Szilícium-fotonikai forradalom – Fénysebességű technológia alakítja át a mesterséges intelligenciát, adatközpontokat és még sok mást

A szilícium-fotonika szilícium alapú fotonikus integrált áramköröket (PIC-eket) használ a fény manipulálására adatfeldolgozás és kommunikáció céljából, lehetővé téve a chipen belüli és chip-ek közötti összeköttetéseket olyan sebességeken, mint a 100 Gb/s és 400 Gb/s.
Egy körömnyi méretű szilícium-fotonikai chip több tucat lézercsatornát képes befogadni, és sűrű hullámhossz-osztásos multiplexeléssel terabiteknyi adatot továbbíthat.
Az adatközponti összeköttetések profitálnak az optikai kapcsolatokból, amelyek kevesebb energiát fogyasztanak és nagyobb sűrűséget biztosítanak; ilyen prototípus például az 51,2 Tb/s kapcsolóchip integrált optikai I/O-val.
2024-ben az Ayar Labs bemutatott egy optikai chipletet, amely 8 Tbps sávszélességet biztosít 16 hullámhosszon keresztül, és egy 2024 végén lezajlott D sorozatú tőkebevonás során 155 millió dollárt gyűjtöttek, amelyben az Nvidia, az AMD és az Intel is részt vett, így a cég értékelése meghaladta az 1 milliárd dollárt.
Az Intel 2023 végén kiszervezte szilícium-fotonikai adó-vevő chipjeinek gyártását a Jabilnak, miután 2016 óta több mint 8 millió fotonikus adó-vevő chipet szállított le.
Az InnoLight 2023 végén bemutatott egy 1,6 Tbps optikai adó-vevő prototípust, és 2026-ra 3,2 Tbps modulokat várnak, ahogy közelednek a több terabites kapcsolatok.
Az amerikai AIM Photonics intézet 321 millió dolláros, hét évre szóló programot kapott 2028-ig az integrált fotonikai gyártás fejlesztésére az Egyesült Államokban, lehetővé téve egy New York-i szilícium-fotonikai gyár és csomagolósor létrehozását.
A Broadcom 2023-ban bemutatott 25,6 Tbps és 51,2 Tbps együttcsomagolt optikai kapcsoló prototípusokat integrált lézeres fotonikai motorokkal.
A Lightmatter 2024-ben 400 millió dollárt gyűjtött D sorozatú tőkebevonásban optikai AI gyorsító platformjának finanszírozására, a PsiQuantum pedig nyilvánosan ismertette egy veszteségtűrő fotonikus kvantumszámítógéphez vezető útját Omega chipjével 2024-ben.
Az elemzők előrejelzése szerint a szilícium-fotonika piaca 2035-re eléri az 54 milliárd dollárt, ebből mintegy 11 milliárd dollár nem adatközponti alkalmazásokból származik, amit nagyrészt az AI adatközponti igények hajtanak.

Mi az a szilícium-fotonika és hogyan működik?

A szilícium-fotonika egy olyan technológia, amely szilícium alapú fotonikus integrált áramköröket (PIC-eket) használ a fény (fotonok) manipulálására feldolgozás és kommunikáció céljából. Egyszerűen fogalmazva, ez azt jelenti, hogy optikai eszközöket (például lézereket, modulátorokat és detektorokat) építenek szilícium chipekre, hasonlóan ahhoz, ahogy az elektronikus áramkörök készülnek. Ezek a szilícium-fotonikai chipek fény segítségével tudnak adatot küldeni és fogadni, lehetővé téve az ultragyors adatátvitelt nagy sávszélességgel és alacsony energia-veszteséggel ansys.com. Főbb alkotóelemei a hullámvezetők (apró optikai „vezetékek”, amelyek a fényt irányítják a chipen), a modulátorok (amelyek az adatot a fénysugarakra kódolják), a lézerek (amelyeket általában más anyagokból adnak hozzá, mivel a szilícium önmagában nem tud fényt kibocsátani), és a fotodetektorok (amelyek a bejövő fényt visszaalakítják elektromos jellé) ansys.com. Ezeket egy szilícium platformon integrálva a mérnökök kihasználják a jól bevált félvezetőgyártási (CMOS) technológiát a fotonikus eszközök tömeggyártásához, ötvözve a fény sebességét a modern chipgyártás léptékével ansys.com.

Hogyan működik? A rézvezetékekben áramló elektromos impulzusok helyett a szilícium fotonikus áramkörök infravörös lézerfényt használnak, amely mikrométeres méretű hullámvezetőkön halad át. A szilícium átlátszó az infravörös hullámhosszak számára, így a fény minimális veszteséggel terjedhet, ha olyan anyagok veszik körül, mint a szilícium-dioxid, amelyeknek alacsonyabb a törésmutatója ansys.com ansys.com. Az adatokat modulátorok kódolják ezekre a fényhullámokra, amelyek gyorsan tudják változtatni a fény intenzitását vagy fázisát. A másik oldalon a chipen lévő fotodetektorok visszaalakítják az optikai jeleket elektromos formába. Mivel a fény sokkal magasabb frekvencián rezeg, mint az elektromos jelek, az optikai összeköttetések sokkal több adatot tudnak másodpercenként továbbítani, mint az elektromos vezetékek. Egyetlen apró szál vagy hullámvezető több tíz vagy száz gigabitet képes továbbítani másodpercenként, és ha több fényhullámhosszt használnak (sűrű hullámhossz-osztásos multiplexelés), egyetlen szál terabitek adatot is hordozhat. Gyakorlati szempontból a szilícium fotonika lehetővé teszi a chipen belüli vagy chipek közötti kommunikációt olyan sebességgel, mint 100 Gb/s, 400 Gb/s vagy még több, amihez egyébként sok rézvezeték kellene, vagy egyszerűen megvalósíthatatlan lenne nagyobb távolságokon ansys.com optics.org.

A szilícium fotonikus eszközök kompaktak, gyorsak és energiahatékonyak. A fény nagyon alacsony ellenállással haladhat a hullámvezetőkben (nincs elektromos kapacitás vagy melegedési probléma, mint a réznél nagy sebességnél), ami potenciálisan alacsonyabb energiafogyasztást jelent az adatmozgatásnál. Egy elemzés szerint az optikai összeköttetések drasztikusan enyhíthetik az adatátviteli szűk keresztmetszeteket és csökkenthetik a hőt a nagy teljesítményű rendszerekben – „az optikai összeköttetések, amelyeket a szilícium fotonika tesz lehetővé, az egyetlen skálázható út előre” a robbanásszerűen növekvő sávszélesség-igények kezelésére laserfocusworld.com. Röviden, a szilícium fotonika ötvözi az olcsó, tömeggyártható szilícium chip platformot a fény fizikájával, létrehozva a „fotonok áramköreit” egy chipen ansys.com. Ez a technológia lehetővé teszi, hogy szó szerint a fény sebességével mozgassuk az adatokat olyan helyzetekben, ahol a hagyományos elektronika eléri a határait.

A szilícium fotonika fő alkalmazásai

A szilícium fotonika a száloptikás kommunikációban indult, de ma már egy sokoldalú platform, amely számos élvonalbeli területen talál alkalmazást. Nagy sebessége és energiahatékonysága miatt minden olyan terület, ahol hatalmas mennyiségű adatot kell mozgatni (vagy a fényt precízen kell szabályozni), potenciális felhasználó. Íme néhány kulcsfontosságú alkalmazás:

Adatközpontok és nagysebességű felhőhálózatok

Az egyik legfontosabb alkalmazási terület az adatközpontokon és szuperszámítógépeken belül található, ahol a szilícium-fotonika sürgető igényt elégít ki a gyorsabb, hatékonyabb összeköttetések iránt. A modern felhő- és hiperskálázható adatközpontok hatalmas adatáramlást kezelnek a szerverek, rackek és a kampusz hálózatok között. A rézkábelek és a hagyományos elektromos kapcsolók egyre inkább szűk keresztmetszetet jelentenek – túl sok energiát fogyasztanak, és nem skálázhatók bizonyos távolságok vagy sebességek fölé (például a 100 Gb/s rézkapcsolatok csak néhány méterig működnek). A szilícium-fotonikus összeköttetések ezt úgy oldják meg, hogy optikai szálakat és fedélzeti optikai motorokat használnak a szerverek és kapcsolók összekapcsolására nagyon nagy sebességgel, minimális veszteséggel. A száloptikai adó-vevők, amelyek szilícium-fotonikán alapulnak, már most is felváltják vagy kiegészítik az elektromos kapcsolatokat a rackek közötti, sőt a racken belüli kommunikációban is tanaka-preciousmetals.com.

A Cisco és az Intel úttörők voltak ezen a területen: a Cisco most nagy sebességű, cserélhető optikai adó-vevőket tervez szilícium fotonikával, hogy összekapcsolja a hálózati eszközöket expertmarketresearch.com. Az Intel szintén kihasználta a szilícium fotonikát az adatközponti kapcsolatok javítására, több millió 100G optikai adó-vevő chipet szállított, és most 200G, 400G modulokat gyárt, valamint 800G optikai modulokat mintáz tanaka-preciousmetals.com. Az indíték egyértelmű – ahogy az adatsebességek 100G-ről 200G-re, majd 400G-re duplázódnak, a réz hatótávolsága drámaian csökken. „Ha ma belép egy adatközpontba, 100 Gb/s rézkábeleket lát, amelyek a szervereket a rack tetején lévő kapcsolóhoz kötik… Ezek a kábelek négy méterig megfelelőek. De a racken túl már minden optikát használ,” jegyzi meg Robert Blum, az Intel fotonikai részlegének vezetője, hozzátéve, hogy „ahogy növeljük az adatsebességet 200 vagy 400 Gb/s-ra, a réz hatótávolsága sokkal rövidebb lesz, és azt látjuk, hogy az optika egészen a szerverig eljut.” tanaka-preciousmetals.com A nagy teljesítményű számítástechnikai (HPC) klaszterekben és AI szuperszámítógépekben, ahol több ezer processzornak van szüksége alacsony késleltetésű kapcsolatokra, az optikai összeköttetések biztosítják a sávszélességet, hogy minden chip elegendő adatot kapjon ansys.com, laserfocusworld.com. Ha a fotonikát a kapcsolóba, sőt a processzorcsomagokba is beépítik (az úgynevezett együttcsomagolt optika), a jövő adatközponti hálózatai sokkal nagyobb áteresztőképességet érnek el. Valójában 51,2 Tb/s kapcsolóchipek integrált optikai I/O-val már a láthatáron vannak, és prototípusokat már be is mutattak tanaka-preciousmetals.com.A haszonszerzés az adatközpontok számára jelentős: alacsonyabb energiafogyasztás (az optikai összeköttetések sokkal kevesebb energiát veszítenek hő formájában, mint amikor elektronokat tolnak át rézen több tíz GHz-en), nagyobb sűrűség (sok optikai csatorna multiplexálható anélkül, hogy elektromágneses interferenciától kellene tartani), és hosszabb hatótávolság (az optikai jelek szükség esetén kilométereket is megtehetnek). Ez azt jelenti, hogy a szilícium fotonika segít az adatközpontoknak a teljesítmény skálázásában anélkül, hogy az összeköttetések korlátai visszafognák őket. Egy piaci elemző megjegyezte, hogy az AI-központú adatközpontok példátlan keresletet támasztanak a nagy teljesítményű optikai adó-vevők iránt, és kijelentette, hogy „a szilícium fotonika és a PIC-ek állnak ennek a forradalomnak az élén, mivel képesek 1,6 Tbps és annál nagyobb sebességgel adatot továbbítani.” optics.org Gyakorlati szempontból egy körömnyi méretű fotonikus chipen tucatnyi lézercsatorna lehet, amelyek együtt terabiteknyi adatot szállítanak – ez kulcsfontosságú a következő generációs felhőinfrastruktúrához.

AI és gépi tanulás gyorsítása

Az AI és gépi tanulás feladatok robbanásszerű növekedése az adatközponti alkalmazások egy speciális esete – külön említést érdemel, mert az AI egyedi követelményeket támaszt, és új felhasználásokat ösztönzött a szilícium fotonika számára. Fejlett AI modellek (például chatbotokat működtető nagy nyelvi modellek) betanítása óriási párhuzamos számításokat igényel, amelyeket sok GPU vagy speciális AI gyorsító között osztanak el. Ezeknek a chipeknek hatalmas mennyiségű adatot kell cserélniük olyan feladatokhoz, mint a modell betanítása, ami gyakran telíti a hagyományos elektromos összeköttetéseket. A szilícium fotonika kétszeres előnyt kínál az AI számára: nagy sávszélességű összeköttetéseket és akár az optikai számítás lehetőségét is.

