenir intenables avec les E/S électriques existantes, faisant de la photonique sur silicium « une partie indispensable de notre future infrastructure » pour maintenir l’évolutivité de l’IA laserfocusworld.com.

Télécommunications et réseaux

La photonique sur silicium trouve ses origines dans les télécommunications, et elle continue de révolutionner la façon dont nous transmettons les données sur de longues distances. Dans les réseaux de télécommunications à fibre optique – qu’il s’agisse de l’ossature d’Internet, de câbles sous-marins, ou de réseaux métropolitains et d’accès – la photonique intégrée est utilisée pour fabriquer des émetteurs-récepteurs optiques plus petits, plus rapides et moins coûteux. Les systèmes de communication optique traditionnels reposaient souvent sur des composants discrets (lasers, modulateurs, détecteurs assemblés individuellement), mais l’intégration photonique sur silicium permet de regrouper bon nombre de ces composants sur une seule puce, améliorant la fiabilité et réduisant les coûts d’assemblage tanaka-preciousmetals.com.

Aujourd’hui, les modules émetteurs-récepteurs optiques utilisant la photonique sur silicium sont courants dans les interconnexions de centres de données et sont de plus en plus adoptés dans l’infrastructure télécom pour le 100G, 400G et au-delà. Par exemple, des entreprises comme Infinera et Cisco (Acacia) ont développé des émetteurs-récepteurs optiques cohérents utilisant la photonique sur silicium pour des liaisons 400G et 800G dans les réseaux télécoms. Les réseaux sans fil haut débit & 5G/6G en bénéficient également – les liaisons fibre qui relient les tours cellulaires ou transportent les données de fronthaul/backhaul peuvent être rendues plus efficaces grâce à la photonique sur silicium. Intel a souligné que la photonique sur silicium jouera un rôle dans les « déploiements 5G de prochaine génération utilisant des formats plus compacts et des vitesses plus élevées, de 100G aujourd’hui à 400G et au-delà demain » expertmarketresearch.com. La capacité d’intégrer des dizaines de longueurs d’onde laser sur une puce est utile pour les systèmes de multiplexage en longueur d’onde dense (DWDM), que les opérateurs télécoms utilisent pour entasser plus de canaux sur chaque fibre. En 2023, une entreprise chinoise, InnoLight, a même démontré un émetteur-récepteur optique 1,6 Tb/s (utilisant plusieurs longueurs d’onde et une modulation avancée) – un signe que les liaisons optiques multi-térabits sont à l’horizon proche optics.org.

Une autre application réseau concerne les équipements de routage et de commutation cœur de réseau. Les routeurs haut de gamme et les plateformes de commutation optique commencent à utiliser des circuits photoniques sur silicium pour des fonctions telles que la commutation optique, le routage de signaux, et même le filtrage de longueurs d’onde sur puce. Par exemple, de grands fabrics de commutation photonique sur silicium ont été prototypés, utilisant des MEMS en silicium ou des effets thermo-optiques pour commuter rapidement les chemins lumineux, permettant potentiellement une commutation de circuits tout-optique. Ceux-ci pourraient éventuellement être utilisés dans les réseaux de centres de données pour reconfigurer optiquement les connexions à la volée (Google a laissé entendre l’utilisation de commutateurs optiques dans certains de ses clusters IA) nextplatform.com.

Globalement, dans les télécommunications, les objectifs sont une capacité plus élevée et un coût par bit plus bas. La photonique sur silicium contribue en augmentant la capacité de la fibre optique (100G → 400G → 800G et 1,6T par longueur d’onde) et en réduisant les coûts de fabrication grâce aux procédés de fabrication CMOS. Il est révélateur que la division photonique sur silicium d’Intel, avant sa restructuration, ait expédié plus de 8 millions de puces de transceivers photoniques de 2016 à 2023 pour des usages dans les centres de données et les réseaux optics.org. Et les collaborations industrielles se multiplient : par exemple, Intel a annoncé fin 2023 qu’il transférerait la fabrication de ses transceivers à Jabil (un sous-traitant) pour augmenter encore la production optics.org. Pendant ce temps, des géants des composants optiques comme Coherent (anciennement II-VI) et des fournisseurs télécoms traditionnels (Nokia, Ciena, etc.) investissent tous dans la photonique sur silicium pour les modules optiques de prochaine génération optics.org. La technologie devient une pierre angulaire à la fois de l’infrastructure physique de l’Internet et de l’écosystème en évolution rapide des communications 5G/6G.

Détection et LiDAR

La photonique sur silicium ne concerne pas seulement les communications – elle permet aussi de nouveaux types de capteurs grâce à un contrôle précis de la lumière sur puce. Un domaine passionnant est celui de la détection biochimique et environnementale. Les capteurs photoniques sur silicium peuvent détecter de minuscules changements d’indice de réfraction ou d’absorption lorsqu’un échantillon (comme une goutte de sang ou une vapeur chimique) interagit avec un faisceau lumineux guidé. Par exemple, une puce photonique sur silicium pourrait comporter un minuscule résonateur en anneau ou un interféromètre qui change de fréquence lorsque certaines molécules s’y lient. Cela permet une détection de type « laboratoire sur puce » de biomarqueurs – protéines, ADN, gaz, etc. – avec une grande sensibilité et potentiellement à faible coût. De tels biocapteurs photoniques pourraient être utilisés pour le diagnostic médical, la surveillance environnementale ou même des applications de « nez artificiel » optics.org optics.org. Les avantages de la miniaturisation et de l’intégration sont essentiels : une seule puce de capteur photonique sur silicium pourrait intégrer des sources lumineuses, des éléments de détection et des photodétecteurs, offrant un capteur compact et robuste, contrairement aux équipements optiques de laboratoire encombrants. La recherche sur la photonique sur nitrure de silicium (une variante mieux adaptée aux longueurs d’onde visibles) ouvre encore plus d’applications de détection, car le SiN peut guider la lumière visible pour détecter des signaux comme la fluorescence ou le Raman, ce que le silicium pur ne peut pas faire.

Une autre application en plein essor est le LiDAR (Light Detection and Ranging) pour les véhicules autonomes, les drones et la robotique. Les systèmes LiDAR émettent des impulsions laser et mesurent la lumière réfléchie pour cartographier les distances – c’est essentiellement une « vision laser 3D ». Les unités LiDAR traditionnelles reposent souvent sur un balayage mécanique et des lasers/détecteurs discrets, ce qui les rend coûteuses et quelque peu encombrantes. La photonique sur silicium offre un moyen de construire un LiDAR sur une puce : en intégrant de manière monolithique des éléments de direction de faisceau, des séparateurs, des modulateurs et des détecteurs. Un LiDAR photonique sur silicium peut utiliser une direction de faisceau à l’état solide (par exemple, des réseaux de phase optique) pour balayer l’environnement sans pièces mobiles. Cela réduit considérablement la taille et le coût des unités LiDAR. En fait, Mobileye d’Intel a indiqué qu’il utilise des circuits intégrés photoniques sur silicium dans ses capteurs LiDAR de conduite autonome de nouvelle génération autour de 2025 tanaka-preciousmetals.com. Une telle intégration pourrait faire baisser les coûts du LiDAR et permettre un déploiement massif dans les voitures. Le LiDAR basé sur la photonique sur silicium peut également atteindre un balayage plus rapide et une résolution plus élevée en exploitant plusieurs longueurs d’onde ou des techniques de détection cohérente intégrées à la puce. En avantage supplémentaire, ces solutions intégrées ont tendance à consommer moins d’énergie – un facteur important pour les véhicules électriques.

Selon Ansys, « les solutions LiDAR rendues possibles par la photonique sur silicium sont plus compactes, consomment moins d’énergie et sont moins coûteuses à fabriquer que les systèmes construits à partir de composants discrets. » ansys.com Cela résume bien pourquoi des entreprises, des startups aux géants de la tech, se précipitent pour développer le LiDAR photonique. Nous voyons déjà des prototypes de LiDAR FMCW (LiDAR à onde continue modulée en fréquence), qui nécessite des circuits photoniques délicats comme des lasers accordables et des interféromètres. La photonique sur silicium est une plateforme naturelle pour cela, et les experts prédisent que la photonique intégrée sera la clé pour rendre le LiDAR FMCW viable à grande échelle (pour sa longue portée et son immunité aux interférences) optics.org optics.org. Dans un avenir proche, attendez-vous à voir des voitures et des drones équipés de petites unités LiDAR sur puce offrant de hautes performances – un produit direct de l’innovation en photonique sur silicium.

Au-delà du LiDAR, d’autres usages de détection incluent les gyroscopes et capteurs inertiels (utilisant des gyroscopes à laser en anneau sur puce pour la navigation), et les spectromètres (spectromètres optiques intégrés pour l’analyse chimique). Le point commun est que la photonique sur silicium apporte la précision de la mesure optique dans un format miniaturisé et industrialisable. Cela ouvre de nouvelles possibilités dans l’électronique grand public (imaginez un capteur de santé optique dans une montre connectée), la surveillance industrielle et les instruments scientifiques.

Calcul quantique et technologies quantiques photoniques

Dans la quête des ordinateurs quantiques, les photons (particules de lumière) jouent un rôle unique. Contrairement aux électrons, les photons peuvent parcourir de longues distances sans interagir avec l’environnement (utile pour transmettre l’information quantique), et certains schémas de calcul quantique utilisent les photons comme qubits eux-mêmes. La photonique sur silicium s’est imposée comme une plateforme de pointe pour la recherche sur l’informatique et les réseaux quantiques.

