Siliconfotonica-revolutie – Lichtsnelle technologie transformeert AI, datacenters en meer

• Siliciumfotonica gebruikt silicium fotonische geïntegreerde schakelingen (PIC’s) om licht te manipuleren voor gegevensverwerking en communicatie, waardoor verbindingen op en tussen chips mogelijk zijn met snelheden zoals 100 Gb/s en 400 Gb/s.
• Op een siliciumfotonica-chip ter grootte van een vingernagel kunnen tientallen laserkanalen worden geplaatst en, met dichte golflengtemultiplexing, terabits aan data worden vervoerd.
• Datacenter-verbindingen profiteren van optische verbindingen die minder energie verbruiken en een hogere dichtheid bieden, met prototypes zoals 51,2 Tb/s switch-chips met geïntegreerde optische I/O die zijn gedemonstreerd.
• In 2024 demonstreerde Ayar Labs een optische chiplet die 8 Tbps bandbreedte levert met 16 golflengten, en een Series D-ronde eind 2024 haalde $155 miljoen op met deelname van Nvidia, AMD en Intel, waardoor de waardering boven $1 miljard uitkwam.
• Intel heeft eind 2023 de productie van zijn siliciumfotonica-transceivers uitbesteed aan Jabil, nadat het sinds 2016 meer dan 8 miljoen fotonische transceiverchips had verscheept.
• InnoLight demonstreerde eind 2023 een 1,6 Tbps optische transceiverprototype, met 3,2 Tbps modules verwacht tegen 2026 nu multi-terabit verbindingen in zicht komen.
• Het Amerikaanse AIM Photonics-instituut ontving een programma van $321 miljoen over zeven jaar tot 2028 om geïntegreerde fotonica-productie in de VS te bevorderen, waarmee een siliciumfotonica-fabriek en verpakkingslijn in New York mogelijk worden gemaakt.
• In 2023 demonstreerde Broadcom 25,6 Tbps en 51,2 Tbps co-packaged optics switch-prototypes met geïntegreerde laserfotonica-engines.
• Lightmatter haalde $400 miljoen op in een Series D in 2024 om zijn optisch AI-versnellingsplatform te financieren, en PsiQuantum schetste in 2024 publiekelijk een pad naar een verlies-tolerante fotonische quantumcomputer met zijn Omega-chip.
• Analisten voorspellen dat de markt voor siliciumfotonica tegen 2035 ongeveer $54 miljard zal bereiken, waarvan ongeveer $11 miljard uit niet-data toepassingen, grotendeels gedreven door de behoeften van AI-datacenters.

Wat is siliciumfotonica en hoe werkt het?

Siliciumfotonica is een technologie die gebruikmaakt van op silicium gebaseerde fotonische geïntegreerde schakelingen (PIC’s) om licht (fotonen) te manipuleren voor verwerking en communicatie. Simpel gezegd betekent het het bouwen van optische apparaten (zoals lasers, modulatoren en detectoren) op siliciumchips, vergelijkbaar met hoe elektronische schakelingen worden gemaakt. Deze siliciumfotonica-chips kunnen data verzenden en ontvangen met licht, waardoor ultrasnelle gegevensoverdracht mogelijk is met hoge bandbreedte en weinig energieverlies ansys.com. Belangrijke componenten zijn onder andere golfgeleiders (piepkleine optische “draden” die licht op de chip geleiden), modulatoren (die data op lichtstralen coderen), lasers (meestal toegevoegd via andere materialen omdat silicium zelf geen licht kan uitzenden), en fotodetectoren (om inkomend licht weer om te zetten in elektrische signalen) ansys.com. Door deze te integreren op een siliciumplatform, maken ingenieurs gebruik van de gevestigde halfgeleiderproductie (CMOS) om fotonische apparaten op grote schaal te produceren, waarbij de snelheid van het licht wordt gecombineerd met de schaal van moderne chipfabricage ansys.com.