Az összeköttetések terén optikai kapcsolatokat fejlesztenek, hogy közvetlenül összekapcsolják az AI gyorsító chipeket vagy a memóriát fénnyel (ezt néha optikai I/O-nak is nevezik). A hagyományos szerver backplane vagy GPU-GPU közötti kommunikáció optikai szálra cserélésével az AI rendszerek jelentősen csökkenthetik a kommunikációs késleltetést és az energiafogyasztást. Például olyan startupok, mint a Ayar Labs, optikai I/O chipleteket hoznak létre, amelyek a processzorok mellett helyezkednek el, és fénnyel továbbítják az adatokat be és ki, kiküszöbölve a sűrű rézvezeték-kötegeket, amelyekre egyébként szükség lenne. 2024-ben az Ayar Labs bemutatott egy optikai chipletet, amely 8 Tbps sávszélességet biztosít 16 fényhullámhossz használatával – ez megmutatja, hogyan nézhetnek ki a következő generációs AI összeköttetések businesswire.com. A nagy chipgyártók is figyelnek: az Nvidia, az AMD és az Intel mind befektetett az Ayar Labs-ba egy 155 millió dolláros finanszírozási kör részeként, arra fogadva, hogy az optikai összeköttetések kulcsfontosságúak lesznek a jövő AI hardverének skálázásában nextplatform.com. Ahogy egy újságíró megjegyezte, ha nem lehet elég sebességet elérni pusztán a chipek gyorsításával, „a következő legjobb dolog, amibe érdemes pénzt fektetni, valószínűleg valamilyen optikai I/O.” nextplatform.com

Az AI chipek közötti adatmozgatáson túl, a szilícium fotonika az optikai számítást is lehetővé teszi az AI számára. Ez azt jelenti, hogy bizonyos számításokat (például mátrixszorzásokat neurális hálózatokban) fénnyel, nem pedig elektromossággal végeznek, ami potenciálisan áthidalhatja a mai elektronikus AI gyorsítók sebesség- és energiahatékonysági korlátait. Olyan cégek, mint a Lightmatter és a Lightelligence prototípus fotonikus processzorokat építettek, amelyek szilícium hullámvezetőkben a fény interferenciáját használják az eredmények párhuzamos kiszámítására. 2024 végén a Lightmatter figyelemre méltó, 400 millió dolláros D sorozatú tőkebevonást hajtott végre (így értéke elérte a 4,4 milliárd dollárt), hogy továbbfejlessze optikai számítási technológiáját nextplatform.com. Bár még fejlődőben vannak, ezek a fotonikus AI gyorsítók rendkívül gyors, alacsony késleltetésű neurális hálózat-végrehajtást ígérnek sokkal alacsonyabb energiafogyasztással, mivel a fotonok minimális hőt termelnek a több milliárd tranzisztor kapcsolási eseményéhez képest.

Összességében, ahogy az AI modellek mérete és összetettsége növekszik (és tízezres nagyságrendű chip klasztereket igényelnek), a szilícium fotonikát egy „paradigmaváltásnak” tekintik, amely képes leküzdeni a kommunikációs szűk keresztmetszeteket az AI infrastruktúrában laserfocusworld.com. Ez lehetőséget kínál arra, hogy a processzorok közötti sávszélességet lineárisan lehessen skálázni az igényekkel, amivel az elektromos kapcsolatok nehezen tudnak lépést tartani. Az iparági megfigyelők előrejelzése szerint az optikai technológiák (mint például a közösen csomagolt optikák, optikai chip–chip kapcsolatok, és esetleg fotonikus számítási elemek) a következő években szabvánnyá válnak az AI rendszerekben – nem csupán egy rétegkísérletként. Valójában egyes becslések szerint az AI adatközpontok olyan gyorsan fognak növekedni (évi 50%-os összetett növekedési ütem a fogyasztásban), hogy 2030-ra a jelenlegi elektromos I/O-val fenntarthatatlanná válhatnak, így a szilícium fotonika „a jövő infrastruktúrájának nélkülözhetetlen részévé” válik, hogy az AI skálázható maradjon laserfocusworld.com.

Távközlés és hálózatépítés

A szilícium fotonika gyökerei a távközlésben vannak, és továbbra is forradalmasítja az adatátvitel módját nagy távolságokon. A száloptikás távközlési hálózatokban – legyen szó az internet gerinchálózatáról, tengeralatti kábelekről vagy városi és hozzáférési hálózatokról – az integrált fotonikát arra használják, hogy kisebb, gyorsabb és olcsóbb optikai adó-vevőket készítsenek. A hagyományos optikai kommunikációs rendszerek gyakran különálló alkatrészekre (lézerek, modulátorok, detektorok egyenként összeszerelve) támaszkodtak, de a szilícium fotonikai integráció sok ilyen alkatrészt egyetlen chipre helyezhet, javítva a megbízhatóságot és csökkentve az összeszerelési költségeket tanaka-preciousmetals.com.

Manapság a szilícium fotonikai technológiát alkalmazó optikai adó-vevő modulok elterjedtek az adatközpontok közötti összeköttetésekben, és egyre inkább megjelennek a távközlési infrastruktúrában is 100G, 400G és afölötti sebességekhez. Például olyan cégek, mint az Infinera és a Cisco (Acacia) fejlesztettek koherens optikai adó-vevőket szilícium fotonikával 400G és 800G kapcsolatokhoz a távközlési hálózatokban. A szélessávú és 5G/6G vezeték nélküli hálózatok szintén profitálnak ebből – a bázisállomásokat összekötő vagy a fronthaul/backhaul adatokat szállító optikai szálas kapcsolatok hatékonyabbá tehetők szilícium fotonikával. Az Intel kiemelte, hogy a szilícium fotonika szerepet fog játszani a „következő generációs 5G kiépítésekben kisebb formátumokkal és nagyobb sebességekkel, a mai 100G-től a holnapi 400G-ig és azon túl” expertmarketresearch.com. Az a képesség, hogy tucatnyi lézer hullámhosszt lehet integrálni egyetlen chipre, hasznos a sűrű hullámhossz-osztásos multiplexelésű (DWDM) rendszerekben, amelyeket a távközlési szolgáltatók használnak, hogy több csatornát zsúfoljanak egyetlen szálra. 2023-ban egy kínai vállalat, az InnoLight, még egy 1,6 Tb/s optikai adó-vevőt is bemutatott (több hullámhossz és fejlett moduláció alkalmazásával) – ez annak a jele, hogy a több terabites optikai kapcsolatok a közeljövőben megjelenhetnek optics.org.

Egy másik hálózati alkalmazás a maghálózati útválasztó és kapcsoló berendezésekben található. A csúcskategóriás útválasztók és optikai kapcsolóplatformok elkezdték alkalmazni a szilícium fotonikai áramköröket olyan funkciókra, mint az optikai kapcsolás, jelirányítás, sőt, akár hullámhossz-szűrés chipen belül. Például nagyméretű szilícium-fotonikai kapcsolószöveteket prototipizáltak, amelyek szilícium MEMS vagy termo-optikai hatásokat használnak a fényutak gyors kapcsolására, potenciálisan lehetővé téve a teljesen optikai áramkörkapcsolást. Ezeket végül adatközponti hálózatokban is használhatják, hogy optikailag konfigurálják át a kapcsolatokat menet közben (a Google utalt arra, hogy egyes AI klasztereiben optikai kapcsolókat használ) nextplatform.com.

Összességében a távközlésben a célok a nagyobb kapacitás és az alacsonyabb bitenkénti költség. A szilícium-fotonika ebben úgy segít, hogy növeli a száloptikai kapacitást (100G → 400G → 800G és 1,6T hullámhosszonként), valamint csökkenti a gyártási költségeket a CMOS félvezetőgyártási folyamatok révén. Beszédes, hogy az Intel szilícium-fotonikai részlege, mielőtt átszervezték, több mint 8 millió fotonikus adó-vevő chipet szállított le 2016 és 2023 között adatközponti és hálózati felhasználásra optics.org. Az iparági együttműködések is bővülnek: például az Intel 2023 végén bejelentette, hogy adó-vevő gyártását a Jabilhoz (egy szerződéses gyártóhoz) helyezi át a termelés további bővítése érdekében optics.org. Eközben az olyan optikai alkatrészóriások, mint a Coherent (korábban II-VI), valamint a hagyományos távközlési beszállítók (Nokia, Ciena stb.) mind befektetnek a szilícium-fotonikába a következő generációs optikai modulokhoz optics.org. A technológia mind az internet fizikai infrastruktúrájának, mind a gyorsan fejlődő 5G/6G kommunikációs ökoszisztémának alapkövévé válik.

Érzékelés és LiDAR

A szilícium-fotonika nem csak a kommunikációról szól – új típusú érzékelőket is lehetővé tesz a fény chipen történő precíz vezérlésének kihasználásával. Egy izgalmas terület a biokémiai és környezeti érzékelés. A szilícium-fotonikai érzékelők képesek kimutatni a törésmutató vagy az abszorpció apró változásait, amikor egy minta (például egy csepp vér vagy egy vegyi gőz) kölcsönhatásba lép egy vezetett fénysugárral. Például egy szilícium-fotonikai chipen lehet egy apró gyűrűs rezonátor vagy interferométer, amely frekvenciát vált, amikor bizonyos molekulák kötődnek hozzá. Ez lehetővé teszi a biomarkerek – fehérjék, DNS, gázok stb. – laboratóriumi chip-alapú érzékelését nagy érzékenységgel és potenciálisan alacsony költséggel. Az ilyen fotonikus bioszenzorokat használhatják orvosi diagnosztikában, környezeti monitorozásban vagy akár „mesterséges orr” alkalmazásokban is optics.org optics.org. A miniatürizáció és integráció előnyei kulcsfontosságúak: egyetlen szilícium-fotonikai érzékelőchip integrálhat fényforrásokat, érzékelő elemeket és fotodetektorokat, így kompakt, strapabíró érzékelőt kínál a terjedelmes optikai laborfelszerelések helyett. A szilícium-nitrid fotonikában (egy változat, amely jobban működik a látható hullámhosszakon) végzett kutatások még több érzékelési alkalmazást nyitnak meg, mivel a SiN képes vezetni a látható fényt olyan dolgok érzékeléséhez, mint a fluoreszcencia vagy a Raman-jelek, amelyeket a tiszta szilícium nem tud.

Egy másik robbanásszerűen fejlődő alkalmazás a LiDAR (Light Detection and Ranging) az önvezető járművek, drónok és robotika területén. A LiDAR rendszerek lézernyalábokat bocsátanak ki, és a visszavert fényt mérik a távolságok feltérképezéséhez – lényegében „3D lézeres látás”. A hagyományos LiDAR egységek gyakran mechanikus pásztázásra és különálló lézerekre/detektorokra támaszkodnak, ami drágává és kissé terjedelmessé teszi őket. A szilícium fotonika lehetőséget kínál a LiDAR chipre integrálására: a sugárirányító elemek, osztók, modulátorok és detektorok monolitikus integrálásával. Egy szilícium fotonikai LiDAR szilárdtest sugárirányítást (például optikai fázisrácsokat) használhat a környezet pásztázására mozgó alkatrészek nélkül. Ez jelentősen csökkenti a LiDAR egységek méretét és költségét. Valójában az Intel Mobileye jelezte, hogy szilícium fotonikai integrált áramköröket használ a következő generációs önvezető LiDAR szenzoraiban 2025 körül tanaka-preciousmetals.com. Az ilyen integráció csökkentheti a LiDAR költségeit, és lehetővé teheti a tömeges bevezetést az autókban. A szilícium fotonikai LiDAR gyorsabb pásztázást és nagyobb felbontást is elérhet több hullámhossz vagy a chipre épített koherens detektálási technikák kihasználásával. További előny, hogy ezek az integrált megoldások általában kevesebb energiát fogyasztanak – ami fontos tényező az elektromos járművek esetében.