Plusieurs startups et groupes de recherche travaillent sur des ordinateurs quantiques photoniques qui utilisent des circuits photoniques à base de silicium pour générer et manipuler des qubits encodés dans la lumière. Par exemple, PsiQuantum, une startup fortement financée, s’associe à une usine de semi-conducteurs pour construire un ordinateur quantique à grande échelle utilisant des milliers de canaux de qubits photoniques en silicium. L’idée est d’intégrer sur une puce des dispositifs tels que des sources de photons uniques, des séparateurs de faisceau, des déphaseurs et des détecteurs de photons pour réaliser une logique quantique avec des photons. L’avantage de la photonique sur silicium ici est l’évolutivité – car elle s’appuie sur la fabrication CMOS, on peut (en principe) créer des circuits photoniques quantiques très complexes avec des centaines ou des milliers de composants, ce qui est beaucoup plus difficile avec d’autres approches matérielles quantiques. En effet, des chercheurs ont récemment démontré des puces photoniques en silicium comportant des milliers de composants fonctionnant ensemble pour la manipulation de la lumière quantique nature.com.

La photonique sur silicium permet également le réseautage quantique – communications sécurisées utilisant la distribution quantique de clés (QKD) et des photons intriqués – en fournissant une plateforme pour des émetteurs et récepteurs quantiques optiques compacts et stables. De plus, certaines technologies de capteurs quantiques (comme les gyroscopes quantiques optiques ou le LiDAR à photon unique) peuvent utiliser des puces photoniques en silicium au cœur de leur fonctionnement.

Un défi majeur de l’informatique quantique photonique est de générer des photons uniques à la demande et de les acheminer avec de faibles pertes. Fait intéressant, les mêmes limitations (et solutions) qui s’appliquent à la photonique sur silicium classique s’appliquent en quantique : le silicium ne lase pas naturellement, donc les puces photoniques quantiques utilisent souvent des processus non linéaires intégrés ou des sources à boîtes quantiques pour créer des photons uniques, ou elles intègrent de manière hybride des matériaux spécialisés. Les avantages sont cependant similaires – haute précision et miniaturisation. Comme le note le rapport Ansys, les ordinateurs quantiques utilisent des photons pour les calculs, et la gestion de ces photons avec la photonique intégrée apporte rapidité, précision et avantages en termes de coûts ansys.com. En pratique, la photonique sur silicium peut fournir la stabilité et la fabricabilité nécessaires pour faire passer les systèmes quantiques des expériences de laboratoire aux machines réelles.

En dehors de l’informatique, les capteurs photoniques quantiques (comme les interféromètres exploitant des états quantiques pour une sensibilité accrue) et les générateurs quantiques de nombres aléatoires sont d’autres domaines où la photonique sur silicium a un impact. Bien que l’informatique quantique photonique soit encore en développement et probablement à quelques années de maturité, les investissements massifs dans ce domaine soulignent son potentiel. En 2022, un chercheur de premier plan, le Prof. John Bowers, a souligné que la photonique sur silicium progressait rapidement avec de nombreuses nouvelles applications, y compris le quantique, à l’horizon nature.com. Il est envisageable que les premiers ordinateurs quantiques à grande échelle soient en réalité des ordinateurs optiques construits sur des puces photoniques en silicium – un fascinant retour aux sources où une technologie initialement développée pour les télécoms pourrait permettre le prochain saut en informatique.

Tendances et développements actuels (2025)

En 2025, la photonique sur silicium gagne un élan considérable. Plusieurs tendances se sont conjuguées pour faire passer cette technologie des laboratoires et des usages de niche au grand public de l’industrie technologique :

Goulot d’étranglement des données et optiques co-packagées : L’appétit insatiable pour les données (notamment provenant de l’IA et des services cloud) a fait des interconnexions électriques un véritable goulot d’étranglement. Nous en sommes au point où, chaque fois que vous doublez la bande passante d’une interconnexion, vous devez réduire de moitié la longueur du câble en cuivre pour maintenir l’intégrité du signal nextplatform.com – un compromis intenable. Cette urgence a mis en lumière des approches comme les optiques co-packagées (CPO), où les moteurs optiques sont placés juste à côté des ASICs de commutateur ou des puces processeur afin d’éliminer presque toute distance de transmission électrique. En 2023, plusieurs entreprises ont démontré des optiques co-packagées dans des commutateurs (par exemple, les prototypes de commutateurs 25,6 Tb/s et 51,2 Tb/s de Broadcom avec moteurs photoniques à laser intégrés). Les feuilles de route de l’industrie suggèrent que les puces de commutateur Ethernet 51,2 Tb/s avec photonique sur silicium co-packagée devraient arriver sur le marché d’ici un à deux ans tanaka-preciousmetals.com, et qu’aux alentours de 2026–2027, nous verrons probablement les premiers CPU/GPU exploitant directement l’I/O optique nextplatform.com. En d’autres termes, l’ère optique des interconnexions est sur le point de s’ouvrir dans les systèmes pratiques. Des entreprises comme Intel, Nvidia et Cisco développent toutes activement des solutions CPO. En fait, le projet Tomambe d’Intel et d’autres ont déjà démontré des moteurs photoniques 1,6 Tb/s intégrés à des puces de commutateur tanaka-preciousmetals.com. Le consensus général : après des années de recherche, l’optique co-packagée passe du prototype au produit, visant à réduire la consommation d’énergie par bit en rapprochant les sources lumineuses de la source de données (30 % d’économie d’énergie par rapport aux modules enfichables, selon une estimation laserfocusworld.com).
Vague d’investissements et d’activité des startups : Les dernières années ont vu d’importants investissements et financements dans les entreprises de la photonique sur silicium. Cela reflète la confiance que l’industrie accorde à l’avenir de cette technologie. Par exemple, fin 2024, Ayar Labs a levé 155 millions de dollars lors d’un tour de table de série D (ce qui lui a permis d’atteindre le statut de « licorne » avec une valorisation supérieure à 1 milliard de dollars) pour développer ses solutions d’E/S optiques ; il est à noter que ce tour comprenait des investissements stratégiques de la part de Nvidia, AMD et Intel eux-mêmes nextplatform.com. De même, la startup de calcul photonique Lightmatter a obtenu 400 millions de dollars de financement en 2024 pour développer sa plateforme d’accélérateur IA optique nextplatform.com. Une autre startup, Celestial AI, spécialisée dans les interconnexions optiques pour l’IA, a non seulement levé 175 millions de dollars début 2024, mais a également acquis le portefeuille de propriété intellectuelle en photonique sur silicium de Rockley Photonics (une entreprise autrefois axée sur la photonique pour le sensing) pour 20 millions de dollars en octobre 2024 datacenterdynamics.com. Cette acquisition a permis à Celestial AI d’obtenir plus de 200 brevets en photonique sur silicium et signale une certaine consolidation dans l’industrie – les petits acteurs disposant de technologies photoniques précieuses (Rockley avait développé des modulateurs avancés et des optiques intégrées pour les objets connectés) sont absorbés par des entreprises ciblant les marchés des centres de données et de l’IA. Nous avons également vu HyperLight et Lightium, deux startups spécialisées dans les puces photoniques en niobate de lithium à couches minces, attirer un investissement combiné de 44 millions de dollars en 2023 optics.org, ce qui met en évidence l’intérêt pour de nouveaux matériaux afin d’améliorer la photonique sur silicium (les modulateurs TFLN peuvent offrir des vitesses plus rapides et de faibles pertes). Globalement, le financement en capital-risque et le soutien des entreprises pour les sociétés de photonique sur silicium atteignent un niveau record, ce qui reflète la prise de conscience que la technologie optique est essentielle pour les semi-conducteurs du futur.
Maturation de la technologie et croissance de l’écosystème : Une autre tendance est la maturation de l’écosystème de la photonique sur silicium. De plus en plus de fonderies et de fournisseurs sont désormais présents sur le marché. Par le passé, seuls quelques acteurs (comme Intel ou Luxtera) disposaient de capacités de bout en bout. Aujourd’hui, de grandes fonderies de semi-conducteurs telles que GlobalFoundries, TSMC, et même STMicroelectronics proposent des lignes de fabrication de photonique sur silicium ou des PDK photoniques standardisés (Process Design Kits) pour les clients ansys.com. Cette standardisation permet aux startups ou aux petites entreprises de concevoir des circuits photoniques et de les faire fabriquer sans avoir à construire leur propre usine – à l’image du fonctionnement des entreprises de puces électroniques fabless. Il existe des navettes régulières de tranches multi-projets (MPW) pour les puces photoniques, où plusieurs conceptions partagent une même production de tranche, ce qui réduit considérablement le coût du prototypage. Des groupes industriels travaillent sur des solutions d’emballage standardisées (interfaces d’E/S optiques, méthodes de fixation des fibres) afin que les puces photoniques puissent être intégrées plus facilement dans les produits. La création de l’American Institute for Manufacturing Integrated Photonics (AIM Photonics) a été un véritable coup de pouce : ce consortium public-privé a mis en place une fonderie et une ligne d’assemblage de photonique sur silicium à New York et s’est récemment vu attribuer un programme de 321 millions de dollars sur 7 ans (jusqu’en 2028) pour faire progresser la fabrication de la photonique intégrée aux États-Unis. nsf.gov. De même, en Europe, des instituts de recherche comme IMEC en Belgique et CEA-Leti en France proposent des plateformes de photonique sur silicium et ont favorisé l’émergence d’un cluster de startups photoniques. En Chine, la photonique sur silicium s’accélère également, avec des entreprises comme InnoLight et Huawei qui investissent dans les capacités nationales de puces photoniques optics.org optics.org. Tous ces développements indiquent que la photonique sur silicium n’est plus une technologie expérimentale – elle devient une composante standard de la boîte à outils des semi-conducteurs.
Vitesses plus élevées et nouveaux matériaux : Sur le plan technologique, nous assistons à des progrès rapides dans l’amélioration des performances des dispositifs photoniques sur silicium. Des émetteurs-récepteurs optiques 800G sont actuellement en phase d’échantillonnage, des modules 1,6 Tb/s ont été démontrés optics.org, et des modules enfichables 3,2 Tb/s sont attendus d’ici 2026 optics.org. Pour atteindre ces vitesses, les ingénieurs utilisent tout, du multiplexage en longueur d’onde à 16 canaux aux formats de modulation avancés – exploitant essentiellement le domaine optique pour transporter plus de bits. Au niveau des dispositifs, de nouveaux matériaux sont intégrés à la photonique sur silicium pour dépasser les limites du silicium. Un exemple clé est le lithium niobate en couche mince (TFLN) sur silicium, qui permet des modulateurs à effet Pockels très rapides avec de faibles pertes. Cela pourrait permettre des modulateurs capables de gérer des bandes passantes de modulation supérieures à 100 GHz, adaptés aux futurs liens 1,6T et 3,2T, voire à des applications quantiques optics.org. Des startups comme HyperLight commercialisent ces puces hybrides LiNbO3/Si. D’autres matériaux en R&D incluent les modulateurs électro-optiques à titanate de baryum (BTO) et les matériaux dopés aux terres rares pour les lasers/amplificateurs intégrés optics.org. Les travaux se poursuivent également sur l’intégration des semi-conducteurs III-V (InP, GaAs) sur silicium pour de meilleurs lasers et amplificateurs optiques – par exemple, les lasers à boîtes quantiques directement cultivés sur silicium ont fait de grands progrès, résolvant les problèmes de fiabilité qui affectaient les premières tentatives nature.com nature.com. En résumé, la palette de matériaux pour la photonique sur silicium s’élargit, ce qui offrira de meilleures performances et de nouvelles fonctionnalités. On voit même apparaître des micropeignes (sources de peignes de fréquences optiques) basés sur la photonique sur silicium, utilisés pour des applications telles que la transmission de données ultrarapide et la spectroscopie de haute précision, ce qui aurait semblé invraisemblable il y a dix ans.
Applications et produits émergents : Parallèlement aux applications principales, de nouveaux cas d’usage émergent en 2025. L’un d’eux est l’informatique optique pour l’IA (évoquée précédemment), qui passe des démonstrations de recherche aux premiers produits – par exemple, Lightelligence a dévoilé un matériel informatique photonique pour accélérer l’inférence IA. Un autre cas concerne les liaisons optiques inter-puces dans l’assemblage avancé : alors que les entreprises explorent les modules multi-puces et les chiplets, les liaisons optiques peuvent connecter ces chiplets à grande vitesse à travers un boîtier ou un interposeur. Des standards comme l’UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express) envisagent même des extensions optiques PHY. On observe aussi un intérêt gouvernemental : la DARPA et d’autres agences ont des programmes visant à utiliser les interconnexions photoniques dans les systèmes de défense (pour le traitement haut de gamme et le routage des signaux RF). Et dans le domaine grand public, on spécule que d’ici quelques années, l’I/O optique pourrait apparaître dans les appareils grand public – par exemple, un casque AR/VR utilisant une puce photonique sur silicium pour des liaisons capteurs à large bande passante, ou un câble Thunderbolt optique pour des lunettes AR. Bien que cela ne soit pas encore disponible, ces idées sont à l’étude.