Hoe werkt het? In plaats van elektrische pulsen in koperen draden, gebruiken siliciumfotonische circuits infrarood laserlicht dat door golfgeleiders op micronschaal stroomt. Silicium is transparant voor infrarode golflengten, waardoor licht met minimale verliezen kan voortplanten wanneer het wordt ingesloten door omliggende materialen zoals siliciumdioxide die een lagere brekingsindex hebben ansys.comansys.com. Gegevens worden op deze lichtgolven gecodeerd via modulatoren die de intensiteit of fase van het licht snel kunnen veranderen. Aan de andere kant zetten fotodetectoren op de chip de optische signalen weer om in elektrische vorm. Omdat licht oscilleert op frequenties die veel hoger zijn dan elektrische signalen, kunnen optische verbindingen veel meer data per seconde vervoeren dan elektrische draden. Een enkele kleine vezel of golfgeleider kan tientallen of honderden gigabits per seconde verzenden, en door gebruik te maken van meerdere golflengten van licht (dense wavelength division multiplexing), kan een enkele vezel terabits aan data vervoeren. In de praktijk maakt siliciumfotonica communicatie op of tussen chips mogelijk met snelheden zoals 100 Gb/s, 400 Gb/s of meer, wat anders veel koperen banen zou vereisen of simpelweg niet haalbaar zou zijn over langere afstanden ansys.comoptics.org.

Siliciumfotonische apparaten zijn compact, snel en energiezuinig. Licht kan door golfgeleiders reizen met zeer lage weerstand (geen elektrische capaciteit of verwarmingsproblemen zoals bij koper op hoge snelheden), wat betekent dat het energieverbruik voor dataverkeer mogelijk lager is. Een analyse merkt op dat optische verbindingen dataknelpunten drastisch kunnen verlichten en de warmte in high-performance systemen kunnen verminderen – “optische verbindingen, mogelijk gemaakt door siliciumfotonica, zijn het enige schaalbare pad vooruit” om de explosief groeiende bandbreedte-eisen aan te kunnen laserfocusworld.com. Kortom, siliciumfotonica combineert het goedkope, massaal produceerbare siliciumchipplatform met de fysica van licht, waardoor “circuitry for photons” op een chip ontstaat ansys.com. Deze technologie stelt ons in staat om letterlijk data te verplaatsen met de snelheid van het licht in situaties waar traditionele elektronica haar grenzen bereikt.

Belangrijkste toepassingen van siliciumfotonica

Siliciumfotonica begon in glasvezelcommunicatie, maar tegenwoordig is het een veelzijdig platform dat toepassingen vindt in veel geavanceerde domeinen. Door de hoge snelheid en energiezuinigheid is elk veld dat enorme hoeveelheden data moet verwerken (of licht nauwkeurig moet sturen) een kandidaat. Hier zijn enkele van de belangrijkste toepassingen:

Datacenters en hogesnelheids-cloudnetwerken

Een van de belangrijkste toepassingen is binnen datacenters en supercomputers, waar siliciumfotonica inspeelt op de dringende behoefte aan snellere, efficiëntere verbindingen. Moderne cloud- en hyperscale-datacenters verwerken enorme datastromen tussen servers, racks en over campusnetwerken. Koperen kabels en traditionele elektrische switches vormen steeds vaker een knelpunt – ze verbruiken te veel stroom en kunnen niet opschalen voorbij bepaalde afstanden of snelheden (bijvoorbeeld, 100 Gb/s koperverbindingen werken slechts over enkele meters). Siliciumfotonische verbindingen lossen dit op door gebruik te maken van optische vezels en on-board optische engines om servers en switches met zeer hoge snelheden en minimaal verlies te verbinden. Optische transceivers op basis van siliciumfotonica vervangen of versterken al elektrische verbindingen voor rack-tot-rack en zelfs binnen-rack communicatie tanaka-preciousmetals.com.