Az Ansys szerint „a szilícium fotonikával működő LiDAR megoldások kompaktabbak, kevesebb energiát használnak, és olcsóbban gyárthatók, mint a különálló alkatrészekből épített rendszerek.” ansys.com Ez tömören összefoglalja, miért versenyeznek startupoktól a technológiai óriásokig a fotonikai LiDAR fejlesztéséért. Már most láthatunk prototípusokat a FMCW LiDAR-ból (frekvenciamodulált folyamatos hullámú LiDAR), amely kifinomult fotonikai áramköröket, például hangolható lézereket és interferométereket igényel. A szilícium fotonika természetes platform erre, és a szakértők szerint az integrált fotonika kulcsfontosságú lesz az FMCW LiDAR nagyüzemi megvalósításához (hosszú hatótávja és interferenciamentessége miatt) optics.org optics.org. A közeljövőben számíthatunk arra, hogy autók és drónok kis, chip-alapú LiDAR egységekkel lesznek felszerelve, amelyek nagy teljesítményt nyújtanak – a szilícium fotonikai innováció közvetlen eredményeként.

A LiDAR-on túl más érzékelési felhasználások közé tartoznak a giroszkópok és inerciális szenzorok (gyűrűlézeres giroszkópok chipen navigációhoz), valamint a spektrométerek (integrált optikai spektrométerek kémiai elemzéshez). A közös pont, hogy a szilícium fotonika az optikai mérés pontosságát hozza el miniatürizált, gyártható formátumban. Ez új lehetőségeket nyit a fogyasztói elektronikában (képzeljünk el egy optikai egészségügyi szenzort egy okosórában), ipari monitorozásban és tudományos műszerekben.

Kvantumszámítástechnika és fotonikai kvantumtechnológiák

A kvantumszámítógépek kutatásában a fotonok (fényrészecskék) egyedi szerepet játszanak. Az elektronoktól eltérően a fotonok nagy távolságokat tudnak megtenni anélkül, hogy kölcsönhatásba lépnének a környezettel (ami hasznos a kvantuminformáció továbbításához), és bizonyos kvantumszámítógépes sémák magukat a fotonokat használják qubitként. A szilícium fotonika vezető platformként jelent meg a kvantumszámítástechnikai és hálózati kutatásokban.

Számos startup és kutatócsoport dolgozik fotonikus kvantumszámítógépeken, amelyek szilícium-alapú fotonikus áramköröket használnak a fényben kódolt qubitek előállítására és manipulálására. Például a PsiQuantum, egy jelentős tőkével rendelkező startup, egy félvezetőgyárral működik együtt, hogy nagyszabású kvantumszámítógépet építsen több ezer szilícium fotonikus qubit csatornával. Az elképzelés az, hogy olyan eszközöket integráljanak egy chipre, mint az egyfoton-források, nyalábosztók, fázistolók és fotondetektorok, hogy kvantumlogikát hajtsanak végre fotonokkal. A szilícium fotonika előnye itt a skálázhatóság – mivel a CMOS gyártástechnológiára épül, elvileg nagyon összetett kvantumfotonikus áramköröket lehet létrehozni több száz vagy akár ezer komponenssel, ami más kvantumhardver-megközelítéseknél sokkal nehezebb. Valóban, a kutatók nemrégiben bemutattak olyan szilícium fotonikus chipeket, amelyek több ezer komponenssel együttműködve manipulálják a kvantumfényt nature.com.

A szilícium fotonika lehetővé teszi a kvantumhálózatok – biztonságos kommunikáció kvantumkulcs-megosztással (QKD) és összefonódott fotonokkal – megvalósítását is, mivel platformot biztosít kompakt, stabil optikai kvantumadók és -vevők számára. Emellett bizonyos kvantumérzékelő technológiák (például optikai kvantum giroszkópok vagy egyfotonos LiDAR) is szilícium fotonikus chipeket használhatnak magjukban.

A fotonikus kvantumszámítástechnikában az egyik fő kihívás az egyfotonok igény szerinti előállítása és alacsony veszteségű irányítása. Érdekes módon ugyanazok a korlátok (és megoldások) érvényesek, mint a klasszikus szilícium fotonikában: a szilícium önmagában nem lézerez, ezért a kvantumfotonikus chipek gyakran integrált nemlineáris folyamatokat vagy kvantumpont-forrásokat használnak egyfotonok létrehozására, vagy speciális anyagokat integrálnak hibrid módon. A előnyök azonban hasonlóak – nagy pontosság és miniatürizáció. Ahogy az Ansys jelentése is megjegyzi, a kvantumszámítógépek fotonokat használnak a számításokhoz, és ezeknek a fotonoknak az integrált fotonikával való kezelése sebesség-, pontosság- és költségelőnyöket biztosít ansys.com. A gyakorlatban a szilícium fotonika biztosíthatja azt a stabilitást és gyárthatóságot, amely szükséges ahhoz, hogy a kvantumrendszereket a laboratóriumi kísérletekből valódi gépekké lehessen felskálázni.

A számítástechnikán kívül a kvantum-fotonikus szenzorok (például olyan interferométerek, amelyek kvantumállapotokat használnak a nagyobb érzékenység érdekében) és a kvantum véletlenszám-generátorok is olyan területek, ahol a szilícium-fotonika hatást gyakorol. Bár a fotonikus kvantumszámítógépek fejlesztése még folyamatban van, és valószínűleg még néhány évre van az érettségtől, az ezen a területen történő jelentős befektetések aláhúzzák az ígéretét. 2022-ben egy vezető kutató, Prof. John Bowers kiemelte, hogy a szilícium-fotonika gyorsan fejlődik, és számos új alkalmazás, köztük a kvantum is, a láthatáron van nature.com. Elképzelhető, hogy az első nagyszabású kvantumszámítógépek valójában optikaiak lesznek, amelyeket szilícium-fotonikus chipekre építenek – ez egy lenyűgöző körforgás, ahol egy eredetileg távközlésre fejlesztett technológia teheti lehetővé a számítástechnika következő ugrását.

Jelenlegi trendek és fejlemények (2025)

2025-ben a szilícium-fotonika rendkívüli lendületet kap. Számos trend találkozott, amelyek ezt a technológiát a laboratóriumokból és a speciális felhasználásokból a technológiai ipar fősodrába emelték:

Adatszűk keresztmetszet és együttcsomagolt optika: Az adatigény (különösen a mesterséges intelligencia és a felhőszolgáltatások miatt) csillapíthatatlan növekedése az elektromos összeköttetéseket komoly szűk keresztmetszetté tette. Már ott tartunk, hogy minden alkalommal, amikor megduplázzuk egy összeköttetés sávszélességét, a jel integritásának megőrzése érdekében felére kell csökkenteni a rézkábel hosszát nextplatform.com – ez fenntarthatatlan kompromisszum. Ez a sürgető helyzet ráirányította a figyelmet olyan megközelítésekre, mint az együttcsomagolt optika (CPO), ahol az optikai egységeket közvetlenül a kapcsoló ASIC-ek vagy processzorchipek mellé helyezik, hogy szinte teljesen kiküszöböljék az elektromos átvitel távolságát. 2023-ban több vállalat is bemutatott együttcsomagolt optikát kapcsolókban (például a Broadcom 25,6 Tb/s és 51,2 Tb/s kapcsoló prototípusai integrált lézeres fotonikus egységekkel). Az iparági ütemtervek szerint az 51,2 Tb/s Ethernet kapcsolóchipek együttcsomagolt szilícium-fotonikával a következő egy-két évben jelenhetnek meg a piacon tanaka-preciousmetals.com, és várhatóan 2026–2027 körül láthatjuk az első olyan CPU-kat/GPU-kat, amelyek közvetlenül használnak optikai I/O-t nextplatform.com. Más szóval, az összeköttetések optikai korszaka hamarosan beköszönt a gyakorlati rendszerekben. Az Intel, az Nvidia és a Cisco is aktívan fejleszt CPO-megoldásokat. Valójában az Intel Tomambe projektje és mások már bemutattak 1,6 Tb/s fotonikus egységeket, amelyeket kapcsolóchipekkel integráltak tanaka-preciousmetals.com. Az általános vélekedés szerint: évekig tartó kutatás után az együttcsomagolt optika a prototípus szakaszból a termék szakaszba lép, célja pedig az, hogy a fényforrásokat közelebb hozza az adatforráshoz, így csökkentve a bitenkénti energiafogyasztást (egy becslés szerint 30%-os energiamegtakarítás a csatlakoztatható megoldásokhoz képest laserfocusworld.com).
Befektetési és startup aktivitás hulláma: Az elmúlt néhány évben jelentős befektetések és finanszírozások történtek szilícium-fotonikai vállalkozásokban. Ez tükrözi az iparág technológia jövőjébe vetett bizalmát. Például 2024 végén az Ayar Labs 155 millió dolláros D sorozatú tőkebevonást hajtott végre (amellyel „unikornis” státuszba került, több mint 1 milliárd dolláros értékeléssel), hogy optikai I/O megoldásait skálázza; figyelemre méltó, hogy ebben a körben stratégiai befektetőként maga a Nvidia, AMD és Intel is részt vett nextplatform.com. Hasonlóképpen, a fotonikus számítástechnikai startup, a Lightmatter 400 millió dollár finanszírozást szerzett 2024-ben, hogy továbbfejlessze optikai AI gyorsító platformját nextplatform.com. Egy másik startup, a Celestial AI, amely az AI-hoz kapcsolódó optikai összeköttetésekre fókuszál, nemcsak 175 millió dollárt vont be 2024 elején, hanem megszerezte a Rockley Photonics szilícium-fotonikai szellemi tulajdon portfólióját (egy korábban érzékelésre fókuszáló fotonikai cég) 20 millió dollárért 2024 októberében datacenterdynamics.com. Ez a felvásárlás több mint 200 szabadalmat adott a Celestial AI-nak a szilícium-fotonika területén, és az iparág konszolidációját is jelzi – a kisebb, értékes fotonikai technológiával rendelkező szereplőket (a Rockley fejlett modulátorokat és integrált optikát fejlesztett viselhető eszközökhöz) olyan cégek olvasztják magukba, amelyek az adatközponti és AI piacokat célozzák. Láttuk továbbá, hogy a HyperLight és a Lightium, két, vékonyfilm lítium-niobát fotonikai chipekre specializálódott startup, összesen 44 millió dollár befektetést vonzott 2023-ban optics.org, ami kiemeli az új anyagok iránti érdeklődést a szilícium-fotonika fejlesztésében (a TFLN modulátorok gyorsabb sebességet és alacsony veszteséget kínálhatnak). Összességében a kockázati tőke és a vállalati támogatás a szilícium-fotonikai cégek számára minden eddiginél magasabb, ami azt mutatja, hogy az optikai technológia kulcsfontosságú a jövő félvezetői számára.
A technológia érésének és az ökoszisztéma növekedésének folyamata: Egy másik trend a szilícium fotonika ökoszisztémájának érése. Egyre több öntöde és beszállító lép be a piacra. Korábban csak néhány szereplőnek (mint például az Intel vagy a Luxtera) voltak végponttól végpontig terjedő képességei. Mostanra a nagy félvezető-öntödék, mint a GlobalFoundries, a TSMC, sőt még az STMicroelectronics is kínálnak szilícium fotonikai gyártósorokat vagy standardizált fotonikai PDK-kat (Process Design Kits) az ügyfelek számára ansys.com. Ez a standardizáció azt jelenti, hogy startupok vagy kisebb cégek is tervezhetnek fotonikai áramköröket, és legyárthatják őket anélkül, hogy saját gyárat kellene építeniük – hasonlóan ahhoz, ahogy a fabless elektronikai chipgyártó cégek működnek. Rendszeres többprojekt-es ostyafutások (MPW – Multi-Project Wafer) vannak fotonikai chipekhez, ahol több terv osztozik egy ostyafutáson, jelentősen csökkentve a prototípusgyártás költségét. Ipari csoportok dolgoznak standardizált tokozási megoldásokon (optikai I/O interfészek, szálcsatlakoztatási módszerek), hogy a fotonikai chipek könnyebben integrálhatók legyenek a termékekbe. Az American Institute for Manufacturing Integrated Photonics (AIM Photonics) megalapítása nagy lendületet adott: ez a köz- és magánszféra együttműködésében létrejött konzorcium szilícium fotonikai öntödét és tokozósort hozott létre New Yorkban, és nemrégiben elnyert egy 321 millió dolláros, 7 éves programot (2028-ig) az integrált fotonikai gyártás fejlesztésére az Egyesült Államokban nsf.gov. Hasonlóképpen, Európában olyan kutatóintézetek, mint a IMEC Belgiumban és a CEA-Leti Franciaországban szilícium fotonikai platformokat biztosítanak, és fotonikai startupok klaszterét hozták létre. Kínában is felgyorsult a szilícium fotonika fejlődése, olyan cégek, mint az InnoLight és a Huawei fektetnek be hazai fotonikai chipképességekbe optics.org optics.org. Mindezek a fejlemények azt mutatják, hogy a szilícium fotonika már nem kísérleti technológia – hanem a félvezetőipari eszköztár standard részévé válik.
Nagyobb sebességek és új anyagok: Technológiai szempontból gyors előrelépést tapasztalunk a szilícium fotonikai eszközök teljesítményének növelésében. Az 800G optikai transceiverek már mintavételezés alatt állnak, 1,6 Tb/s modulokat már bemutattak optics.org, és 3,2 Tb/s csatlakoztatható modulok várhatók 2026-ra optics.org. Ezeknek a sebességeknek az eléréséhez a mérnökök mindent bevetnek a 16-csatornás hullámhossz-multiplexeléstől a fejlett modulációs formátumokig – lényegében az optikai tartományt használják ki, hogy több bitet tudjanak továbbítani. Eszköz szinten új anyagokat integrálnak a szilícium fotonikába, hogy leküzdjék a szilícium korlátait. Egy jó példa erre a vékonyfilm lítium-niobát (TFLN) szilíciumon, amely nagyon gyors Pockels-effektusú modulátorokat biztosít alacsony veszteséggel. Ez lehetővé teheti olyan modulátorok létrehozását, amelyek 100+ GHz modulációs sávszélességet kezelnek, ami alkalmas a jövőbeli 1,6T és 3,2T kapcsolatokhoz, vagy akár kvantumalkalmazásokhoz is optics.org. Az olyan startupok, mint a HyperLight, ezeket a hibrid LiNbO3/Si chipeket kereskedelmi forgalomba hozzák. Egyéb K+F alatt álló anyagok közé tartoznak a bárium-titanát (BTO) elektro-optikai modulátorok és ritkaföldfémmel adalékolt anyagok a chipen belüli lézerekhez/erősítőkhöz optics.org. Folyamatosan dolgoznak továbbá a III-V félvezetők (InP, GaAs) szilíciumra integrálásán is jobb lézerek és optikai erősítők érdekében – például a közvetlenül szilíciumra növesztett kvantumpont-lézerek nagy előrelépést értek el, megoldva azokat a megbízhatósági problémákat, amelyek a korábbi próbálkozásokat hátráltatták nature.com nature.com. Röviden, a szilícium fotonika anyagpalettája szélesedik, ami nagyobb teljesítményt és új funkciókat eredményez. Már szilícium-fotonikai alapú mikrokombokat (optikai frekvenciafésű forrásokat) is alkalmaznak olyan területeken, mint az ultragyors adatátvitel és a precíz spektroszkópia, ami egy évtizeddel ezelőtt még hihetetlenül hangzott volna.
Feltörekvő alkalmazások és termékek: Az alapvető alkalmazások mellett 2025-ben néhány új felhasználási terület is megjelenik. Az egyik ilyen az optikai számítástechnika a mesterséges intelligenciához (korábban tárgyaltuk), amely a kutatási bemutatóktól az első termékek felé halad – például a Lightelligence bemutatott egy fotonikus számítástechnikai hardvert az MI-inferenciák gyorsítására. Egy másik a chip–chip közötti optikai összeköttetések fejlett tokozásban: ahogy a vállalatok többchipes modulokat és chipleteket vizsgálnak, az optikai összeköttetések nagy sebességgel köthetik össze ezeket a chipleteket egy tokozáson vagy interpozeren keresztül. Az olyan szabványok, mint a UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express), még optikai PHY kiterjesztéseket is fontolgatnak. Kormányzati érdeklődés is megfigyelhető: a DARPA és más ügynökségek programokat indítottak fotonikus összeköttetések alkalmazására védelmi rendszerekben (nagy teljesítményű feldolgozás és RF jelirányítás céljából). A fogyasztói szegmensben pedig felmerült a találgatás, hogy néhány éven belül optikai I/O jelenhet meg fogyasztói eszközökben – például egy AR/VR headset, amely szilícium-fotonikus chipet használ nagy sávszélességű szenzoros kapcsolatokhoz, vagy egy optikai Thunderbolt kábel AR szemüvegekhez. Bár ezek még nincsenek itt, az ötletek már a tervezőasztalon vannak.