En résumé, 2025 marque un point d’inflexion pour la photonique sur silicium : des produits commerciaux significatifs arrivent sur le marché (notamment dans le réseau), d’énormes investissements affluent, et l’écosystème arrive à maturité. Il devient de plus en plus évident que l’optique jouera un rôle fondamental dans l’informatique et la connectivité à l’avenir. Comme l’a dit un commentateur du secteur, dans la seconde moitié de cette décennie, beaucoup s’attendent à ce que l’I/O optique passe des lignes pilotes à la production de masse – « la génération 2025 des moteurs de calcul n’aura peut-être pas de photonique sur silicium, mais la génération 2026 pourrait en avoir et la génération 2027 en aura presque certainement », car nous n’avons finalement pas le choix – « le temps du cuivre est révolu. » nextplatform.com

Défis et limitations

Malgré tout l’enthousiasme, la photonique sur silicium fait face à plusieurs défis et limitations que chercheurs et ingénieurs s’efforcent activement de surmonter. C’est une technologie transformatrice, mais pas une solution miracle – du moins pas encore. Voici les principaux obstacles :

Intégration des sources lumineuses : Peut-être la limitation la plus tristement célèbre est que le silicium n’est pas bon pour générer de la lumière. Le silicium a une bande interdite indirecte, ce qui signifie qu’il ne peut pas agir comme un laser ou une LED efficace. Comme le dit sans détour le pionnier de la photonique John Bowers, « Le silicium est incroyablement mauvais comme émetteur de lumière. » nature.com Son efficacité interne est proche de zéro – environ un électron sur un million dans le silicium produira un photon – alors que les semi-conducteurs III-V comme le phosphure d’indium ou l’arséniure de gallium peuvent émettre de la lumière avec une efficacité proche de 100 % nature.com. Cela signifie que, pour avoir des lasers sur une puce photonique en silicium, il faut généralement introduire d’autres matériaux. Cela peut se faire par intégration hybride (collage d’un morceau de wafer d’InP avec des diodes laser sur le wafer de silicium) ou par de nouvelles techniques comme la croissance directe de lasers III-V nanostructurés sur le silicium. Les progrès dans ce domaine sont prometteurs : des entreprises et des laboratoires (Intel, UCSB, etc.) ont démontré des lasers intégrés hybrides à grande échelle, et récemment même des lasers à boîtes quantiques cultivés sur des wafers de silicium de 300 mm avec une bonne fiabilité nature.com nature.com. Pourtant, l’intégration des lasers ajoute de la complexité et du coût. Si le laser est hors puce (dans un module laser séparé couplé par fibre), il faut alors relever le défi de coupler efficacement cette lumière dans les minuscules guides d’ondes sur puce. En résumé, amener la lumière sur la puce est une tâche non triviale. L’industrie explore des solutions comme l’intégration hétérogène (plusieurs matériaux sur une puce) et même des approches nouvelles comme les lasers germanium-silicium pompés électriquement ou les lasers Raman sur silicium, mais celles-ci sont encore émergentes. En 2025, la plupart des systèmes de photonique sur silicium utilisent soit des lasers hybrides, soit des lasers externes couplés. C’est un domaine clé de recherche en cours.
Fabrication et rendement : Les circuits photoniques sur silicium peuvent être fabriqués dans des usines existantes, mais ils ont des exigences différentes de celles des puces électroniques. Par exemple, l’optique nécessite un contrôle très précis des dimensions – des variations de seulement quelques nanomètres dans la largeur ou l’espacement des guides d’ondes peuvent modifier la longueur d’onde des résonateurs ou la phase de la lumière. Obtenir un rendement élevé (c’est-à-dire des performances constantes sur de nombreuses puces) est un défi. De plus, l’intégration de plusieurs types de matériaux (silicium, nitrure de silicium, III-V, métaux) dans un même processus de fabrication peut introduire de la complexité. Le couplage des fibres à la puce est également un défi en termes de rendement et de fabrication ; aligner de minuscules fibres optiques sur des facettes de guides d’ondes à l’échelle du micron implique souvent aujourd’hui un alignement actif coûteux. Certaines de ces étapes sont encore semi-manuelles en production, ce qui ne passe pas bien à l’échelle industrielle. Beaucoup de travaux portent sur l’amélioration des techniques d’encapsulation, comme l’utilisation d’unités de fixation de fibres standardisées ou l’intégration de coupleurs à réseau qui permettent aux fibres de coupler la lumière par le dessus de la puce plus facilement. L’encapsulation des puces combinant électronique + photonique est également délicate – par exemple, si vous avez une puce photonique et un ASIC électronique dans le même boîtier, il faut les aligner et aussi gérer la chaleur (car l’électronique chauffée peut perturber la photonique). Ansys note que si l’électronique et la photonique partagent une puce, l’approche de fabrication doit équilibrer les besoins de chacune, et si ce sont des puces séparées, un encapsulage avancé est nécessaire – « la génération de chaleur dans l’électronique peut impacter la photonique. » ansys.com Le réglage thermique est un autre problème : de nombreux filtres et modulateurs photoniques sur silicium reposent sur des effets thermiques, donc les variations de température peuvent désaccorder les circuits, nécessitant de l’énergie pour stabiliser. Tout cela complique la fabrication et augmente les coûts.
Coût et volume : Parlons du coût – bien que la photonique sur silicium promette un faible coût en tirant parti des usines de fabrication de silicium à grand volume, la réalité actuelle est que ces dispositifs restent relativement de niche et coûteux. L’industrie expédie des millions d’unités (en tant que transceivers dans les centres de données), mais pour vraiment faire baisser les coûts, il faudrait probablement expédier des milliards d’unités chaque année ansys.com. En d’autres termes, elle n’a pas encore atteint l’échelle de l’électronique de commodité. Les dispositifs nécessitent souvent aussi un emballage spécialisé (comme mentionné) et des tests, ce qui ajoute au coût. Un transceiver photonique sur silicium actuel pour centres de données peut coûter des centaines ou des milliers de dollars, ce qui est acceptable pour ce marché mais trop élevé pour les marchés grand public. Les aspects économiques sont un peu incertains à très grande échelle – comme l’a souligné un rapport, les grands acheteurs du cloud s’inquiètent de la fiabilité et de la structure des coûts s’ils devaient adopter massivement la photonique sur silicium, car la technologie n’a pas encore atteint la courbe d’apprentissage de la fabrication du silicium grand public nextplatform.com. Cependant, les coûts s’améliorent régulièrement, et des efforts comme les PDK standardisés pour les fonderies et l’automatisation y contribuent. Au cours des prochaines années, à mesure que le volume augmentera (poussé par l’IA et les centres de données), nous devrions voir les coûts baisser, ce qui ouvrira à son tour de nouveaux marchés (c’est un cercle vertueux une fois enclenché). Néanmoins, en 2025, le coût par dispositif peut être un facteur limitant pour l’adoption de la photonique sur silicium dans les applications sensibles au coût.
Consommation d’énergie et efficacité : Bien que la photonique sur silicium puisse réduire la consommation d’énergie pour le transfert de données à très haute vitesse, les dispositifs eux-mêmes consomment encore de l’énergie – par exemple, les modulateurs utilisent souvent un réglage thermique ou des jonctions PN qui consomment du courant, et les lasers consomment bien sûr de l’énergie. Il y a une surcharge liée à la conversion des signaux électroniques en signaux optiques et inversement. Pour que cela permette réellement d’économiser de l’énergie au niveau du système, ces surcharges doivent être inférieures aux économies réalisées en supprimant les longues liaisons électriques. Les transceivers photoniques sur silicium actuels sont assez efficaces (de l’ordre de quelques picojoules par bit pour la conversion optique), mais il y a une volonté d’aller encore plus bas, surtout si l’E/S optique est utilisée sur puce ou dans les bus mémoire où l’efficacité doit être très élevée. Une approche prometteuse consiste à utiliser des matériaux électro-optiques (comme LiNbO3 ou BTO) qui peuvent moduler la lumière avec une très faible tension (et donc une consommation plus faible) au lieu du réglage thermique. De plus, intégrer des sources lumineuses plus efficaces (comme les lasers à boîtes quantiques) pourrait réduire le gaspillage d’énergie des lasers (les lasers à rétroaction distribuée actuels gaspillent souvent beaucoup d’énergie sous forme de chaleur). Ainsi, bien que la photonique sur silicium réponde au problème de consommation d’énergie des interconnexions à grande échelle, à l’échelle microscopique, les ingénieurs optimisent encore la consommation dispositif par dispositif. La bonne nouvelle : même avec la technologie actuelle, l’optique co-packagée peut réduire la consommation totale d’énergie des interconnexions d’environ 30 % par rapport aux modules traditionnels laserfocusworld.com, et les améliorations futures devraient probablement augmenter ces gains.
Conception et outils de conception : Il s’agit d’un défi moins évident mais important : concevoir des circuits photoniques est une nouvelle compétence, et les outils EDA (Electronic Design Automation) pour la photonique ne sont pas aussi matures que ceux pour l’électronique. La simulation de circuits optiques, en particulier de grands circuits comportant de nombreux composants, peut être complexe. Il faut tenir compte de la variabilité de la fabrication lors de la conception (vous pourriez avoir besoin de régulateurs thermiques pour corriger de petites erreurs). Il existe un besoin d’outils de conception plus performants capables de co-optimiser les parties électroniques et photoniques des circuits, souvent appelés EPDA (Electronic Photonic Design Automation). L’écosystème rattrape son retard – des entreprises comme Synopsys, Cadence et Lumerical (Ansys) proposent des outils pour la conception photonique – mais il s’agit encore d’un domaine en évolution. Un problème connexe est le manque de normes dans certains domaines : bien que de nombreuses fonderies proposent des PDK, chacune peut avoir des bibliothèques de composants et des paramètres différents. Cela peut rendre les conceptions moins portables que les conceptions électroniques. L’industrie évolue vers des normes communes (par exemple, le format d’échange de mise en page pour les circuits photoniques, ou des modèles de composants standardisés), mais il reste du travail à faire pour rationaliser le flux de conception. Il est également crucial de constituer un vivier de talents solide : on a besoin d’ingénieurs qui comprennent à la fois la conception analogique RF/micro-ondes et la physique optique, et ils sont rares (même si de nombreuses universités forment désormais des diplômés dans cette discipline croisée).
Limites de performance : Même si la photonique sur silicium améliore considérablement certains paramètres, elle présente ses propres limites physiques. La perte optique dans les guides d’ondes, bien que faible (~dB/cm), s’accumule dans les grands circuits, et les courbures serrées ou les petites structures peuvent augmenter la perte. Il faut également minimiser la perte de couplage fibre-puce. La sensibilité thermique du silicium (l’indice de réfraction varie avec la température) signifie que de nombreux circuits photoniques sur silicium nécessitent une stabilisation ou une calibration. Des limitations de bande passante peuvent apparaître dans les modulateurs ou les détecteurs – par exemple, les modulateurs à anneau en silicium ont une bande passante finie et peuvent être sensibles à la température, tandis que les modulateurs Mach-Zehnder nécessitent une ingénierie soignée pour atteindre des vitesses très élevées sans distorsion. La dispersion chromatique dans les guides d’ondes peut limiter les applications à très large longueur d’onde (même si ce n’est généralement pas un problème sur les courtes distances sur puce). Un autre point subtil : l’intégration électronique-photonique signifie qu’il faut souvent co-concevoir l’électronique (comme les amplificateurs de puissance, les TIA pour les détecteurs) avec la photonique. L’interface entre les deux peut limiter la performance globale (par exemple, si un modulateur nécessite une certaine amplitude de tension, il faut un amplificateur capable de la fournir rapidement). Ainsi, l’ingénierie système est complexe. De plus, toutes les applications ne justifient pas la photonique – pour des liaisons très courtes et à faible vitesse, l’électronique peut rester moins chère et plus simple. Savoir où déployer la photonique sur silicium pour un bénéfice maximal est donc en soi une considération.