Cisco en Intel zijn hier pioniers geweest: Cisco ontwerpt nu high-speed pluggable optical transceivers met behulp van siliciumfotonica om netwerkapparatuur te verbinden expertmarketresearch.com. Intel heeft op dezelfde manier siliciumfotonica ingezet om de connectiviteit in datacenters te verbeteren, met de levering van miljoenen 100G optische transceiverchips en nu de opschaling naar 200G, 400G en het testen van 800G optische modules tanaka-preciousmetals.com. De motivatie is duidelijk – naarmate datasnelheden verdubbelen van 100G naar 200G naar 400G, wordt het bereik van koper drastisch kleiner. “Wanneer je tegenwoordig een datacenter binnenloopt, zie je 100 Gb/s koperen kabels die servers verbinden met de top-of-rack switch… Die kabels zijn prima voor zo’n vier meter. Maar alles buiten het rack gebruikt al optica,” merkt Robert Blum op, senior directeur fotonica bij Intel, eraan toevoegend dat “naarmate we de datasnelheden verhogen naar 200 of 400 Gb/s, het bereik van koper veel korter wordt en we deze trend zien waarbij optica helemaal tot aan de server gaat.” tanaka-preciousmetals.com In high-performance computing (HPC) clusters en AI-supercomputers, waar duizenden processors lage-latentieverbindingen nodig hebben, bieden optische interconnects de bandbreedte om al die chips van data te voorzien ansys.com, laserfocusworld.com. Door fotonica op de switch en zelfs in processorpakketten te brengen (zogenaamde co-packaged optics), zullen toekomstige datacenternetwerken veel hogere doorvoersnelheden bereiken. Sterker nog, 51,2 Tb/s switching chips met geïntegreerde optische I/O zijn in aantocht, en prototypes zijn al gedemonstreerd tanaka-preciousmetals.com.

De voordelen voor datacenters zijn aanzienlijk: lager energieverbruik (optische verbindingen verspillen veel minder energie als warmte dan het sturen van elektronen door koper op tientallen GHz), hogere dichtheid (veel optische kanalen kunnen worden gemultiplext zonder zorgen over elektromagnetische interferentie), en groter bereik (optische signalen kunnen indien nodig kilometers afleggen). Dit betekent dat siliciumfotonica datacenters helpt om prestaties op te schalen zonder te worden beperkt door de grenzen van interconnecties. Een marktanalist merkte op dat AI-gerichte datacenters een ongekende vraag naar hoogwaardige optische transceivers aanjagen, en stelde dat “siliciumfotonica en PIC’s aan de voorhoede van deze revolutie staan, met hun vermogen om data te verzenden aan snelheden van 1,6 Tbps en meer.” optics.org In praktische termen kan een enkele fotonische chip ter grootte van een vingernagel tientallen laserkanalen bevatten, die samen terabits aan data vervoeren – cruciaal voor de cloudinfrastructuur van de volgende generatie.

AI- en Machine Learning-versnelling

De explosie van AI- en machine learning-workloads is een bijzonder geval van de datacenterapplicatie – het verdient een eigen vermelding omdat AI enkele unieke vereisten met zich meebrengt en nieuwe toepassingen voor siliciumfotonica heeft gestimuleerd. Het trainen van geavanceerde AI-modellen (zoals grote taalmodellen die chatbots aandrijven) omvat massale parallelle berekeningen verspreid over veel GPU’s of gespecialiseerde AI-versnellers. Deze chips moeten enorme hoeveelheden data uitwisselen voor taken zoals modeltraining, waardoor conventionele elektrische verbindingen vaak verzadigd raken. Siliciumfotonica biedt AI een dubbel voordeel: interconnecties met hoge bandbreedte en zelfs het potentieel voor optische computation.