Összefoglalva, 2025-ben a szilícium-fotonika fordulóponthoz érkezik: jelentős kereskedelmi termékek jelennek meg (különösen a hálózatokban), hatalmas befektetések áramlanak, és az ökoszisztéma érik. Egyre világosabb, hogy az optika alapvető szerepet fog játszani a számítástechnikában és a kapcsolódásban a jövőben. Ahogy egy iparági kommentátor fogalmazott, az évtized második felére sokan arra számítanak, hogy az optikai I/O a kísérleti gyártósorokról a tömegtermelésbe kerül – „a 2025-ös generációs számítási motorokban talán még nem lesz szilícium-fotonika, de a 2026-os generációban már lehet, a 2027-esben pedig szinte biztosan lesz”, mert végső soron nincs más választásunk – „a réz ideje lejárt.” nextplatform.com

Kihívások és korlátok

Minden izgalom ellenére a szilícium-fotonika számos kihívással és korláttal néz szembe, amelyeket a kutatók és mérnökök aktívan próbálnak leküzdeni. Ez egy átalakító technológia, de nem csodafegyver – legalábbis egyelőre nem. Íme a legfontosabb akadályok:

Fényforrások integrálása: Talán a legismertebb korlát az, hogy a szilícium nem jó fénykibocsátó. A szilíciumnak indirekt tiltott sávja van, vagyis nem tud lézerként vagy hatékony LED-ként működni. Ahogy John Bowers, a fotonika úttörője nyersen fogalmaz: „A szilícium hihetetlenül rossz fénykibocsátó.” nature.com A belső hatásfoka közel nulla – körülbelül egymillió elektronból egy bocsát ki fotont szilíciumban –, míg a III-V félvezetők, mint az indium-foszfid vagy gallium-arzenid, közel 100%-os hatékonysággal képesek fényt kibocsátani nature.com. Ez azt jelenti, hogy ha lézerekre van szükség egy szilícium fotonikai chipen, általában más anyagokat kell bevezetni. Ezt meg lehet oldani hibrid integrációval (egy InP ostya lézerdiódákkal való ráillesztése a szilícium ostyára), vagy újabb technikákkal, például nanostrukturált III-V lézerek közvetlen növesztésével szilíciumon. Az előrelépés ezen a területen ígéretes: cégek és laborok (Intel, UCSB stb.) már demonstráltak hibrid integrált lézereket nagy léptékben, és nemrégiben még kvantumpontos lézereket is növesztettek 300 mm-es szilícium ostyákon jó megbízhatósággal nature.com nature.com. Mégis, a lézerek integrálása növeli a bonyolultságot és a költségeket. Ha a lézer a chipen kívül van (egy külön lézermodulban, amelyet száloptikán keresztül csatolnak), akkor az a kihívás, hogy ezt a fényt hatékonyan csatolják be az apró chipen lévő hullámvezetőkbe. Röviden, a fény bejuttatása a chipre nem triviális feladat. Az ipar olyan megoldásokat kutat, mint a heterogén integráció (több anyag egy chipen), sőt, újszerű megközelítéseket is, mint az elektromosan gerjesztett germánium-szilícium lézerek vagy Raman-lézerek szilíciumon, de ezek még fejlődőben vannak. 2025-ben a legtöbb szilícium fotonikai rendszer vagy hibrid lézereket, vagy kívülről csatolt lézereket használ. Ez egy kulcsfontosságú, folyamatos kutatási terület.
Gyártás és kihozatal: A szilícium fotonikus áramkörök meglévő gyárakban is gyárthatók, de eltérő követelményeket támasztanak, mint az elektronikus chipek. Az optikához például nagyon pontos méretkontroll szükséges – már néhány nanométeres eltérés a hullámvezető szélességében vagy távolságában is megváltoztathatja a rezonátorok hullámhosszát vagy a fény fázisát. A magas kihozatal (azaz az egyenletes teljesítmény sok chipen) elérése kihívást jelent. Ráadásul többféle anyag (szilícium, szilícium-nitrid, III-V anyagok, fémek) integrálása egy gyártási folyamatban bonyolultságot okozhat. A szálak chiphez csatolása szintén kihozatali és gyártási kihívás; az apró optikai szálak mikrométeres hullámvezető-felületekhez igazítása jelenleg gyakran drága, aktív igazítást igényel. Ezen lépések egy része még mindig félig manuális a gyártásban, ami nem jól skálázható. Sok munka folyik a csomagolási technikák fejlesztésén, például szabványosított szálrögzítő egységek használatával vagy rácscsatolók beépítésével, amelyek lehetővé teszik, hogy a szálak könnyebben csatolják a fényt a chip fölülről. Az elektronikus + fotonikus chipek együttes csomagolása is bonyolult – például ha egy fotonikus lapka és egy elektronikus ASIC van ugyanabban a csomagban, akkor igazítani kell őket, és a hőt is kezelni kell (mivel a forró elektronika zavarhatja a fotonikát). Az Ansys megjegyzi, hogy ha az elektronika és a fotonika egy chipen osztozik, a gyártási megközelítésnek egyensúlyba kell hoznia mindkettő igényeit, és ha külön chipek, akkor fejlett csomagolás szükséges – „az elektronikában keletkező hő hatással lehet a fotonikára.” ansys.com A termikus hangolás egy másik probléma: sok szilícium fotonikus szűrő és modulátor hőhatásokra támaszkodik, így a hőmérséklet-változások elhangolhatják az áramköröket, amihez energiára van szükség a stabilizáláshoz. Mindez bonyolítja a gyártást és növeli a költségeket.
Költség és mennyiség: A költségekről szólva – bár a szilícium-fotonika alacsony költséget ígér a nagy volumenű szilíciumgyártás kihasználásával, a mai valóság az, hogy ezek az eszközök még mindig viszonylag rétegtermékek és drágák. Az iparág milliós nagyságrendben szállít egységeket (adatközponti transzceiverek formájában), de ahhoz, hogy a költségek valóban lecsökkenjenek, valószínűleg milliárdos éves darabszámban kellene szállítani ansys.com. Más szóval, még nem érte el a tömegtermékek szintjét. Az eszközök gyakran speciális tokozást (ahogy említettük) és tesztelést igényelnek, ami tovább növeli a költségeket. Egy jelenlegi szilícium-fotonikai transzceiver adatközpontokhoz akár több száz vagy ezer dollárba is kerülhet, ami ezen a piacon elfogadható, de a fogyasztói piacok számára túl magas. A gazdaságosság kissé bizonytalan nagyon nagy volumenben – ahogy egy jelentés is rámutatott, a nagy felhőszolgáltatók aggódnak a megbízhatóság és a költségszerkezet miatt, ha széles körben alkalmaznák a szilícium-fotonikát, mivel a technológia még nem érte el a mainstream szilíciumgyártás tanulási görbéjét nextplatform.com. Azonban a költségek folyamatosan javulnak, és az olyan erőfeszítések, mint a szabványosított foundry PDK-k és az automatizáció, segítenek ebben. A következő néhány évben, ahogy a mennyiség nő (amit az MI és az adatközpontok hajtanak), várhatóan a költségek csökkenni fognak, ami újabb piacokat nyithat meg (ez egy öngerjesztő folyamat, ha egyszer beindul). Ennek ellenére 2025-ben az eszközönkénti költség korlátozó tényező lehet a szilícium-fotonika költségérzékeny alkalmazásokban való elterjedésében.
Fogyasztás és hatékonyság: Bár a szilícium-fotonika csökkentheti az adatátvitel energiaigényét nagyon nagy sebességeknél, maguk az eszközök is fogyasztanak áramot – például a modulátorok gyakran használnak hőhangolást vagy PN-átmeneteket, amelyek áramot igényelnek, és a lézerek természetesen szintén fogyasztanak. Van egy többlet energiaigény az elektronikus jelek optikaivá, majd visszaalakításához. Ahhoz, hogy valóban energiát takarítson meg rendszer szinten, ezeknek a többleteknek kisebbnek kell lenniük, mint az elektromos összeköttetések elhagyásából származó megtakarítás. A mai szilícium-fotonikai transzceiverek meglehetősen energiahatékonyak (néhány pikodzsoul/bit nagyságrendben az optikai átalakításnál), de a cél az, hogy még ennél is alacsonyabb legyen, különösen, ha optikai I/O-t használnak chipeken vagy memóriabuszokban, ahol a hatékonyságnak nagyon magasnak kell lennie. Ígéretes megközelítés az elektro-optikai anyagok (mint a LiNbO3 vagy BTO) használata, amelyek nagyon alacsony feszültséggel (így alacsonyabb fogyasztással) képesek modulálni a fényt a hőhangolás helyett. Emellett hatékonyabb fényforrások integrálása (például kvantumpontos lézerek) csökkentheti a lézerek energia-pazarlását (a jelenlegi elosztott visszacsatolású lézerek gyakran sok energiát veszítenek hő formájában). Tehát míg a szilícium-fotonika makroszinten megoldja az összeköttetések energiafogyasztási problémáját, mikroszinten a mérnökök még mindig eszközről eszközre optimalizálják a fogyasztást. Jó hír: már a jelenlegi technológiával is a közös tokozású optikák akár ~30%-kal csökkenthetik az összeköttetések energiafogyasztását a hagyományos csatlakoztatható megoldásokhoz képest laserfocusworld.com, és a jövőbeli fejlesztések várhatóan tovább növelik ezt az előnyt.
Tervezés és tervezőeszközök: Ez egy kevésbé nyilvánvaló, de fontos kihívás: a fotonikus áramkörök tervezése új készség, és a EDA (Electronic Design Automation) eszközök fotonikához nem olyan kiforrottak, mint az elektronikához. Az optikai áramkörök szimulációja, különösen nagy, sok komponenst tartalmazó áramkörök esetén, összetett lehet. A gyártási variabilitást a tervezés során figyelembe kell venni (lehet, hogy hőhangolókra lesz szükség a kisebb hibák korrigálásához). Jobb tervezőeszközökre van szükség, amelyek képesek az elektronikus és fotonikus áramköri részek együttes optimalizálására, ezt gyakran EPDA-nak (Electronic Photonic Design Automation) nevezik. Az ökoszisztéma kezd felzárkózni – olyan cégek, mint a Synopsys, Cadence és Lumerical (Ansys) kínálnak fotonikai tervezőeszközöket – de ez még mindig fejlődő terület. Egy kapcsolódó probléma a szabványok hiánya bizonyos területeken: bár sok öntöde kínál PDK-kat, ezek mindegyike eltérő komponenskönyvtárakkal és paraméterekkel rendelkezhet. Ez kevésbé hordozhatóvá teheti a terveket, mint az elektronikai terveket. Az iparág a közös szabványok felé halad (például a fotonikus áramkörök elrendezésének cseréjére szolgáló formátum, vagy szabványosított komponensmodellek), de további munkára van szükség a tervezési folyamat egyszerűsítéséhez. Egy erős szakember-utánpótlás kiépítése is kulcsfontosságú: olyan mérnökökre van szükség, akik értik mind az RF/mikrohullámú analóg tervezést, mind az optikai fizikát, de ők hiánycikknek számítanak (bár egyre több egyetem képez ilyen interdiszciplináris végzettségű szakembereket).
Teljesítménybeli korlátok: Bár a szilícium-fotonika bizonyos mutatókat drámaian javít, megvannak a saját fizikai korlátai. Optikai veszteség a hullámvezetőkben, bár alacsony (~dB/cm tartomány), nagy áramkörökben összeadódik, és a szűk kanyarok vagy kis méretű elemek növelhetik a veszteséget. Minimalizálni kell a szál–chip csatolási veszteséget is. A szilícium hőérzékenysége (a törésmutató hőmérséklettel változik) miatt sok szilícium-fotonikus áramkört stabilizálni vagy kalibrálni kell. Sávszélesség-korlátok jelentkezhetnek a modulátoroknál vagy detektoroknál – például a szilícium gyűrűs modulátorok sávszélessége véges, és érzékenyek lehetnek a hőmérsékletre, míg a Mach-Zehnder modulátoroknál gondos tervezés szükséges a nagyon nagy sebesség torzításmentes eléréséhez. A hullámvezetőkben jelentkező kromatikus diszperzió korlátozhatja a nagyon széles hullámhossz-tartományú alkalmazásokat (bár ez általában nem jelent problémát a chipen belüli rövid távolságokon). Egy másik finom pont: az elektronikus-fotonikus integráció gyakran megköveteli az elektronika és fotonika együttes tervezését (például meghajtó erősítők, TIA-k detektorokhoz). A kettő közötti interfész korlátozhatja az összteljesítményt (pl. ha egy modulátornak bizonyos feszültségingadozásra van szüksége, akkor olyan meghajtóra van szükség, amely ezt gyorsan tudja biztosítani). Tehát a rendszermérnöki munka összetett. Ráadásul nem minden alkalmazás indokolja a fotonikát – nagyon rövid, alacsony sebességű összeköttetéseknél az elektromos megoldás még mindig olcsóbb és egyszerűbb lehet. Tehát annak eldöntése, hogy hol érdemes a szilícium-fotonikát alkalmazni a maximális előny érdekében, önmagában is megfontolandó.