En résumé, bien que aucun de ces défis ne soit rédhibitoire, ils signifient collectivement que la photonique sur silicium a encore des progrès à faire. Beaucoup des esprits les plus brillants en photonique et en électronique s’attaquent activement à ces problèmes : intégrer de meilleurs lasers, améliorer l’encapsulation, augmenter la production et élargir les capacités de conception. Les progrès réalisés même au cours des dernières années sont encourageants. Comme l’a noté le Prof. Bowers, des défis tels que l’intégration de lasers III-V dans le CMOS, l’amélioration des rendements et de la connexion à la fibre, ainsi que la réduction des coûts, sont tous en cours de résolution avec « des progrès… très rapides. » nature.com Chaque année apporte des améliorations, et l’écart entre le prototype de laboratoire et la production de masse se réduit un peu plus. Il convient de rappeler que les circuits intégrés électroniques ont nécessité des décennies d’efforts intenses pour atteindre l’échelle actuelle – la photonique sur silicium, en comparaison, n’en est qu’à une phase bien plus précoce de son parcours, mais elle rattrape rapidement son retard.

Entreprises et institutions de premier plan dans le domaine

La photonique sur silicium est devenue une entreprise mondiale, avec de nombreuses entreprises (des startups aux géants de la tech) et des instituts de recherche qui font avancer le domaine. Selon les études de marché, les principaux acteurs du marché de la photonique sur silicium (en 2025) incluent des poids lourds de l’industrie comme Cisco, Intel et IBM, aux côtés de spécialistes tels que NeoPhotonics (Lumentum), Hamamatsu Photonics et STMicroelectronics expertmarketresearch.com. Voici un aperçu de quelques contributeurs clés :