Aan de interconnect-kant worden optische verbindingen ontwikkeld om AI-acceleratorchips of geheugen direct met licht te verbinden (soms optische I/O genoemd). Door de traditionele server-backplane of GPU-naar-GPU-communicatie te vervangen door glasvezel, kunnen AI-systemen de communicatielatentie en het energieverbruik aanzienlijk verminderen. Startups zoals Ayar Labs ontwikkelen bijvoorbeeld optische I/O-chiplets die naast processoren worden geplaatst om data met licht in en uit te zenden, waardoor de dichte bundels koperen verbindingen die anders nodig zouden zijn, overbodig worden. In 2024 demonstreerde Ayar Labs een optische chiplet die 8 Tbps aan bandbreedte levert met behulp van 16 lichtgolflengten – een teken van hoe de volgende generatie AI-interconnects eruit zou kunnen zien businesswire.com. Grote chipfabrikanten letten goed op: Nvidia, AMD en Intel investeerden elk in Ayar Labs als onderdeel van een financieringsronde van $155 miljoen, in de overtuiging dat optische interconnects essentieel zullen zijn voor het opschalen van toekomstige AI-hardware nextplatform.com. Zoals een journalist het verwoordde: als je niet genoeg snelheid kunt halen door chips alleen maar sneller te maken, “is het volgende beste waar je je geld in kunt steken waarschijnlijk een vorm van optische I/O.” nextplatform.com

Naast het verplaatsen van data tussen AI-chips, maakt siliciumfotonica ook optisch rekenen voor AI mogelijk. Dit betekent dat bepaalde berekeningen (zoals matrixvermenigvuldigingen in neurale netwerken) met licht in plaats van elektriciteit worden uitgevoerd, wat mogelijk enkele van de snelheids- en energielimieten van de huidige elektronische AI-accelerators kan omzeilen. Bedrijven zoals Lightmatter en Lightelligence hebben prototype fotonische processoren gebouwd die interferentie van licht in siliciumgolfgeleiders gebruiken om resultaten parallel te berekenen. Eind 2024 haalde Lightmatter een opmerkelijke $400 miljoen op in een Series D-ronde (waardoor de waardering op $4,4 miljard kwam) om hun optische rekentechnologie verder te ontwikkelen nextplatform.com. Hoewel nog in opkomst, beloven deze fotonische AI-accelerators ultrasnelle, laag-latente uitvoering van neurale netwerken met een veel lager energieverbruik, omdat fotonen nauwelijks warmte genereren in vergelijking met miljarden transistor-schakelgebeurtenissen.

Over het algemeen, naarmate AI-modellen in omvang en complexiteit toenemen (en clusters van tienduizenden chips vereisen), wordt siliciumfotonica gezien als een “paradigmaverschuiving” die de communicatieknelpunten in AI-infrastructuur kan overwinnen laserfocusworld.com. Het biedt een manier om de bandbreedte tussen processoren lineair met de vraag te schalen, iets waar elektrische verbindingen moeite mee hebben. Industrie-observatoren voorspellen dat optische technologieën (zoals co-packaged optics, optische chip-tot-chip verbindingen, en mogelijk fotonische rekenelementen) de standaard zullen worden in AI-systemen in de komende jaren – en niet slechts een niche-experiment. Sterker nog, volgens een schatting zullen AI-datacenters zo snel groeien (50% CAGR in energieverbruik) dat ze tegen 2030 onhoudbaar kunnen zijn met bestaande elektrische I/O, waardoor siliciumfotonica “een onmisbaar onderdeel van onze toekomstige infrastructuur” wordt om AI schaalbaar te houden laserfocusworld.com.

Telecommunicatie en Netwerken

Siliciumfotonica vindt zijn oorsprong in de telecom en blijft revolutioneren hoe we data over lange afstanden verzenden. In glasvezel telecommunicatienetwerken – of het nu gaat om de internet backbone, onderzeese kabels, of metro- en toegangsnetwerken – wordt geïntegreerde fotonica gebruikt om optische transceivers te maken die kleiner, sneller en goedkoper zijn. Traditionele optische communicatiesystemen vertrouwden vaak op losse componenten (lasers, modulators, detectoren die afzonderlijk werden geassembleerd), maar siliciumfotonische integratie kan veel van deze componenten op één chip plaatsen, wat de betrouwbaarheid verbetert en de assemblagekosten verlaagt tanaka-preciousmetals.com.