Összefoglalva, bár egyik kihívás sem jelent áthághatatlan akadályt, összességében azt jelentik, hogy a szilícium fotonika előtt még fejlődési út áll. A fotonika és elektronika legfényesebb elméi közül sokan aktívan dolgoznak ezeknek a problémáknak a megoldásán: jobb lézerek integrálása, a csomagolás fejlesztése, a gyártás felskálázása és a tervezési képességek bővítése. Még az elmúlt néhány évben is biztató előrelépések történtek. Ahogy Prof. Bowers megjegyezte, olyan kihívásokat, mint a III-V lézerek CMOS-ba integrálása, a hozamok és a szálcsatlakozás javítása, valamint a költségek csökkentése, mind kezelik „nagyon gyors előrehaladással” nature.com. Minden év újabb fejlesztéseket hoz, és a laboratóriumi prototípus és a tömeggyártás közötti szakadék egyre szűkül. Érdemes emlékezni arra, hogy az elektronikus IC-k évtizedeken át tartó intenzív fejlesztés eredményeként érték el a mai méretüket – a szilícium fotonika ehhez képest még fejlődése korai szakaszában jár, de gyorsan zárkózik fel.

Vezető vállalatok és intézmények a területen

A szilícium fotonika globális törekvéssé vált, számos vállalat (a startupoktól a technológiai óriásokig) és kutatóintézet hajtja előre a területet. Piackutatások szerint a szilícium fotonikai piac (2025-ben) vezető szereplői között megtalálhatók az iparág nagyágyúi, mint a Cisco, Intel és IBM, valamint olyan specialisták, mint a NeoPhotonics (Lumentum), Hamamatsu Photonics és STMicroelectronics expertmarketresearch.com. Íme néhány kulcsfontosságú hozzájáruló áttekintése:

Intel Corporation (US): Az Intel, a szilícium-fotonika úttörője, korán és jelentős mértékben fektetett be ebbe a technológiába. 2016-ban mutatta be az egyik első 100G szilícium-fotonikus transzceivert, és azóta milliós nagyságrendben szállított ilyen eszközöket optics.org. Az Intel nagy sebességű optikai transzceiverekben használja a szilícium-fotonikát, és a jövő szerverprocesszoraiba, valamint edge alkalmazásokba is be kívánja vezetni. A vállalat célja, hogy „lehetővé tegye a jövő adatközponti sávszélesség-növekedését” a fotonikával, 100G-ről 400G-re és azon túl skálázva, valamint az optikát a processzorokkal integrálja olyan alkalmazásokhoz, mint az 5G és az önvezető járművek expertmarketresearch.com, tanaka-preciousmetals.com. Az Intel Silicon Photonics részlege nemrégiben partnerségre lépett a Jabil-lel a gyártás terén, ami a nagy volumenű gyártás felé való érettséget jelzi optics.org. Az Intel kutatja a csomagba integrált optikát (co-packaged optics) kapcsolókhoz, és számos fotonikai startupban (például Ayar Labs) is részesedése van.
Cisco Systems (US): A Cisco, a hálózati óriás, felvásárlások révén (pl. a Luxtera 2019-es megvásárlásával) lépett be a szilícium-fotonika területére, és ma már vezető szilícium-fotonikus optikai transzceiverek szállítója adatközpontok és távközlés számára. A Cisco fotonikai technológiáját 100G/400G csatlakoztatható moduloktól a jövőbeli csomagba integrált optikai kapcsolókig terjedő termékekben használja. A Cisco megoldásai profitálnak a házon belüli fotonikai IC-tervezésből, amely nagy sűrűséget és energiahatékonyságot biztosít. A szilícium-fotonika alkalmazásával a Cisco nagy sebességű összeköttetéseket kínál ügyfeleinek kisebb méretben. 2025-ben a Cisco az egyik piacvezető, amely nagy mennyiségben szállít szilícium-fotonikát expertmarketresearch.com.
IBM Corporation (US): Az IBM hosszú múltra tekint vissza az optikai összeköttetések kutatásában. Silicon Photonics csapata több mint egy évtizedes K+F tapasztalattal fejlesztett ki nagy sebességű optikai összeköttetési technológiát, amelyet kártyaszintű és processzorszintű összeköttetésekhez szánnak expertmarketresearch.com. Az IBM kutatásai előrelépéseket hoztak a szilícium mikroring modulátorok, hullámhossz-multiplexálás és csomagolás terén. Bár az IBM nem értékesít transzceivereket, mint az Intel vagy a Cisco, gyakran működik együtt prototípusokon (például 2015-ben az IBM és a Mellanox bemutatott egy optikai összeköttetést szerverekhez). Az IBM hangsúlyt fektet arra, hogy a fotonikát a számítástechnikai szűk keresztmetszetek megoldására használja (például a POWER10 processzor fotonikus kapcsolatokat használ a chipen kívüli jelátvitelhez partnerségek révén). Az IBM hozzájárul a szabványokhoz és a nyílt kutatáshoz is; munkáik gyakran jelennek meg olyan konferenciákon, mint az OFC és a CLEO.