Intel Corporation (États-Unis) : Pionnier dans la photonique sur silicium, Intel a investi tôt et massivement dans cette technologie. L’entreprise a introduit l’un des premiers émetteurs-récepteurs photoniques sur silicium 100G en 2016 et a expédié des millions d’appareils depuis optics.org. Intel utilise la photonique sur silicium dans des émetteurs-récepteurs optiques à haute vitesse et cherche à l’intégrer dans les futurs processeurs de serveurs et applications en périphérie. La vision de l’entreprise est de « permettre la croissance future de la bande passante des centres de données » grâce à la photonique, en passant de 100G à 400G et au-delà, et d’intégrer l’optique aux processeurs pour des applications comme la 5G et les véhicules autonomes expertmarketresearch.com, tanaka-preciousmetals.com. La division Silicon Photonics d’Intel s’est récemment associée à Jabil pour la fabrication, ce qui indique une maturation vers la production à grande échelle optics.org. Intel mène également des recherches sur l’optique co-packagée pour les commutateurs et détient des participations dans de nombreuses startups photoniques (comme Ayar Labs).
Cisco Systems (États-Unis) : Cisco, géant du réseau, est entré dans la photonique sur silicium par le biais d’acquisitions (par exemple, l’acquisition de Luxtera en 2019) et est aujourd’hui l’un des principaux fournisseurs de émetteurs-récepteurs optiques photoniques sur silicium pour les centres de données et les télécoms. Cisco utilise sa technologie photonique dans des produits allant des modules enfichables 100G/400G aux futurs commutateurs optiques co-packagés. Les solutions de Cisco bénéficient de la conception interne de circuits intégrés photoniques à haute densité et efficacité énergétique. En tirant parti de la photonique sur silicium, Cisco offre à ses clients des interconnexions à haute vitesse avec des formats plus compacts. En 2025, Cisco fait partie des leaders du marché qui livrent la photonique sur silicium en volume expertmarketresearch.com.
IBM Corporation (États-Unis) : IBM possède une longue expérience dans la recherche sur les interconnexions optiques. Son équipe Silicon Photonics, avec plus d’une décennie de R&D, a développé une technologie de liaison optique à haute vitesse destinée aux interconnexions au niveau des cartes et des processeurs expertmarketresearch.com. Les recherches d’IBM ont permis des avancées dans les modulateurs à microrésonateurs en silicium, le multiplexage en longueur d’onde et l’assemblage. Bien qu’IBM ne vende pas d’émetteurs-récepteurs comme Intel ou Cisco, l’entreprise collabore souvent sur des prototypes (par exemple, IBM et Mellanox ont présenté une interconnexion optique pour serveurs en 2015). IBM met l’accent sur l’utilisation de la photonique pour résoudre les goulets d’étranglement informatiques (par exemple, le processeur POWER10 utilise des liaisons photoniques pour la signalisation hors puce via des partenariats). IBM contribue également aux normes et à la recherche ouverte ; ses travaux sont souvent présentés lors de conférences telles que OFC et CLEO.
NeoPhotonics/Lumentum (États-Unis) : NeoPhotonics (désormais partie de Lumentum depuis 2022) se spécialise dans les lasers et composants photoniques pour les télécommunications et les centres de données. Ils ont développé des lasers accordables à lumière ultra-pure et des modulateurs à haute vitesse. Notamment, NeoPhotonics a introduit des sous-ensembles optiques cohérents photoniques sur silicium (COSA) pour des communications à 400G par longueur d’onde, et menait des recherches sur le 800G et au-delà expertmarketresearch.com. En tant que partie de Lumentum (un acteur majeur de l’industrie optique), cette expertise contribue à la prochaine génération de transceivers cohérents et de modules enfichables pour les télécoms. L’appartenance à Lumentum signifie que ces produits de photonique sur silicium peuvent être intégrés au portefeuille photonique existant de Lumentum (par exemple, leurs modulateurs et amplificateurs en phosphure d’indium).
Hamamatsu Photonics (Japon) : Leader des composants optoélectroniques, Hamamatsu fabrique une large gamme de dispositifs photoniques (photodiodes, photomultiplicateurs, capteurs d’image, etc.). Hamamatsu a adopté les procédés sur silicium pour produire des éléments tels que des réseaux de photodiodes sur silicium et des capteurs optiques à base de silicium expertmarketresearch.com. Bien que moins axé sur les transceivers à haute vitesse, le travail de Hamamatsu en photonique sur silicium est crucial pour la détection et l’instrumentation scientifique. Ils fournissent des photodiodes PIN en silicium, des APD et des puces de capteurs optiques qui sont fondamentaux pour les récepteurs de communication optique et les détecteurs LiDAR. Leur expertise en photonique à faible bruit et haute sensibilité complète le versant communications numériques de la photonique sur silicium.
STMicroelectronics (Suisse/Europe) : STMicro est un grand fabricant de semi-conducteurs qui a développé sa propre capacité en photonique sur silicium. STMicro s’est concentré sur des solutions intégrées d’imagerie et de détection – par exemple, ils ont produit des puces photoniques sur silicium pour des gyroscopes à fibre optique et ont travaillé sur la R&D des interconnexions optiques dans des consortiums européens. Les usines avancées et la capacité MEMS de STMicro le positionnent bien pour la photonique sur silicium nécessitant une intégration avec d’autres capteurs ou composants électroniques expertmarketresearch.com. Des pays comme la France et l’Italie (où ST a d’importantes opérations) soutiennent la photonique via des initiatives, et ST en est souvent partenaire. Ils sont également soupçonnés de fournir certains composants photoniques sur silicium pour des systèmes industriels et automobiles.
GlobalFoundries (États-Unis) et TSMC (Taïwan) : Ces fabricants de puces sous contrat ont chacun mis en place des offres en photonique sur silicium. GlobalFoundries dispose d’un procédé photonique sur silicium bien connu en 45 nm (GF 45CLO) et s’est associé à des startups comme Ayar Labs pour fabriquer des puces d’E/S optiques. TSMC a été plus discret, mais travaillerait avec de grandes entreprises technologiques pour fabriquer des puces photoniques intégrées (par exemple, certaines rumeurs concernant Apple suggèrent l’implication de TSMC dans des capteurs photoniques). Les deux sont essentiels pour la montée en puissance de la production – la participation de grandes fonderies signifie que toute entreprise fabless peut plus facilement obtenir des prototypes et une production en volume de puces photoniques. En fait, l’implication de fonderies comme celles-ci est un indicateur fort que la photonique sur silicium devient grand public.
Infinera (États-Unis) et Coherent/II-VI (États-Unis) : Infinera est un fabricant d’équipements télécoms qui a été l’un des premiers à promouvoir les circuits intégrés photoniques (bien que sur phosphure d’indium). Ils se sont depuis adaptés pour utiliser également la photonique sur silicium dans certains produits ou pour le co-packaging avec leurs PICs InP. Coherent (qui a acquis Finisar et a ensuite pris le nom de Coherent) est fortement impliqué dans les composants optiques ; ils possèdent leurs propres usines InP mais développent aussi des émetteurs-récepteurs photoniques sur silicium pour les centres de données optics.org. Ces entreprises apportent une exigence de fiabilité et de performance de niveau télécom, poussant la photonique sur silicium à répondre aux exigences de classe opérateur (par exemple, modules 400ZR pour des liaisons cohérentes sur longue distance).
Ayar Labs, Lightmatter et les startups : Une vague de startups innovantes propulse la photonique sur silicium vers de nouveaux domaines. Nous avons évoqué Ayar Labs (I/O optique pour IA/HPC) et Lightmatter (calcul optique). D’autres incluent Lightelligence (autre startup de puces IA optiques), Luminous Computing (intégration de la photonique et de l’électronique pour l’IA), Celestial AI (réseautique optique pour grappes de calcul), OpenLight (coentreprise proposant une plateforme photonique ouverte avec lasers intégrés), et Rockley Photonics (axée sur les capteurs de santé, désormais en grande partie acquise par Celestial). Ces startups se distinguent par leurs approches ambitieuses – par exemple, le cœur tensoriel photonique 3D intégré de Lightmatter ou la tentative de Luminous de construire un ordinateur photonique full-stack. Elles collaborent souvent avec de grands groupes (par exemple, HPE s’est associé à Ayar Labs pour utiliser des interconnexions optiques dans une infrastructure d’interconnexion de supercalculateur nextplatform.com). L’écosystème startup est dynamique, et leur présence a poussé les acteurs historiques à accélérer. Un observateur du secteur a noté qu’avec Ayar, des entreprises comme Lightmatter et Celestial AI « ont toutes une chance de percer alors que la photonique sur silicium fait le lien entre moteurs de calcul et interconnexions. » nextplatform.com
Institutions académiques et de recherche : Du côté institutionnel, les meilleures universités et laboratoires nationaux jouent un rôle crucial dans l’avancement de la photonique sur silicium. L’Université de Californie à Santa Barbara (UCSB), sous la direction du Prof. John Bowers, a été une force motrice, pionnière des lasers hybrides sur silicium et des lasers à boîtes quantiques sur silicium. Le MIT, Stanford, Columbia (avec le groupe du Prof. Michal Lipson) et Caltech sont d’autres pôles majeurs de recherche en photonique sur silicium aux États-Unis, travaillant sur tout, de la nouvelle physique des modulateurs aux architectures de calcul photonique. En Europe, l’IMEC en Belgique dirige un programme de photonique sur silicium de premier plan et un service de tranches multi-projets (iSiPP), et l’Université de Southampton, TU Eindhoven, l’EPFL et d’autres disposent de groupes solides. L’institut AIM Photonics aux États-Unis (mentionné ci-dessus) réunit nombre de ces universités et entreprises pour collaborer et offre une capacité nationale de fonderie. Des laboratoires gouvernementaux comme le MIT Lincoln Lab et l’IMEC ont même démontré des photoniques intégrées sophistiquées pour la défense (par exemple, des réseaux phasés optiques pour le LiDAR). De plus, les collaborations et conférences internationales (telles que l’Optical Fiber Conference, l’ISSCC, les réunions de l’IEEE Photonics Society) permettent à ces institutions de partager leurs avancées. Le domaine bénéficie d’un solide pipeline entre le monde académique et l’industrie : de nombreux fondateurs de startups et dirigeants industriels ont été formés dans ces laboratoires de recherche, et la recherche académique continue de repousser les limites (par exemple, l’intégration de nouveaux matériaux ou la photonique quantique comme mentionné).

Tous ces acteurs – grandes entreprises technologiques, fabricants de composants spécialisés, startups ambitieuses et laboratoires de recherche de pointe – forment un écosystème riche qui fait collectivement progresser la photonique sur silicium. La concurrence et la collaboration entre eux accélèrent l’innovation. Notamment, même la géopolitique joue un rôle : il existe une conscience d’une course entre les États-Unis, l’Europe et la Chine pour savoir qui dominera les technologies photoniques csis.org, compte tenu de leur importance stratégique pour les communications et l’informatique. Cela a conduit à une augmentation des investissements publics (par exemple, le PhotonHub de l’UE et les initiatives nationales chinoises en photonique). Pour l’amateur de technologie, la conclusion est que de nombreuses personnes brillantes et d’importantes ressources à l’échelle mondiale s’investissent pour que nos futures puces communiquent par la lumière.