Tegenwoordig zijn optische transceivermodules die gebruikmaken van silicon photonics gangbaar in datacenter-interconnects en worden ze steeds vaker toegepast in telecominfrastructuur voor 100G, 400G en meer. Zo hebben bedrijven als Infinera en Cisco (Acacia) coherente optische transceivers ontwikkeld met silicon photonics voor 400G- en 800G-verbindingen in telecomnetwerken. Ook breedband- en 5G/6G-draadloze netwerken profiteren hiervan – de glasvezelverbindingen die zendmasten verbinden of fronthaul/backhaul-data vervoeren, kunnen efficiënter worden gemaakt met silicon photonics. Intel heeft benadrukt dat silicon photonics een rol zal spelen in “volgende-generatie 5G-implementaties met kleinere form factors en hogere snelheden, van 100G vandaag tot 400G en meer morgen” expertmarketresearch.com. Het vermogen om tientallen laser-golflengten op één chip te integreren is nuttig voor dense wavelength-division multiplexing (DWDM)-systemen, die telecomoperators gebruiken om meer kanalen op elke vezel te plaatsen. In 2023 demonstreerde een Chinees bedrijf, InnoLight, zelfs een 1,6 Tb/s optische transceiver (met gebruik van meerdere golflengten en geavanceerde modulatie) – een teken dat multi-terabit optische verbindingen nabij zijn optics.org.

Een andere netwerktoepassing is in de core routing- en switching-apparatuur. High-end routers en optische switching-platforms beginnen silicon photonic-circuits te gebruiken voor functies zoals optische switching, signaalroutering en zelfs golflengtefiltering op de chip. Zo zijn er grote silicon-photonic switch fabrics geprototyped die silicon MEMS of thermo-optische effecten gebruiken om lichtpaden snel te schakelen, wat mogelijk volledig optische circuit-switching mogelijk maakt. Deze zouden uiteindelijk kunnen worden gebruikt in datacenternetwerken om verbindingen optisch dynamisch te herconfigureren (Google heeft gehint op het gebruik van optische switches in sommige van zijn AI-clusters) nextplatform.com.

Over het algemeen zijn de doelen in de telecommunicatie hogere capaciteit en lagere kosten per bit. Siliciumfotonica helpt hierbij door de capaciteit van glasvezel op te schalen (100G → 400G → 800G en 1,6T per golflengte) en door de productiekosten te verlagen via CMOS-fabricageprocessen. Veelzeggend is dat de siliciumfotonica-divisie van Intel, voordat deze werd gereorganiseerd, van 2016 tot 2023 meer dan 8 miljoen fotonische transceiverchips heeft verscheept voor gebruik in datacenters en netwerken optics.org. En de industriële samenwerkingen nemen toe: zo kondigde Intel eind 2023 aan dat het zijn transceiverproductie zou overdragen aan Jabil (een contractfabrikant) om de productie verder op te schalen optics.org. Ondertussen investeren optische componentgiganten zoals Coherent (voorheen II-VI) en traditionele telecomleveranciers (Nokia, Ciena, enz.) allemaal in siliciumfotonica voor de volgende generatie optische modules optics.org. De technologie wordt een hoeksteen van zowel de fysieke infrastructuur van het internet als het snel evoluerende 5G/6G-communicatie-ecosysteem.