ultra-tiszta fényű hangolható lézereket és nagysebességű modulátorokat

expertmarketresearch.com

Hamamatsu Photonics (Japán): Az optoelektronikai alkatrészek vezető gyártója, a Hamamatsu széles körű fotonikai eszközöket készít (fotodiódák, foto-sokszorozók, képérzékelők stb.). A Hamamatsu alkalmazza a szilícium technológiát olyan eszközök gyártásához, mint a szilícium fotodióda sorok és szilícium alapú optikai érzékelők expertmarketresearch.com. Bár nem annyira a nagysebességű adó-vevőkre koncentrálnak, a Hamamatsu szilícium fotonikai munkája kulcsfontosságú az érzékelésben és a tudományos műszerekben. Ők biztosítanak szilícium PIN fotodiódákat, APD-ket és optikai érzékelő chipeket, amelyek alapvetőek az optikai kommunikációs vevők és LiDAR detektorok számára. A kis zajú, nagy érzékenységű fotonikai szakértelmük jól kiegészíti a szilícium fotonika digitális kommunikációs oldalát.
STMicroelectronics (Svájc/Európa): Az STMicro egy nagy félvezetőgyártó, amely saját szilícium fotonikai kapacitást fejlesztett ki. Az STMicro fő fókusza az integrált képalkotó és érzékelő megoldások – például szilícium fotonikai chipeket gyártottak száloptikás giroszkópokhoz, és részt vettek optikai összeköttetés K+F-ben európai konzorciumokban. Az STMicro fejlett gyárai és MEMS képességei jó pozícióba hozzák őket olyan szilícium fotonikai megoldásokhoz, amelyek más érzékelőkkel vagy elektronikával való integrációt igényelnek expertmarketresearch.com. Olyan országok, mint Franciaország és Olaszország (ahol az ST-nek jelentős működése van) támogatják a fotonikát különböző kezdeményezésekkel, és az ST gyakran partner ezekben. Azt is pletykálják, hogy ipari és autóipari rendszerekhez is szállítanak szilícium fotonikai alkatrészeket.
GlobalFoundries (USA) és TSMC (Tajvan): Ezek a szerződéses chipgyártók mindegyike létrehozta saját szilícium fotonikai kínálatát. A GlobalFoundries jól ismert 45 nm-es szilícium fotonikai eljárással (GF 45CLO) rendelkezik, és olyan startupokkal működött együtt, mint az Ayar Labs, hogy optikai I/O chipeket gyártsanak. A TSMC titokzatosabb, de állítólag nagy technológiai cégekkel dolgozik együtt fotonikai integrált chipek fejlesztésén (például néhány Apple pletyka szerint a TSMC is részt vesz fotonikai érzékelőkben). Mindkettő kulcsfontosságú a gyártás felskálázásában – a nagy foundry-k részvétele azt jelenti, hogy bármelyik fabless cég könnyebben juthat prototípushoz és tömeggyártáshoz fotonikai chipekből. Valójában az ilyen foundry-k részvétele erős jele annak, hogy a szilícium fotonika egyre inkább mainstreammé válik.
Infinera (USA) és Coherent/II-VI (USA): Az Infinera egy távközlési berendezésgyártó, amely korán úttörője volt a fotonikus integrált áramköröknek (bár indium-foszfidon). Azóta alkalmazkodtak, és néhány termékükben, illetve InP PIC-jeikkel való együttes tokozásra is használnak szilícium-fotonikát. A Coherent (amely felvásárolta a Finisar-t, majd felvette a Coherent nevet) mélyen érintett az optikai alkatrészek területén; saját InP gyáraik vannak, de fejlesztenek szilícium-fotonikus transzceivereket is adatközponti optics.org felhasználásra. Ezek a cégek távközlési szintű megbízhatóságot és teljesítményt helyeznek előtérbe, és a szilícium-fotonikát a szolgáltatói szintű követelményekhez igazítják (pl. 400ZR modulok koherens kapcsolatokhoz nagy távolságokon).
Ayar Labs, Lightmatter és startupok: Egy hullámnyi innovatív startup viszi a szilícium-fotonikát új területekre. Már szó volt az Ayar Labs-ról (optikai I/O AI/HPC-hez) és a Lightmatter-ről (optikai számítástechnika). Mások például: Lightelligence (egy másik optikai AI chip startup), Luminous Computing (fotonika és elektronika integrálása AI-hoz), Celestial AI (optikai hálózatépítés számítási klaszterekhez), OpenLight (egy közös vállalat, amely nyílt fotonikus platformot kínál integrált lézerekkel), és Rockley Photonics (egészségügyi szenzorokra fókuszál, mostanra nagyrészt a Celestial felvásárolta). Ezek a startupok ambiciózus megközelítéseikről ismertek – például a Lightmatter 3D-integrált fotonikus tenzormagja vagy a Luminous teljes értékű fotonikus számítógépének megépítésére tett kísérlete. Gyakran működnek együtt nagyvállalatokkal (például a HPE az Ayar Labs-szal partnerségben használ optikai összeköttetéseket egy szuperszámítógép interconnect fabricjában nextplatform.com). A startup szcéna élénk, jelenlétük pedig gyorsabb mozgásra készteti a nagy szereplőket. Egy iparági megfigyelő megjegyezte, hogy az Ayar mellett olyan cégek, mint a Lightmatter és a Celestial AI „mind esélyesek arra, hogy előrelépést érjenek el, ahogy a szilícium-fotonika hidat képez a számítási motorok és az összeköttetések között.” nextplatform.com
Akadémiai és kutatóintézetek: Az intézményi oldalon a vezető egyetemek és nemzeti laboratóriumok kulcsszerepet játszanak a szilícium fotonika fejlesztésében. A Kaliforniai Egyetem, Santa Barbara (UCSB) John Bowers professzor vezetésével úttörő szerepet tölt be, különösen a hibrid szilícium lézerek és a kvantumpont lézerek szilíciumon történő fejlesztésében. Az MIT, a Stanford, a Columbia (Michal Lipson professzor csoportjával) és a Caltech további amerikai központjai a szilícium fotonikai kutatásoknak, ahol a modulátorok új fizikájától a fotonikus számítógép-architektúrákig minden területen dolgoznak. Európában a belga IMEC vezet egy jelentős szilícium fotonikai programot és többprojekt-es ostyaszolgáltatást (iSiPP), valamint a Southamptoni Egyetem, a TU Eindhoven, az EPFL és mások is erős kutatócsoportokkal rendelkeznek. Az AIM Photonics intézet az Egyesült Államokban (lásd fentebb) számos egyetemet és vállalatot fog össze együttműködésre, és nemzeti gyártókapacitást biztosít. Kormányzati laboratóriumok, mint az MIT Lincoln Lab és az IMEC, még a védelem számára is bemutattak fejlett integrált fotonikai megoldásokat (pl. optikai fázisvezérelt tömbök LiDAR-hoz). Emellett a nemzetközi együttműködések és konferenciák (mint az Optical Fiber Conference, ISSCC, IEEE Photonics Society találkozók) lehetővé teszik ezen intézmények számára, hogy megosszák áttöréseiket. A terület profitál az egészséges akadémia-ipar csatornából: sok startup alapítója és iparági vezető ezekben a kutatólaborokban képződött, és a folyamatos akadémiai kutatás továbbra is feszegeti a határokat (például új anyagintegráció vagy kvantumfotonika, ahogy említettük).

Mindezek a szereplők – nagy technológiai cégek, specializált alkatrészgyártók, ambiciózus startupok és élvonalbeli kutatólaborok – egy gazdag ökoszisztémát alkotnak, amely közösen hajtja előre a szilícium fotonikát. A köztük lévő verseny és együttműködés gyorsítja az innovációt. Figyelemre méltó, hogy még a geopolitika is szerepet játszik: egyre nagyobb a verseny az USA, Európa és Kína között, hogy ki vezeti a fotonikai technológiákat csis.org, tekintettel annak stratégiai jelentőségére a kommunikáció és a számítástechnika terén. Ez megnövekedett állami befektetésekhez vezetett (pl. az EU PhotonHub-ja és Kína nemzeti fotonikai kezdeményezései). Az általános technológiai rajongó számára a lényeg, hogy világszerte rengeteg okos ember és komoly erőforrás dolgozik azon, hogy a jövő chipjei fénnyel kommunikáljanak.

Szakértői meglátások és idézetek

A szilícium fotonika felemelkedése során a terület szakértői olyan nézőpontokat kínáltak, amelyek segítenek kontextusba helyezni annak hatását. Íme néhány figyelemre méltó meglátás:

ez egy paradigmaváltás

az optika egészen a szerverig eljut

tanaka-preciousmetals.com

A piaci növekedésről és a MI-ról: „A mesterséges intelligencia térnyerése példátlan keresletet teremtett a nagy teljesítményű transzceiverek iránt… A szilíciumfotonika és a PIC-ek állnak ennek a forradalomnak az élén,” jegyzi meg Sam Dale, az IDTechX technológiai elemzője, kiemelve a szilíciumfotonika képességét arra, hogy „1,6 Tbps és annál nagyobb sebességeket” biztosítson. optics.org Jelentése szerint a fotonikus integrált áramkörök piaca közel tízszeresére nőhet 2035-re (54 milliárd dollárra), amit nagyrészt a MI adatközpontok igényei hajtanak. optics.org.
A számítástechnika jövőjéről: A The Next Platform elemzői szerint az optikai I/O hamarosan megjelenik a HPC rendszerekben. Megjegyzik, hogy 2026–2027-re valószínűleg már elterjednek az optikai interfésszel rendelkező CPU-k/GPU-k, mert „rövid távon nincs más választásunk.” Színes megfogalmazásukban: „A réz ideje lejárt.” nextplatform.com Ez összefoglalja az iparágban uralkodó általános véleményt: az elektromos kapcsolatok nem lesznek elegendőek a számítástechnika következő korszakához, és a fotonikának kell átvennie a szerepet, hogy elkerüljük a technológiai plafont.

Ezek a szakértői meglátások kiemelik a szilíciumfotonika ígéreteit és kihívásait is. Egy következetes téma rajzolódik ki: a szilíciumfotonika átalakító erejű – lehetővé teszi a szükséges teljesítménynövekedést –, de komoly technológiai kihívásokkal jár, amelyeket gyorsan kezelnek. A szakértők egyszerre hangsúlyozzák az optimizmust (paradigmaváltás, nélkülözhetetlen jövő) és a realitást (integrációs problémák, költség- és méretezési aggályok). Nézőpontjaik segítenek a szélesebb közönségnek megérteni, miért lelkesedik ennyi vállalat és kutató a szilíciumfotonika iránt, és azt is, miért tartott évtizedekig, mire ez a technológia elindulhatott. Ha a frontvonalban dolgozók – legyen szó tapasztalt kutatóról vagy termékmenedzserről – szólalnak meg, az rávilágít, hogy ez egy olyan terület, ahol a fizika, a mérnöki munka és a piaci erők találkoznak izgalmas módon.

Friss hírek és mérföldkövek

A szilíciumfotonika területe rendkívül dinamikus. Íme néhány friss hír és mérföldkő (az elmúlt egy évből), amelyek jól mutatják a terület gyors fejlődését:

A Celestial AI felvásárolja a Rockley Photonics szellemi tulajdonát (2024. október): A Celestial AI, egy fotonikus összeköttetéseket fejlesztő startup az AI számára, bejelentette, hogy megvásárolta a Rockley Photonics szilícium-fotonikai szabadalmi portfólióját 20 millió dollárért datacenterdynamics.com. A Rockley fejlett szilícium-fotonikai szenzorokat fejlesztett, majd egészségügyi viselhető eszközökre váltott, mielőtt csődbe jutott. Ez az üzlet több mint 200 szabadalmat adott a Celestial AI-nak, beleértve az elektro-optikai modulátorok és optikai kapcsolók technológiáját, amelyek hasznosak az adatközponti alkalmazásokban datacenterdynamics.com. Ez jelentős konszolidáció, ami azt mutatja, mennyire értékessé vált a fotonikai szellemi tulajdon az AI/adatközponti szektorban. A Rockley innovációi (például az érzékeléshez használt szélessávú lézerek) új életre kelhetnek, ha beépítik őket a Celestial optikai összeköttetési megoldásaiba.
Jelentős finanszírozás startupoknak – Ayar Labs & Lightmatter (2024 vége): Két amerikai startup nagy finanszírozási kört zárt. Ayar Labs lezárt egy 155 millió dolláros D sorozatú befektetést 2024 decemberében, amelyben a félvezetőipar vezetői (Nvidia, Intel, AMD is beszálltak a kockázati tőkések mellett) is részt vettek nextplatform.com. Ez a kör 1 milliárd dollár fölé emelte az Ayar értékelését, jelezve a bizalmat a csomagon belüli optikai I/O technológiájában, amely a jövő processzoraiban az elektromos I/O-t hivatott kiváltani. Néhány héttel korábban a Lightmatter 400 millió dollárt gyűjtött D sorozatban (2024. október), megduplázva teljes finanszírozását és 4,4 milliárd dollárra értékelve a céget nextplatform.com. A Lightmatter fotonikus számítástechnikai chipeket és optikai interposer technológiát fejleszt AI gyorsításhoz. Az ilyen nagy befektetések figyelemre méltóak – azt mutatják, hogy a befektetők (és stratégiai partnerek) hisznek abban, hogy ezek a startupok képesek optikai technológiával megoldani az AI és számítástechnika kritikus problémáit. Ez azt is jelenti, hogy várhatóan ezek a cégek a prototípusoktól a termékekig jutnak; a Lightmatter már tesztrendszereket telepít, az Ayar optikai chipleteit pedig pilot használatra szánják HPC rendszerekben.
Az Intel a Jabilnak szervezi ki a transzceivereket (2023 vége): Érdekes fordulatként az Intel 2023 végén úgy döntött, hogy nagy volumenű szilícium-fotonikus transzceiver üzletágát átadja a Jabil nevű gyártópartnerének optics.org. Az Intel 2016 óta több mint 8 millió fotonikus transzceiver chipet szállított le optics.org – ezeket 100G/200G adatközponti kapcsolatokhoz használják. A gyártás Jabilnak (egy szerződéses gyártónak) való átadásával az Intel stratégiai irányváltást jelzett: a jövőben a fotonika integrálására koncentrál fő platformjaival (mint például a közös tokozású optika és a processzorba integrált fotonika), miközben a partnerre bízza a tömegtermék transzceiver piacot. Ez a lépés az iparág érettségét is tükrözi – ami néhány éve még csúcstechnológiának számított (100G csatlakozók), az ma már elég rutinszerű ahhoz, hogy kiszervezzék. A Jabil eközben optikai gyártókapacitását építi, ami potenciálisan más ügyfeleket is kiszolgálhat. Az Intel és a Jabil együttműködését az elemzők kulcsfontosságú iparági fejleményként emelték ki optics.org, az ökoszisztéma fejlődésének részeként értékelve.
Az InnoLight bemutatja az 1,6 Tb/s-os modult (2023 vége): A nagyobb sebességekért folytatott versenyben a InnoLight, egy kínai optikai transzceiver vállalat, bejelentette, hogy elkészítette egy 1,6 terabit/másodperces optikai transzceiver prototípusát optics.org. Ez valószínűleg több hullámhosszt (pl. 16×100G vagy 8×200G csatornát) használ szilícium-fotonikus platformon. Az, hogy egyetlen modulban elérték az 1,6 Tb/s-ot, egy évvel megelőzve néhány versenytársat, Kína növekvő szilícium-fotonikai képességeit mutatja. Az InnoLight modulja használható lehet top-of-rack switch uplinkekhez vagy AI rendszerek összekapcsolásához. Ez arra is utal, hogy a 3,2 Tb/s modulok (amelyek például 8 hullámhosszt használnának 400G-vel egyenként) sincsenek már messze – az IDTechX előrejelzése szerint 2026-ra várhatók 3,2 Tb/s modulok optics.org. Ez egy nagy visszhangot kiváltó rekord volt, amely kiemeli az intenzív globális versenyt; a Coherent (USA) és mások szintén dolgoznak 1,6T és 3,2T terveken optics.org.
A PsiQuantum fotonikus kvantumchipjének fejlődése (2024): A kvantumfronton a PsiQuantum (amely titokzatos, de ismert, hogy együttműködik a GlobalFoundries-szel) közzétett egy tanulmányt, amely felvázolja az utat egy veszteségtűrő fotonikus kvantumszámítógép felé, és bejelentett egy „Omega” nevű chipet a fotonikus kvantumarchitektúrájukhoz thequantuminsider.com. Bár ez még nem kereskedelmi termék, azt mutatja, hogy a fotonikus kvantumszámítógépes hardver fejlődik – a szilíciumfotonika áll a középpontban. A PsiQuantum megközelítése több ezer egyfoton-forrás és detektor integrálását igényli. A hír itt a gyárthatóság igazolása: egy 2022-es Nature-cikk bemutatta a kulcskomponenseket (források, szűrők, detektorok) egyetlen szilíciumfotonikus chipen, amely skálázható lehet nature.com. Ez arra utal, hogy jó úton haladnak egy mérföldkő felé valamikor a 2020-as évek közepétől a 2030-as évek elejéig, egy prototípus, millió qubites optikai kvantumszámítógép (ez a hosszú távú céljuk) megvalósításában. Az ilyen fejlesztéseket, bár rétegszintűek, szorosan figyelik, mivel alapjaiban változtathatják meg a csúcskategóriás számítástechnikát.
Finanszírozott lítium-niobát fotonikai startupok (2023): Ahogy említettük, két startup, amely LiNbO₃-t integrál a szilíciumfotonikával, a HyperLight (USA) és a Lightium (Svájc), összesen 44 millió dollárt gyűjtött 2023-ban optics.org. A finanszírozási hír azért volt figyelemre méltó, mert kiemel egy trendet: új anyagok hozzáadása a szilíciumfotonikához a teljesítménykorlátok áttörése érdekében. Ezek a cégek olyan modulátorokat kínálnak, amelyek nagyobb linearitással és széles hullámhossz-tartományban (a láthatótól a közép-infravörösig) nagyon alacsony veszteséggel működnek optics.org. Az azonnali alkalmazás lehet ultragyors modulátor kommunikációhoz vagy speciális eszközök kvantum- és RF-fotonikához. A tágabb értelemben vett lényeg, hogy a befektetői közösség is támogatja a anyaginnovációt a fotonikában, nem csak a nyilvánvalóbb transzceiver startupokat. Ez annak a jele, hogy még az olyan anyagtudományi előrelépések (mint a TFLN szigetelőn) is gyorsan átkerülhetnek startupokhoz és termékekhez ezen a területen.
Szabványok és konzorciumi frissítések (2024–25): Történtek előrelépések a szabványosítás terén. A Continuous-Wave WDM MSA (egy konzorcium, amely a csomagolt optikához szükséges szabványos fényforrás modulokat határozza meg) kiadta az első specifikációkat a közös lézerforrásokra, amelyek több fotonikus chipet is képesek ellátni. Ez fontos a több gyártó által készített csomagolt optikák kompatibilitásának biztosításához. Emellett a UCIe konzorcium (chiplet összeköttetésekhez) létrehozott egy optikai munkacsoportot, hogy megvizsgálja, miként lehetne szabványosítani az optikai chiplet kapcsolatokat. Közben olyan szervezetek, mint a COBO (Consortium for On-Board Optics) és a CPO Alliance szimpóziumokat tartanak (pl. az OFC 2024-en), ahol a csomagolt optikák legjobb gyakorlatait vitatják meg ansys.com. Mindez azt mutatja, hogy az iparág felismerte az igényt az interfészek harmonizálására, és el akarja kerülni a széttagoltságot, ami lassíthatná az elterjedést. Az IEEE-től érkező legfrissebb hírek szintén előrelépést jeleznek az 1,6T Ethernet szabványok és a kapcsolódó optikai interfész szabványok terén, amelyek feltételezik a szilícium-fotonikai technológiák használatát.
Termékmegjelenések: A termékoldalon már valódi hardverek is megjelentek:
- 800G csatlakoztatható modulok: Több gyártó (Intel, Marvell/Inphi stb.) 2024-ben megkezdte a 800G QSFP-DD és OSFP modulok mintavételezését, amelyek belül szilícium-fotonikát használnak. Ezek várhatóan 2025-ben kerülnek bevezetésre a switchekben és hálózatokban.
- CPO demó készletek: Olyan cégek, mint a Ranovus és az IBM bemutatták a csomagolt optikai fejlesztőkészleteket – ezek a kereskedelmi CPO termékek előfutárai. Például az IBM kutatási prototípusa egy csomagolt switchről működés közben is bemutatásra került, a Ranovus pedig egy 8×100G hullámhosszú CPO modullal rendelkezik.
- Szilícium-fotonikai Lidar termékek: Az Innovusion (Kína) és a Voyant Photonics (USA) előrelépést jelentett be szilícium-fotonikai LiDAR fejlesztésükben. Az Innovusion legújabb járművekhez készült LiDAR-ja néhány szilícium-fotonikai komponenst használ, hogy FMCW-t érjen el versenyképes áron. A Voyant, egy Columbia Egyetemi kutatásból indult startup, valójában már árul egy apró, szilárdtest LiDAR modult szilícium-fotonikán alapulva drónokhoz és robotokhoz.
- Optikai I/O chipletek: 2025 közepére az Ayar Labs tervei szerint a TeraPHY optikai I/O chiplet és a SuperNova lézerforrás már korai ügyféltesztelésben lesz, 8 Tbps optikai kapcsolatot biztosítva HPC rendszerekhez. Ha ez a terv marad, ez lehet az egyik első optikai I/O bevezetés egy számítógépes rendszerben (várhatóan egy kormányzati laborban vagy kísérleti szuperszámítógépben 2025–26-ban).

A legfrissebb hírek egy olyan terület képét festik le, amely több fronton is gyorsan fejlődik: a sebesség áttöréseitől (1,6T optika) a nagy stratégiai lépésekig (Intel kiszervezés, nagy finanszírozási körök) és az első példányos bevezetésekig (optikai motorok AI-hoz). Izgalmas időszak ez, mert ezek a fejlemények azt mutatják, hogy a szilícium-fotonika egy ígéretes technológiából kereskedelmi valósággá válik, amely egyre nagyobb hatással van a termékekre és iparágakra.

Általános közönség számára a legfontosabb tanulság mindebből a hírből az, hogy a szilícium-fotonika nem egy távoli ígéret – most történik. A vállalatok pénzt és erőforrásokat fektetnek bele, valódi termékek kerülnek piacra, és minden negyedévben új mérföldkövek születnek, amelyek megdöntik a korábbi rekordokat. Ez egy gyorsan mozgó terület, és még a technológiában jártas olvasókat is meglepheti, milyen gyorsan jelentek meg olyan dolgok, mint az „optikai chipletek” vagy az „1,6 terabites modulok”. A hírek azt is kiemelik, hogy ez egy globális verseny – jelentős aktivitással az Egyesült Államokban, Európában és Ázsiában – és hogy mindent lefed a mélytechnológiai startupoktól a legnagyobb chipgyártókig és hálózati szolgáltatókig.

Jövőbeli kilátások és előrejelzések

Előre tekintve a szilícium-fotonika jövője rendkívül ígéretesnek tűnik, és képes lehet újradefiniálni a számítástechnikát és a kommunikációt a következő évtizedben. Íme néhány előrejelzés és várakozás arra, mit hozhat a jövő:

Széles körű elterjedés a számítástechnikában: A 2020-as évek végére várhatóan a szilícium-fotonika alapfelszereltség lesz a csúcskategóriás számítógépes rendszerekben. Ahogy említettük, 2026–2027-re megjelenhetnek az első olyan CPU-k, GPU-k vagy AI-gyorsítók, amelyekben integrált optikai I/O található nextplatform.com. Kezdetben ezek speciális piacokon jelenhetnek meg (szuperszámítógépek, nagyfrekvenciás kereskedési rendszerek, élvonalbeli AI-klaszterek), de utat nyitnak a szélesebb körű elterjedés előtt. Amint a technológia bizonyítottá válik és a gyártási volumenek nőnek, az optikai I/O a 2030-as években a mainstream szerverekbe és eszközökbe is beszivároghat. Képzeljünk el rack szervereket, ahol minden CPU-n közvetlenül a tokozáson optikai szálas portok vannak, amelyek egy optikai top-of-rack switchhez csatlakoznak; ez általánossá válhat. A memória szűk keresztmetszete is kezelhetővé válhat optikai kapcsolatokkal – például a memória modulok optikai összekapcsolásával a processzorokhoz, hogy nagyobb sávszélességet biztosítsanak távolságban (egyes kutatók „optikai memória szétválasztásról” beszélnek nagy, megosztott memóriakészletekhez). Összefoglalva, a jövő adatközpontja (és ennek kiterjesztéseként a jövő felhőszolgáltatásai) várhatóan minden szinten optikai összeköttetések hálózatára épülnek majd, amelyet a szilícium-fotonika tesz lehetővé.
Terabites hálózat mindenkinek: A hálózati kapcsolatok kapacitása továbbra is ugrásszerűen növekszik. Itt már 1,6 Tb/s, 3,2 Tb/s, sőt 6,4 Tb/s optikai transzceiverekről beszélünk egyetlen modulban a 2030-as évek elejére. Ezek a sebességek elképesztőek – egy 3,2 Tb/s kapcsolat egy 4K-s filmet a másodperc töredéke alatt továbbíthatna. Bár ezeket a sebességeket adatközponti gerinchálózatokban és távközlési hálózatokban használják majd, közvetve a fogyasztók is profitálnak belőle (gyorsabb internet, robusztusabb felhőszolgáltatások). 2035-re az elemzők szerint a fotonikus integrált áramkörök piaca eléri az 50+ milliárd dollárt, főként ezeknek a transzceivereknek köszönhetően, amelyeket AI-hoz és adatközpontokhoz használnak optics.org. Lehet, hogy az 800G és 1,6T lesz az új 100G, vagyis ezek lesznek a hálózatok igáslovai. És ahogy a mennyiség nő, a bitenkénti költség csökken, így a nagy sebességű kapcsolatok olcsóbbá és elterjedtebbé válnak. Elképzelhető, hogy még a fogyasztói eszközök (például egy VR headset, amely nagyon nagy sávszélességű kapcsolatot igényel egy PC-hez vagy konzolhoz) is optikai USB-t vagy optikai Thunderbolt kábelt használnak majd, hogy több tíz vagy száz gigabitet továbbítsanak késleltetés vagy veszteség nélkül.
A távközlés forradalmasítása: A távközlésben a szilícium fotonika segít megvalósítani az teljesen optikai hálózatokat sokkal nagyobb hatékonysággal. A koherens optikai kommunikáció integrált fotonikával várhatóan 1 Tb/s fölé skálázódik hullámhosszonként (fejlett konstellációkkal és talán integrált transzceiver DSP-kkel). Ez gazdaságossá teheti a több terabites optikai csatornákat, csökkentve a szükséges lézerek/szálak számát. A szilícium fotonika újrakonfigurálható optikai add-drop multiplexereket (ROADM) és más hálózati eszközöket is kompaktabbá és energiahatékonyabbá tesz, ami elősegíti a nagyobb kapacitású 5G/6G hálózatok és a jobb otthoni optikai infrastruktúra kiépítését. Egy konkrét terület, amire érdemes figyelni: integrált lézerek a kábeltévéhez / optikai hozzáféréshez: olcsó, hangolható szilícium lézerek lehetővé tehetik, hogy minden otthonban 100G szimmetrikus optikai kapcsolat legyen például. Az optikai funkciók integrálásával a távközlési szolgáltatók egyszerűsíthetik a központokat és fejállomásokat. Az eredmény: még gyorsabb és megbízhatóbb internetszolgáltatások, potenciálisan alacsonyabb költségek mellett, a háttérben szilícium fotonikai chipekkel.
AI számítástechnika és optikai motorok: Az AI területén, ha olyan cégek, mint a Lightmatter és a Lightelligence sikerrel járnak, tanúi lehetünk az első optikai koprocesszorok megjelenésének az adatközpontokban. Ezek a mátrixszorzásokat vagy gráf-analitikát fénnyel gyorsítanák, potenciálisan ugrásszerű teljesítményt kínálva watt-onként. Elképzelhető, hogy 5 éven belül egyes adatközpontokban optikai AI gyorsítók rackjei lesznek a GPU-k mellett, amelyek speciális feladatokat rendkívül gyorsan végeznek (például valós idejű szolgáltatásokhoz szupergyors következtetéseket). Még ha a teljesen optikai számítógépek egyelőre korlátozottak is maradnak, a hibrid elektro-optikai megközelítés (elektronika a logikai vezérléshez, fotonika a nagy adatmozgatáshoz és szorzás-összegzés műveletekhez) kulcsstratégiává válhat az AI teljesítménynövekedés fenntartásához. A hő- és energiafogyasztás csökkentésével a fotonika segíthet abban, hogy az AI tréning megvalósítható maradjon, ahogy a modellek trillió paraméterig skálázódnak. Röviden: a szilícium fotonika lehet az a titkos összetevő, amely lehetővé teszi a következő 1000×-es AI modellméret/adatnövekedést anélkül, hogy leolvasztaná az elektromos hálózatot.
Hatás a fogyasztói technológiára: Bár a szilícium fotonika jelenleg főként a nagyvasakban (adatközpontokban, hálózatokban) található meg, idővel le fog szivárogni a fogyasztói eszközökbe is. Egy nyilvánvaló jelölt az AR/VR headsetek (ahol hatalmas mennyiségű adatot kell továbbítani apró kijelzőknek és kameráknak – az optikai összeköttetések segíthetnek ebben). Egy másik lehetőség a fogyasztói LiDAR vagy mélységérzékelők – a jövő okostelefonjai vagy viselhető eszközei apró szilícium fotonikai szenzorokat tartalmazhatnak egészségügyi monitorozáshoz (ahogy a Rockley Photonics is tervezte), vagy a környezet 3D szkenneléséhez. Az Intel Mobileye már jelezte, hogy szilícium fotonikai LiDAR-ja autókban lesz, így a 2020-as évek végére az új autódban egy integrált fotonikai chip irányíthatja csendben az önvezető szenzorokat tanaka-preciousmetals.com. Idővel, ahogy a költségek csökkennek, egyre több ilyen szenzor jelenhet meg a mindennapi eszközökben (képzeld el, hogy az okosórád szilícium fotonikai szenzort használ a glükóz vagy véranalitika nem invazív monitorozására optikai spektroszkópiával a csuklódon – cégek valóban dolgoznak ezen a koncepción). Még a csúcskategóriás audio/vizuális eszközökben is javíthatják az optikai chipek a kamerákat (LiDAR a fókuszáláshoz vagy 3D térképezéshez a fotózásban), vagy lehetővé tehetik a holografikus kijelzőket azáltal, hogy mikroszkopikus szinten modulálják a fényt (kissé spekulatív, de nem lehetetlen, ahogy a szilícium alapú térbeli fény modulátorok fejlődnek). Tehát egy évtized múlva a fogyasztók talán tudtukon kívül használnak majd szilícium fotonikát a kütyüikben, ahogy ma is mindenhol MEMS szenzorokat használunk anélkül, hogy gondolnánk rá.
Fotonika a kvantumvilágban: Ha még tovább tekintünk a jövőbe, a kvantum fotonikai technológiák is kiforrhatnak. Ha a PsiQuantum vagy mások sikerrel járnak, lehet, hogy lesz egy fotonikus kvantumszámítógépünk, amely bizonyos feladatokban felülmúlja a klasszikus szuperszámítógépeket – akár milliónyi összefonódott foton feldolgozásával egy chipen. Ez monumentális eredmény lenne, vitathatatlanul olyan átalakító erejű, mint az első elektronikus számítógépek. Bár ez talán 2030 utánra várható, a köztes időben is születhetnek kvantum szimulátorok vagy hálózatba kötött kvantum kommunikációs rendszerek szilícium fotonikával. Például biztonságos kvantum kommunikációs kapcsolatok (QKD hálózatok) telepíthetők lennének városi hálózatokban, szabványosított szilícium fotonikai QKD adókkal az adatközpontokban. Lehetőség van továbbá kvantum szenzorok chipre integrálására is (például kvantumszintű érzékenységű optikai giroszkópok), amelyek navigációban vagy tudományban találhatnak alkalmazást.
Folyamatos kutatás és új horizontok: Maga a szilícium fotonika területe is tovább fog fejlődni. A kutatók már vizsgálják a 3D integrációt – fotonikai chipek és elektronikai chipek egymásra helyezését a még szorosabb összekapcsolás érdekében (egyesek mikro-bumpokat vagy kötési technikákat vizsgálnak, hogy például egy fotonikai interposzert helyezzenek egy CPU alá). Szó esik továbbá az optikai hálózat a chipen belül (ONoC) koncepcióról is, ahol az elektromos hálózatok helyett vagy mellett a processzorok fényt használnak a magok közötti kommunikációra. Ha egyszer a sokmagos CPU-k belső optikai hálózatokat használnak, az megszüntetheti a chipen belüli sávszélesség szűk keresztmetszeteit (ez még távolabb van, de laboratóriumokban már koncepcionálisan bizonyították). A nano-fotonika is szerepet kaphat: plazmonikus vagy nanoszkálájú optikai komponensek, amelyek nagyon nagy sebességgel vagy rendkívül kis helyen működnek, és bizonyos feladatokra integrálhatók a szilícium fotonikával (például ultrakompakt modulátorokhoz). És ki tudja, talán egyszer valaki eléri a szent grált, egy szilícium lézert valamilyen okos anyagtrükkel – ami valóban leegyszerűsítené a fotonikai integrációt.
Piaci és iparági kilátások: Gazdasági szempontból valószínűleg a szilícium-fotonika piacának fellendülését láthatjuk. Az IDTechX szerint 2035-re körülbelül 54 milliárd dollár piaci értéket vetítenek előre optics.org. Figyelemre méltó, hogy bár az adatkommunikáció adja majd az oroszlánrészét, ebből mintegy ~11 milliárd dollár nem-adat alkalmazásokból (távközlés, lidar, szenzorok, kvantum stb.) származhat optics.org. Ez azt jelenti, hogy a technológia előnyei számos szektorban elterjednek majd. Előfordulhatnak nagyobb iparági átrendeződések vagy partnerségek is: például egy technológiai óriás felvásárolhatja valamelyik fotonikai unikornis startupot (képzeljük el, hogy az Nvidia megveszi az Ayar Labs-ot vagy a Lightmatter-t, hogy előnyt szerezzen az optikai számítástechnikában)? Ez lehetséges, ahogy a tét egyre nagyobb. Emellett az nemzetközi verseny is fokozódhat – kormányzati beruházásokra is sor kerülhet a vezető szerep biztosítása érdekében (hasonlóan ahhoz, ahogy a félvezetőipart stratégiai ágazatnak tekintik). A szilícium-fotonika a nemzeti technológiai stratégiák kulcselemévé válhat, ami tovább ösztönözheti a K+F finanszírozást és az infrastruktúra fejlesztését.

Tágabb értelemben, ha hátralépünk, a szilícium-fotonikával rendelkező jövő olyan lesz, ahol a számítás és kommunikáció közötti határok elmosódnak. A távolság kevésbé lesz korlátozó – az adatok egy chipen belül vagy városok között is ugyanolyan könnyedén utazhatnak optikai szálakon. Ez lehetővé teheti az olyan architektúrákat, mint az elosztott számítástechnika, ahol az erőforrások fizikai elhelyezkedése kevésbé számít, mert az optikai kapcsolatok alacsony késleltetést és nagy sávszélességet biztosítanak. Valóban szétválasztott adatközpontokat láthatunk majd, ahol a számítás, a tárolás és a memória optikailag kapcsolódik össze, mint a LEGO kockák. A fotonikából származó energiahatékonysági nyereségek hozzájárulhatnak a zöldebb IKT-hoz is, ami fontos, mivel a digitális infrastruktúra energiaigénye folyamatosan nő.

Egy iparági veterán szavaival élve: „a szilícium-fotonika felskálázásának útja ugyanolyan izgalmas, mint amennyire kihívást jelent.” laserfocusworld.com A következő évek kétségtelenül akadályokat tartogatnak, de kollektív elszántság tapasztalható az akadémiai és ipari szereplők körében ezek leküzdésére. Az együttműködés és az innováció – az anyagtudomány, a félvezető-mérnökség és a fotonika összehangolásával – révén a szakértők magabiztosak abban, hogy meg tudjuk oldani ezeket a kihívásokat, és ki tudjuk aknázni a szilícium-fotonika teljes potenciálját laserfocusworld.com. A jövőbeli kilátás az, hogy ez a technológia a perifériáról (ahol eszközeinket köti össze vagy speciális rendszereket egészít ki) a számítástechnika és a kapcsolódás szívébe kerül. Lényegében egy új korszak hajnalának vagyunk tanúi – egy olyannak, ahol az információ áramlását nemcsak az elektronok, hanem a fény is hordozza azokon az eszközökön és hálózatokon keresztül, amelyek a modern élet alapját adják. Ez pedig valóban forradalmi változás, amely a következő évtizedben és azon túl is kibontakozik majd.

Források: A szilícium fotonika definíciói és előnyei ansys.com ansys.com; alkalmazások érzékelésben, LiDAR-ban, kvantum ansys.com ansys.com; adatközponti és MI trendek laserfocusworld.com, optics.org; szakértői idézetek és betekintések laserfocusworld.com, tanaka-preciousmetals.com, nature.com; iparági vezetők expertmarketresearch.com; legfrissebb hírek és befektetések datacenterdynamics.com, nextplatform.com, nextplatform.com; jövőbeli előrejelzések optics.org

The Future of Silicon Photonics: Transforming Data Centers

Watch this video on YouTube.

Szilícium-fotonikai forradalom – Fénysebességű technológia alakítja át a mesterséges intelligenciát, adatközpontokat és még sok mást

Mi az a szilícium-fotonika és hogyan működik?

A szilícium fotonika fő alkalmazásai