Avis d’experts et citations

Tout au long de l’essor de la photonique sur silicium, les experts du domaine ont apporté des perspectives qui aident à contextualiser son impact. Voici quelques points de vue notables :

Sur le changement de paradigme de la photonique sur silicium : « J’ai souvent décrit la photonique sur silicium comme étant plus qu’une simple amélioration incrémentale — c’est un changement de paradigme », déclare René Jonker, un cadre chez Soitec, soulignant que contrairement aux interconnexions en cuivre qui atteignent leurs limites, les liaisons optiques offrent un moyen durable de gérer l’augmentation de la demande en données. Bien que des défis subsistent pour réduire les coûts et augmenter l’échelle de fabrication, les avantages – « bande passante plus élevée, latence réduite et consommation d’énergie plus faible » – font de la photonique sur silicium « une partie indispensable de notre future infrastructure. » laserfocusworld.com
Sur la consommation énergétique et l’optique dans les centres de données : Un commentaire de Laser Focus World en 2025 a souligné l’urgence dans les centres de données : d’ici la fin de la décennie, les centres de données pourraient consommer 8 % de l’électricité américaine si la tendance se poursuit, ce qui est « insoutenable avec les interconnexions électriques existantes. » L’auteur a conclu que « les interconnexions optiques, rendues possibles par la photonique sur silicium, sont la seule voie évolutive possible. » laserfocusworld.com En d’autres termes, pour éviter une crise énergétique et de bande passante, passer aux liaisons optiques n’est pas seulement une option – c’est une nécessité.
Sur les défis de l’intégration : Le professeur John Bowers (UCSB), une sommité de la photonique, a commenté le défi le plus difficile : « Le principal défi est l’intégration des matériaux III–V dans le CMOS sur silicium… Il reste des problèmes de rendement élevé, de fiabilité, de réduction des coûts et de connexion à la fibre. L’assemblage de l’électronique et de la photonique ensemble est un défi… Mais les progrès sont très rapides. » nature.com Cela souligne que, bien qu’intégrer des lasers (matériaux III–V) et obtenir des rendements parfaits soit difficile, des progrès constants sont réalisés par des leaders de l’industrie comme Intel, et des solutions sont en vue.
Sur l’émission de lumière dans le silicium : Dans la même interview, Bowers a donné une explication imagée sur la raison pour laquelle les lasers nécessitent autre chose que du silicium : « Le silicium est incroyablement mauvais comme émetteur de lumière. Son rendement quantique interne est d’environ une partie sur un million, alors que l’efficacité d’un III–V à bande interdite directe est pratiquement de 100 %. Je savais dès le début qu’il nous fallait un semi-conducteur à bande interdite directe… » nature.com. Cette évaluation franche explique pourquoi son équipe a poursuivi très tôt la voie des lasers hybrides (collage de l’InP sur le Si) – une approche qui a porté ses fruits avec le laser hybride sur silicium d’Intel en 2007 et au-delà.
Atteindre le serveur avec l’optique : Robert Blum, directeur principal de la photonique chez Intel, a illustré comment l’optique s’infiltre progressivement dans les centres de données : « Lorsque vous entrez dans un centre de données aujourd’hui, vous verrez des câbles en cuivre 100 Gb/s… adaptés pour quatre mètres. Mais tout ce qui dépasse le rack utilise déjà l’optique. À mesure que nous passons à 200 ou 400 Gb/s, la portée du cuivre devient beaucoup plus courte et nous commençons à observer cette tendance où l’optique va jusqu’au serveur. » tanaka-preciousmetals.com Cette citation illustre de façon vivante la transition en cours – l’optique remplace progressivement le cuivre du cœur du réseau vers les extrémités.
Sur la croissance du marché et l’IA : « L’essor de l’IA a suscité une demande sans précédent pour des émetteurs-récepteurs haute performance… La photonique sur silicium et les PIC sont à l’avant-garde de cette révolution, » observe Sam Dale, analyste technologique chez IDTechX, notant la capacité de la photonique sur silicium à offrir « des vitesses de 1,6 Tbps et au-delà. » optics.org Son rapport prévoit que le marché des circuits intégrés photoniques pourrait être multiplié par dix d’ici 2035 (jusqu’à 54 milliards de dollars), principalement porté par les besoins des centres de données IA optics.org.
Sur l’avenir de l’informatique : Les analystes de The Next Platform prévoient l’arrivée imminente des E/S optiques dans les systèmes HPC. Ils notent que d’ici 2026–2027, nous verrons probablement des CPU/GPU grand public avec des interfaces optiques, car « à court terme, nous n’avons pas le choix. » Selon leur formulation imagée, « Le temps du cuivre est révolu. » nextplatform.com Cela résume un sentiment largement partagé dans l’industrie : les liaisons électriques ne suffiront pas pour la prochaine ère de l’informatique, et la photonique doit prendre le relais pour éviter d’atteindre une impasse.

Ces points de vue d’experts soulignent à la fois le potentiel et les obstacles de la photonique sur silicium. Un thème constant se dégage : la photonique sur silicium est transformatrice – elle permet un saut de performance nécessaire – mais elle s’accompagne de défis technologiques majeurs qui sont rapidement relevés. Les experts mettent en avant un mélange d’optimisme (le changement de paradigme, un avenir indispensable) et de réalisme (problèmes d’intégration, préoccupations de coût et de passage à l’échelle). Leurs perspectives aident un public général à comprendre pourquoi tant d’entreprises et de chercheurs s’enthousiasment pour la photonique sur silicium, et aussi pourquoi il a fallu quelques décennies pour que cette technologie décolle. L’entendre de la bouche de ceux qui sont en première ligne – qu’il s’agisse d’un chercheur chevronné ou d’un chef de produit – donne le contexte d’un domaine où la physique, l’ingénierie et les forces du marché se croisent de manière fascinante.

Actualités et jalons récents

Le paysage de la photonique sur silicium est très dynamique. Voici quelques faits marquants récents et jalons (de l’année écoulée environ) qui illustrent la progression rapide du domaine :

Celestial AI acquiert la propriété intellectuelle de Rockley Photonics (oct. 2024) : Celestial AI, une startup développant des interconnexions optiques Photonic Fabric™ pour l’IA, a annoncé l’acquisition du portefeuille de brevets en photonique sur silicium de Rockley Photonics pour 20 millions de dollars datacenterdynamics.com. Rockley avait développé des capteurs photoniques sur silicium avancés et s’était réorienté vers les objets connectés de santé avant de faire faillite. Cet accord a permis à Celestial AI d’obtenir plus de 200 brevets, incluant des technologies pour des modulateurs électro-optiques et la commutation optique utiles dans les applications de centres de données datacenterdynamics.com. Il s’agit d’une consolidation significative, montrant à quel point la propriété intellectuelle en photonique est devenue précieuse dans le domaine de l’IA et des centres de données. Les innovations de Rockley (comme les lasers à large bande pour la détection) pourraient trouver une nouvelle vie intégrées dans les solutions d’interconnexion optique de Celestial.
Financements majeurs pour les startups – Ayar Labs & Lightmatter (fin 2024) : Deux startups américaines ont réalisé d’importantes levées de fonds. Ayar Labs a clôturé une levée de fonds Série D de 155 millions de dollars en décembre 2024, avec la participation de leaders de l’industrie des semi-conducteurs (Nvidia, Intel, AMD ont tous investi aux côtés de fonds de capital-risque) nextplatform.com. Ce tour de table a porté la valorisation d’Ayar au-dessus du milliard de dollars, signe de la confiance dans sa technologie d’E/S optique intégrée, qui vise à remplacer les E/S électriques dans les futurs processeurs. Quelques semaines auparavant, Lightmatter a levé 400 millions de dollars en Série D (oct. 2024), doublant ainsi son financement total et la valorisant à 4,4 milliards de dollars nextplatform.com. Lightmatter développe des puces de calcul photonique et une technologie d’interposeur optique pour l’accélération de l’IA. De tels investissements sont remarquables – ils montrent que les investisseurs (et partenaires stratégiques) croient que ces startups peuvent résoudre des problèmes critiques de l’IA et de l’informatique grâce à la technologie optique. Cela signifie aussi que l’on peut s’attendre à ce que ces entreprises passent des prototypes aux produits ; en effet, Lightmatter déploie déjà des systèmes de test et les chiplets optiques d’Ayar sont prévus pour des pilotes dans des systèmes HPC.
Intel externalise les émetteurs-récepteurs à Jabil (fin 2023) : Dans un rebondissement intéressant, Intel a décidé fin 2023 de transférer son activité de transceivers photoniques en silicium à grand volume à Jabil, un partenaire de fabrication optics.org. Intel avait expédié plus de 8 millions de puces de transceivers photoniques depuis 2016 optics.org – celles-ci sont utilisées pour la connectivité 100G/200G dans les centres de données. En confiant la production à Jabil (un fabricant sous contrat), Intel a signalé un changement stratégique : il se concentrera sur l’intégration de la photonique à ses plateformes principales (comme les optiques co-packagées et la photonique sur processeur) tout en laissant un partenaire gérer le marché des transceivers banalisés. Ce mouvement reflète également une industrie en maturation – ce qui était une technologie de pointe il y a quelques années (les modules 100G enfichables) est désormais suffisamment courant pour être externalisé. Jabil, de son côté, développe la fabrication optique, qui pourrait potentiellement servir d’autres clients également. La collaboration entre Intel et Jabil a été soulignée comme un développement clé de l’industrie par des analystes optics.org, la notant comme faisant partie de l’évolution de l’écosystème.
InnoLight dévoile un module 1,6 Tb/s (fin 2023) : Dans la course à des vitesses plus élevées, InnoLight, une entreprise chinoise de transceivers optiques, a annoncé avoir réalisé un prototype de transceiver optique à 1,6 térabits par seconde optics.org. Cela implique probablement plusieurs longueurs d’onde (par exemple 16×100G ou 8×200G canaux) sur une plateforme photonique en silicium. Atteindre 1,6 Tb/s dans un seul module, un an avant certains concurrents, montre la montée en puissance de la Chine dans la photonique sur silicium. Le module d’InnoLight pourrait être utilisé pour les liaisons montantes de commutateurs top-of-rack ou pour connecter des systèmes d’IA. C’est aussi un indice que les modules à 3,2 Tb/s (qui utiliseraient par exemple 8 longueurs d’onde à 400G chacune) ne sont pas loin – en effet, IDTechX prévoit des modules 3,2 Tb/s d’ici 2026 optics.org. Il s’agissait d’un record qui a fait la une et qui souligne l’intense concurrence mondiale ; Coherent (USA) et d’autres travaillent également sur des conceptions 1,6T et 3,2T optics.org.
Progrès de la puce quantique photonique de PsiQuantum (2024) : Sur le front quantique, PsiQuantum (qui reste discrète mais est connue pour collaborer avec GlobalFoundries) a publié une étude décrivant une voie vers un ordinateur quantique photonique tolérant aux pertes, et a annoncé une puce appelée « Omega » pour leur architecture quantique photonique thequantuminsider.com. Bien qu’il ne s’agisse pas encore d’un produit commercial, cela montre que le matériel de calcul quantique photonique progresse – avec la photonique sur silicium au cœur. L’approche de PsiQuantum nécessite l’intégration de milliers de sources et de détecteurs de photons uniques. La nouveauté ici est la validation de la fabricabilité : un article dans Nature en 2022 a démontré des composants clés (sources, filtres, détecteurs) sur une seule puce photonique en silicium pouvant être mise à l’échelle nature.com. Cela suggère qu’ils sont en bonne voie pour atteindre un jalon vers le milieu des années 2020 ou le début des années 2030 pour un prototype d’ordinateur quantique optique à un million de qubits (leur objectif à long terme). De tels développements, bien que de niche, sont suivis de près car ils pourraient redéfinir le calcul haut de gamme.
Startups en photonique niobate de lithium financées (2023) : Comme mentionné, deux startups se concentrant sur l’intégration du LiNbO₃ avec la photonique sur silicium, HyperLight (États-Unis) et Lightium (Suisse), ont levé un total de 44 millions de dollars en 2023 optics.org. Cette levée de fonds est notable car elle met en avant une tendance : l’ajout de nouveaux matériaux à la photonique sur silicium pour dépasser les limites de performance. Ces entreprises mettent en avant des modulateurs pouvant fonctionner avec une plus grande linéarité et sur une large gamme de longueurs d’onde (du visible au moyen infrarouge) avec des pertes très faibles optics.org. L’application immédiate pourrait être des modulateurs ultrarapides pour les communications ou des dispositifs spécialisés pour la photonique quantique et RF. L’idée plus large est que la communauté des investisseurs soutient également l’innovation en matériaux dans la photonique, et pas seulement les startups de transceivers plus évidentes. C’est un signe que même les avancées en science des matériaux (comme le TFLN sur isolant) peuvent rapidement se transformer en startups et en produits dans ce domaine.
Mises à jour des standards et des consortiums (2024–25) : Des avancées ont eu lieu sur le front de la normalisation. Le Continuous-Wave WDM MSA (un consortium définissant des modules standards de sources lumineuses pour l’optique co-packagée) a publié des spécifications initiales pour des sources laser communes pouvant alimenter plusieurs puces photoniques. Ceci est important pour garantir la compatibilité multi-fournisseurs pour l’optique co-packagée. De plus, le consortium UCIe (pour l’interconnexion de chiplets) a formé un groupe de travail optique pour étudier comment les liaisons optiques entre chiplets pourraient être standardisées. Parallèlement, des organisations comme COBO (Consortium for On-Board Optics) et CPO Alliance ont organisé des sommets (par exemple à l’OFC 2024) pour discuter des meilleures pratiques pour l’optique co-packagée ansys.com. Tout cela pour dire que l’industrie reconnaît la nécessité de harmoniser les interfaces et d’éviter une fragmentation qui pourrait ralentir l’adoption. Des nouvelles récentes de l’IEEE ont également indiqué des progrès sur les standards Ethernet 1.6T et les standards d’interface optique associés, qui supposent l’utilisation de technologies photoniques sur silicium.
Lancements de produits : Du côté des produits, nous voyons du matériel concret arriver sur le marché :
- Modules enfichables 800G : Plusieurs fournisseurs (Intel, Marvell/Inphi, etc.) ont commencé à échantillonner en 2024 des modules 800G QSFP-DD et OSFP utilisant la photonique sur silicium. Ceux-ci devraient être déployés dans les commutateurs et réseaux de 2025.
- Kits de démonstration CPO : Des entreprises comme Ranovus et IBM ont démontré des kits de développement d’optique co-packagée – un précurseur des produits CPO commerciaux. Par exemple, le prototype de recherche d’un commutateur co-packagé d’IBM a été présenté en fonctionnement, et Ranovus propose un module CPO avec 8×100G longueurs d’onde.
- Produits Lidar photoniques sur silicium : Innovusion (Chine) et Voyant Photonics (États-Unis) ont annoncé des avancées dans leur LiDAR photonique sur silicium. Le dernier LiDAR d’Innovusion pour véhicules utilise certains composants photoniques sur silicium pour atteindre le FMCW à un coût compétitif. Voyant, une startup issue de la recherche de l’Université Columbia, commercialise en fait un minuscule module LiDAR à état solide basé sur la photonique sur silicium pour une utilisation sur drones et robots.
- Chiplets d’E/S optiques : D’ici mi-2025, Ayar Labs prévoit que son TeraPHY optical I/O chiplet et sa SuperNova laser source soient en test précoce chez des clients, offrant une liaison optique de 8 Tbps pour les systèmes HPC. Si le calendrier est respecté, cela pourrait être l’un des premiers déploiements d’E/S optiques dans un système informatique (probablement dans un laboratoire gouvernemental ou un supercalculateur pilote d’ici 2025–26).