Sensing en LiDAR

Siliciumfotonica draait niet alleen om communicatie – het maakt ook nieuwe soorten sensoren mogelijk door nauwkeurige lichtsturing op de chip. Een spannend gebied is biochemische en milieusensoriek. Siliciumfotonische sensoren kunnen kleine veranderingen in brekingsindex of absorptie detecteren wanneer een monster (zoals een druppel bloed of een chemische damp) in contact komt met een geleid lichtstraal. Zo kan een siliciumfotonische chip een kleine ringresonator of interferometer bevatten die van frequentie verandert wanneer bepaalde moleculen eraan binden. Dit maakt lab-on-a-chip-sensoriek van biomarkers – eiwitten, DNA, gassen, enz. – mogelijk met hoge gevoeligheid en mogelijk tegen lage kosten. Dergelijke fotonische biosensoren kunnen worden gebruikt voor medische diagnostiek, milieumonitoring of zelfs “kunstneus”-toepassingen optics.orgoptics.org. De voordelen van miniaturisatie en integratie zijn essentieel: een enkele siliciumfotonische sensorchip kan lichtbronnen, sensorelementen en fotodetectoren integreren, waardoor een compacte, robuuste sensor ontstaat in plaats van omvangrijke optische laboratoriumapparatuur. Onderzoek naar silicium-nitride-fotonica (een variant die beter werkt voor zichtbare golflengten) opent nog meer sensorische toepassingen, omdat SiN zichtbaar licht kan geleiden voor het detecteren van bijvoorbeeld fluorescentie- of Ramansignalen die puur silicium niet aankan.

Een andere snelgroeiende toepassing is LiDAR (Light Detection and Ranging) voor autonome voertuigen, drones en robotica. LiDAR-systemen zenden laserpulsen uit en meten het gereflecteerde licht om afstanden in kaart te brengen – in feite “3D-laservisie.” Traditionele LiDAR-units vertrouwen vaak op mechanische scanning en afzonderlijke lasers/detectoren, wat ze duur en enigszins omvangrijk maakt. Siliciumfotonica biedt een manier om LiDAR op een chip te bouwen: het monolithisch integreren van bundelstuur-elementen, splitters, modulatoren en detectoren. Een siliciumfotonische LiDAR kan gebruikmaken van solid-state bundelsturing (bijvoorbeeld optische fase-arrays) om de omgeving te scannen zonder bewegende delen. Dit verkleint de omvang en kosten van LiDAR-units drastisch. Intel’s Mobileye heeft zelfs aangegeven dat het siliciumfotonische geïntegreerde circuits gebruikt in zijn volgende generatie LiDAR-sensoren voor autonoom rijden rond 2025 tanaka-preciousmetals.com. Dergelijke integratie kan de kosten van LiDAR verlagen en massale inzet in auto’s mogelijk maken. Op siliciumfotonica gebaseerde LiDAR kan ook sneller scannen en een hogere resolutie bereiken door gebruik te maken van meerdere golflengten of coherente detectietechnieken die op de chip zijn gebouwd. Als extra voordeel verbruiken deze geïntegreerde oplossingen doorgaans minder stroom – een belangrijke factor voor elektrische voertuigen.

Volgens Ansys “zijn door siliciumfotonica mogelijk gemaakte LiDAR-oplossingen compacter, gebruiken ze minder stroom en zijn ze goedkoper te produceren dan systemen die uit afzonderlijke componenten zijn opgebouwd.” ansys.com Dit vat kernachtig samen waarom bedrijven van startups tot techreuzen racen om fotonische LiDAR te ontwikkelen. We zien nu al prototypes van FMCW LiDAR (frequency-modulated continuous wave LiDAR), waarvoor delicate fotonische circuits zoals afstembare lasers en interferometers nodig zijn. Siliciumfotonica is hiervoor een natuurlijk platform, en experts voorspellen dat geïntegreerde fotonica de sleutel zal zijn om FMCW LiDAR op grote schaal haalbaar te maken (voor het grote bereik en de ongevoeligheid voor interferentie) optics.orgoptics.org. In de nabije toekomst kun je auto’s en drones verwachten die zijn uitgerust met kleine, chip-gebaseerde LiDAR-units met hoge prestaties – een direct resultaat van innovatie in siliciumfotonica.

Naast LiDAR zijn er andere toepassingen voor sensoren, zoals gyroscopen en traagheidssensoren (met ringlasergyro’s op een chip voor navigatie), en spectrometers (geïntegreerde optische spectrometers voor chemische analyse). De gemene deler is dat siliciumfotonica de precisie van optische metingen mogelijk maakt in een miniaturiseerbaar, produceerbaar formaat. Dit opent nieuwe mogelijkheden in consumentenelektronica (stel je een optische gezondheidssensor in een smartwatch voor), industriële monitoring en wetenschappelijke instrumenten.

Quantum Computing en Fotonische Quantumtechnologieën

In de zoektocht naar quantumcomputers spelen fotonen (lichtdeeltjes) een unieke rol. In tegenstelling tot elektronen kunnen fotonen grote afstanden afleggen zonder met de omgeving te interageren (handig voor het verzenden van quantuminformatie), en bepaalde quantumcomputing-schema’s gebruiken fotonen zelf als de qubits. Siliciumfotonica is naar voren gekomen als een toonaangevend platform voor onderzoek naar quantumcomputing en -netwerken.

Verschillende startups en onderzoeksgroepen werken aan fotonische quantumcomputers die silicium-gebaseerde fotonische circuits gebruiken om qubits, gecodeerd in licht, te genereren en te manipuleren. Zo werkt PsiQuantum, een startup met veel financiering, samen met een halfgeleiderfabriek om een grootschalige quantumcomputer te bouwen met duizenden siliciumfotonische qubitkanalen. Het idee is om apparaten zoals enkel-fotonbronnen, bundelsplitters, faseverschuivers en fotondetectoren op een chip te integreren om quantumlogica met fotonen uit te voeren. Het voordeel van siliciumfotonica is hier schaalbaarheid – omdat het voortbouwt op CMOS-fabricage, kan men (in principe) zeer complexe quantumfotonische circuits maken met honderden of duizenden componenten, wat bij andere quantumhardwarebenaderingen veel moeilijker is. Inderdaad, onderzoekers hebben onlangs siliciumfotonische chips met duizenden componenten samen werkend voor quantumlichtmanipulatie aangetoond nature.com.

Siliciumfotonica maakt ook quantumnetwerken mogelijk – veilige communicatie met behulp van quantum key distribution (QKD) en verstrengelde fotonen – door een platform te bieden voor compacte, stabiele optische quantumzenders en -ontvangers. Daarnaast kunnen bepaalde quantumsensortechnologieën (zoals optische quantumgyroscopen of enkel-foton LiDAR) siliciumfotonische chips als kern gebruiken.

Een grote uitdaging in fotonische quantumcomputing is het genereren van enkelvoudige fotonen op aanvraag en het met weinig verlies geleiden ervan. Interessant genoeg gelden dezelfde beperkingen (en oplossingen) als bij klassieke siliciumfotonica ook in quantum: silicium laseert niet van nature, dus quantumfotonische chips gebruiken vaak geïntegreerde niet-lineaire processen of quantumdot-bronnen om enkelvoudige fotonen te creëren, of ze integreren gespecialiseerde materialen hybride. De voordelen zijn echter vergelijkbaar – hoge precisie en miniaturisatie. Zoals het Ansys-rapport opmerkt, gebruiken quantumcomputers fotonen voor berekeningen, en het beheren van die fotonen met geïntegreerde fotonica brengt snelheids-, precisie- en kostvoordelen met zich mee ansys.com. In de praktijk kan siliciumfotonica de stabiliteit en maakbaarheid bieden die nodig zijn om quantumsystemen op te schalen van laboratoriumexperimenten naar echte machines.