Le flux continu des actualités récentes dresse le portrait d’un domaine en rapide progression sur de multiples fronts : des avancées en vitesse (optique 1.6T) aux mouvements stratégiques majeurs (externalisation d’Intel, grosses levées de fonds) et aux premiers déploiements du genre (moteurs optiques pour l’IA). C’est une période passionnante, car ces développements indiquent que la photonique sur silicium passe d’une technologie prometteuse à une réalité commerciale avec un impact croissant sur les produits et les industries.

Pour un public général, la principale leçon à retenir de toutes ces actualités est que la photonique sur silicium n’est pas une promesse lointaine – elle se concrétise dès maintenant. Les entreprises y investissent massivement en argent et en ressources, de vrais produits sont commercialisés, et chaque trimestre apporte de nouveaux jalons qui battent les records précédents. C’est un domaine en évolution rapide, et même les lecteurs férus de technologie pourraient être surpris de la rapidité avec laquelle des concepts comme les « chiplets optiques » ou les « modules 1,6 térabit » sont arrivés. Les actualités soulignent également qu’il s’agit d’une course mondiale – avec une activité significative aux États-Unis, en Europe et en Asie – et que cela concerne aussi bien les startups deep tech que les plus grandes entreprises de semi-conducteurs et les fournisseurs de réseaux.

Perspectives d’avenir et prévisions

En regardant vers l’avenir, le futur de la photonique sur silicium semble extrêmement prometteur, avec le potentiel de redéfinir l’informatique et les communications au cours de la prochaine décennie. Voici quelques prévisions et attentes pour ce que l’avenir nous réserve :

Adoption généralisée dans l’informatique : D’ici la fin des années 2020, on peut s’attendre à ce que la photonique sur silicium devienne une caractéristique standard des systèmes informatiques haut de gamme. Comme mentionné, d’ici 2026–2027, les premiers CPU, GPU ou accélérateurs IA avec I/O optique intégrée devraient apparaître nextplatform.com. Au départ, cela concernera peut-être des marchés spécialisés (superordinateurs, systèmes de trading à haute fréquence, clusters IA de pointe), mais cela ouvrira la voie à une adoption plus large. Une fois la technologie éprouvée et les volumes augmentant, l’I/O optique pourrait se démocratiser dans des serveurs et appareils plus courants dans les années 2030. Imaginez des serveurs en rack où chaque CPU dispose de ports à fibre optique directement sur le package, connectés à un switch optique en haut de rack ; cela pourrait devenir la norme. Le goulot d’étranglement de la mémoire pourrait également être résolu par des liaisons optiques – par exemple, connecter des modules mémoire optiquement aux processeurs pour permettre une plus grande bande passante à distance (certains chercheurs parlent de « désagrégation optique de la mémoire » pour de grands pools de mémoire partagée). En résumé, le data center du futur (et par extension les services cloud du futur) sera probablement construit sur une trame d’interconnexions optiques à tous les niveaux, rendue possible par la photonique sur silicium.
Réseaux en Terabit pour Tous : La capacité des liaisons réseau continuera de faire des bonds en avant. On parle de 1,6 Tb/s, 3,2 Tb/s, voire 6,4 Tb/s pour des émetteurs-récepteurs optiques dans un seul module d’ici le début des années 2030. Ces vitesses sont vertigineuses – une liaison à 3,2 Tb/s pourrait transférer un film 4K en une fraction de milliseconde. Bien que ces vitesses soient utilisées dans les dorsales des centres de données et les réseaux télécoms, elles bénéficient indirectement aux consommateurs (internet plus rapide, services cloud plus robustes). D’ici 2035, les analystes prévoient que le marché des circuits intégrés photoniques atteindra plus de 50 milliards de dollars, principalement grâce à ces émetteurs-récepteurs pour l’IA et les centres de données optics.org. Nous pourrions voir 800G et 1,6T devenir les nouveaux 100G, c’est-à-dire qu’ils deviendront les liaisons de base dans les réseaux. Et à mesure que le volume augmente, le coût par bit baissera, rendant la connectivité haut débit moins chère et plus omniprésente. Il est plausible que même les appareils grand public (comme, par exemple, un casque VR nécessitant une liaison à très haut débit vers un PC ou une console) puissent utiliser un câble USB optique ou Thunderbolt optique pour transporter plusieurs dizaines ou centaines de gigabits sans latence ni perte.
Révolutionner les Télécommunications : Dans les télécoms, la photonique sur silicium aidera à réaliser des réseaux tout-optique avec une efficacité bien supérieure. La communication optique cohérente avec la photonique intégrée atteindra probablement plus de 1 Tb/s par longueur d’onde (avec des constellations avancées et peut-être des DSP d’émetteurs-récepteurs intégrés). Cela pourrait rendre les canaux optiques multi-térabits économiques, réduisant le nombre de lasers/fibres nécessaires. La photonique sur silicium rendra également les multiplexeurs optiques reconfigurables (ROADMs) et autres équipements réseau plus compacts et économes en énergie, ce qui facilitera le déploiement de réseaux 5G/6G à plus grande capacité et une meilleure infrastructure fibre jusqu’au domicile. Un domaine spécifique à surveiller est celui des lasers intégrés pour la TV par câble / l’accès fibre : des lasers accordables bon marché sur silicium pourraient permettre à chaque foyer d’avoir, par exemple, une liaison fibre symétrique à 100G. En intégrant les fonctions optiques, les opérateurs télécoms peuvent simplifier les centraux et têtes de réseau. Ainsi, l’effet net sera des services internet encore plus rapides et fiables à des coûts potentiellement plus bas, propulsés en coulisses par des puces photoniques sur silicium.
Calcul IA et Moteurs Optiques : Dans le domaine de l’IA, si des entreprises comme Lightmatter et Lightelligence réussissent, nous pourrions voir apparaître les premiers coprocesseurs optiques dans les centres de données. Ceux-ci accéléreraient les multiplications de matrices ou l’analyse de graphes à l’aide de la lumière, offrant potentiellement des bonds de performance par watt. Il est concevable que d’ici 5 ans, certains centres de données disposent de racks de accélérateurs IA optiques aux côtés des GPU, traitant des tâches spécialisées extrêmement rapidement (par exemple, de l’inférence ultra-rapide pour des services en temps réel). Même si les ordinateurs entièrement optiques restent quelque peu limités, l’approche hybride électro-optique (électronique pour le contrôle logique, photonique pour le transfert massif de données et les opérations de multiplication-accumulation) pourrait devenir une stratégie clé pour maintenir l’évolution des performances de l’IA. En réduisant la chaleur et la consommation, la photonique peut aider à garder l’entraînement de l’IA réalisable à mesure que les modèles atteignent des milliers de milliards de paramètres. En résumé, la photonique sur silicium pourrait bien être l’ingrédient secret qui permettra le prochain bond de 1000× dans la taille des modèles IA et des données d’entraînement sans faire fondre le réseau électrique.
Impact sur la technologie grand public : Bien que la photonique sur silicium soit actuellement surtout utilisée dans les infrastructures lourdes (centres de données, réseaux), elle finira par se retrouver dans les appareils grand public. Un candidat évident est le casque AR/VR (où il faut transmettre d’énormes quantités de données à de minuscules écrans et caméras – les interconnexions optiques pourraient aider). Un autre exemple est le LiDAR grand public ou les capteurs de profondeur – les futurs smartphones ou objets connectés pourraient intégrer de minuscules capteurs photoniques sur silicium pour le suivi de la santé (comme le visait Rockley Photonics) ou pour la numérisation 3D de l’environnement. Mobileye d’Intel a déjà indiqué que son LiDAR photonique sur silicium sera intégré dans les voitures, donc d’ici la fin des années 2020, votre nouvelle voiture pourrait embarquer une puce photonique intégrée guidant discrètement ses capteurs de conduite autonome tanaka-preciousmetals.com. Avec le temps, à mesure que les coûts baissent, de plus en plus de ces capteurs pourraient apparaître dans les objets du quotidien (imaginez des montres connectées utilisant un capteur photonique sur silicium pour surveiller de façon non invasive le glucose ou d’autres analyses sanguines via la spectroscopie optique sur votre poignet – des entreprises travaillent effectivement sur ce concept). Même dans l’audio/vidéo haut de gamme, les puces optiques pourraient améliorer les caméras (LiDAR pour la mise au point ou la cartographie 3D en photographie) ou permettre des écrans holographiques en modulant la lumière à l’échelle microscopique (un peu spéculatif, mais pas impossible à mesure que les modulateurs spatiaux de lumière sur silicium progressent). Ainsi, dans une décennie, les consommateurs pourraient utiliser la photonique sur silicium dans leurs gadgets sans même s’en rendre compte, tout comme aujourd’hui nous utilisons des capteurs MEMS partout sans y penser.
Photonique dans le domaine quantique : Si l’on se projette plus loin dans le futur, les technologies photoniques quantiques pourraient arriver à maturité. Si PsiQuantum ou d’autres réussissent, nous pourrions disposer d’un ordinateur quantique photonique surpassant les superordinateurs classiques pour certaines tâches – avec peut-être des millions de photons intriqués traités sur puce. Ce serait un accomplissement monumental, sans doute aussi transformateur que les premiers ordinateurs électroniques. Même si cela pourrait arriver après 2030, les progrès intermédiaires pourraient permettre l’émergence de simulateurs quantiques ou de systèmes de communication quantique en réseau utilisant la photonique sur silicium. Par exemple, des liaisons de communication quantique sécurisées (réseaux QKD) pourraient être déployées à l’échelle urbaine grâce à des émetteurs QKD photoniques sur silicium standardisés dans les centres de données. Il existe aussi un potentiel pour des capteurs quantiques sur puce (comme des gyroscopes optiques à sensibilité quantique) pour des applications en navigation ou en science.
Recherche continue et nouveaux horizons : Le domaine de la photonique sur silicium continuera lui-même d’évoluer. Les chercheurs explorent déjà l’intégration 3D – empiler des puces photoniques avec des puces électroniques pour un couplage encore plus étroit (certains étudient des techniques de micro-bumps ou de collage pour placer un interposeur photonique sous un CPU, par exemple). On parle aussi de réseaux optiques sur puce (ONoC), où, au lieu de réseaux électriques sur puce ou en complément, les processeurs utilisent la lumière pour communiquer entre les cœurs. Si un jour des CPU à très grand nombre de cœurs utilisent des réseaux optiques internes, cela pourrait éliminer les goulets d’étranglement de bande passante intra-puce (c’est encore lointain, mais conceptuellement prouvé en laboratoire). La nano-photonique pourrait aussi entrer en jeu : des composants optiques plasmoniques ou à l’échelle nanométrique fonctionnant à des vitesses très élevées ou sur des surfaces extrêmement réduites, potentiellement intégrés à la photonique sur silicium pour certaines tâches (comme des modulateurs ultra-compacts). Et qui sait, peut-être qu’un jour quelqu’un réalisera le graal d’un laser sur silicium grâce à une astuce matérielle ingénieuse – ce qui simplifierait vraiment l’intégration photonique.
Perspectives du marché et de l’industrie : Sur le plan économique, nous verrons probablement le marché de la photonique sur silicium exploser. Selon IDTechX, d’ici 2035, environ 54 milliards de dollars de valeur de marché sont prévus optics.org. Notamment, bien que les communications de données représenteront la majeure partie, on estime qu’environ 11 milliards de dollars pourraient provenir d’applications non liées aux données (télécom, lidar, capteurs, quantique, etc.) optics.org. Cela signifie que les avantages de la technologie seront répartis dans de nombreux secteurs. Nous pourrions également assister à d’importants bouleversements ou partenariats industriels : par exemple, un géant de la tech pourrait-il acquérir l’une des licornes de la photonique (imaginez Nvidia rachetant Ayar Labs ou Lightmatter pour prendre une avance dans l’informatique optique) ? C’est possible à mesure que les enjeux augmentent. De plus, la concurrence internationale pourrait s’intensifier – nous pourrions voir d’importants investissements des gouvernements pour assurer leur leadership (à l’image de l’industrie des semi-conducteurs considérée comme stratégique). La photonique sur silicium pourrait devenir un élément clé des stratégies technologiques nationales, ce qui pourrait encore stimuler le financement de la R&D et les infrastructures.

Dans un sens plus large, si l’on prend du recul, l’avenir avec la photonique sur silicium est un avenir où les frontières entre calcul et communication s’estompent. La distance devient moins limitante – les données pourraient voyager à l’intérieur d’une puce ou entre des villes avec la même facilité sur des fils optiques. Cela pourrait permettre des architectures comme l’informatique distribuée où l’emplacement physique des ressources importe peu car les liaisons optiques rendent la latence faible et la bande passante élevée. Nous pourrions voir de véritables centres de données désagrégés où calcul, stockage et mémoire sont reliés optiquement comme des blocs LEGO. Les gains d’efficacité énergétique de la photonique pourraient également contribuer à une TIC plus verte, ce qui est important alors que l’appétit énergétique des infrastructures numériques augmente.

Pour reprendre les mots d’un vétéran de l’industrie, « le chemin vers la mise à l’échelle de la photonique sur silicium est aussi passionnant que difficile. » laserfocusworld.com Les années à venir connaîtront sans aucun doute des obstacles, mais il existe une détermination collective dans le monde académique et industriel pour les surmonter. Grâce à la collaboration et à l’innovation – en alignant science des matériaux, ingénierie des semi-conducteurs et photonique – les experts sont confiants que nous relèverons ces défis et libérerons tout le potentiel de la photonique sur silicium laserfocusworld.com. Les perspectives d’avenir sont que cette technologie passera de la périphérie (connectant nos appareils ou augmentant des systèmes spécialisés) au cœur même de l’informatique et de la connectivité. Nous assistons essentiellement à l’aube d’une nouvelle ère – une ère où la lumière, et pas seulement les électrons, transporte le flux vital de l’information à travers les appareils et réseaux qui sous-tendent la vie moderne. Et cela représente véritablement un changement révolutionnaire qui se déploiera dans la prochaine décennie et au-delà.

Sources : Définitions et avantages de la photonique sur silicium ansys.com ansys.com ; applications dans la détection, le LiDAR, le quantique ansys.com ansys.com ; tendances des centres de données et de l’IA laserfocusworld.com, optics.org ; citations et analyses d’experts laserfocusworld.com, tanaka-preciousmetals.com, nature.com ; leaders du secteur expertmarketresearch.com ; actualités récentes et investissements datacenterdynamics.com, nextplatform.com, nextplatform.com ; projections futures optics.org