Afgezien van computing, zijn quantum fotonische sensoren (zoals interferometers die gebruikmaken van quantumtoestanden voor extra gevoeligheid) en quantum random number generators andere gebieden waar siliciumfotonica impact maakt. Hoewel fotonische quantumcomputing nog in ontwikkeling is en waarschijnlijk nog een paar jaar verwijderd is van volwassenheid, onderstreept de grote investering in dit veld de belofte ervan. In 2022 benadrukte een vooraanstaand onderzoeker, Prof. John Bowers, dat siliciumfotonica zich snel ontwikkelde met veel nieuwe toepassingen, waaronder quantum, aan de horizon nature.com. Het is voorstelbaar dat de eerste grootschalige quantumcomputers daadwerkelijk optische systemen zullen zijn gebouwd op siliciumfotonische chips – een fascinerende cirkel waarin een technologie die oorspronkelijk voor telecom is ontwikkeld, mogelijk de volgende sprong in computing mogelijk maakt.

Huidige trends en ontwikkelingen (2025)

Vanaf 2025 wint siliciumfotonica enorm aan momentum. Een aantal trends zijn samengekomen om deze technologie uit laboratoria en nichetoepassingen naar de mainstream van de tech-industrie te brengen:

• Data Bottleneck en Co-Packaged Optics: De onverzadigbare vraag naar data (vooral door AI en clouddiensten) heeft van elektrische verbindingen een serieuze bottleneck gemaakt. We zijn op het punt gekomen dat je, elke keer dat je de bandbreedte van een verbinding verdubbelt, de lengte van de koperen kabel moet halveren om de signaalintegriteit te behouden nextplatform.com – een onhoudbare afweging. Deze urgentie heeft de aandacht gevestigd op benaderingen zoals co-packaged optics (CPO), waarbij optische engines direct naast switch-ASIC’s of processorchips worden geplaatst om vrijwel alle elektrische transmissieafstand te elimineren. In 2023 demonstreerden meerdere bedrijven co-packaged optics in switches (bijvoorbeeld Broadcom’s 25,6 Tb/s en 51,2 Tb/s switchprototypes met geïntegreerde laserfotonica-engines). Industriële roadmaps suggereren dat 51,2 Tb/s Ethernet-switchchips met co-packaged silicon photonics binnen een jaar of twee op de markt zouden moeten komen tanaka-preciousmetals.com, en dat we rond 2026–2027 waarschijnlijk de eerste CPU’s/GPU’s zullen zien die direct gebruikmaken van optische I/O nextplatform.com. Met andere woorden, het optische tijdperk van interconnects staat op het punt aan te breken in praktische systemen. Bedrijven als Intel, Nvidia en Cisco ontwikkelen allemaal actief CPO-oplossingen. Sterker nog, Intel’s Tomambe-project en andere hebben al 1,6 Tb/s fotonica-engines geïntegreerd met switchchips gedemonstreerd tanaka-preciousmetals.com. De algemene consensus: na jaren van onderzoek maakt co-packaged optics de overgang van prototype naar product, met als doel het energieverbruik per bit te verlagen door lichtbronnen dichter bij de databron te brengen (30% energiebesparing ten opzichte van pluggables, volgens één schatting laserfocusworld.com).
• Golf van investeringen en startup-activiteit: De afgelopen paar jaar zijn er grote investeringen en financieringsrondes geweest in silicon photonics-ondernemingen. Dit weerspiegelt het vertrouwen dat de industrie heeft in de toekomst van deze technologie. Zo haalde Ayar Labs eind 2024 een Series D-ronde van $155 miljoen op (waardoor het de “unicorn”-status bereikte met een waardering van meer dan $1 miljard) om zijn optische I/O-oplossingen op te schalen; opvallend is dat deze ronde strategische investeringen omvatte van Nvidia, AMD en Intel zelf nextplatform.com. Evenzo haalde de fotonische computing-startup Lightmatter in 2024 $400 miljoen op om zijn optisch AI-versnellingsplatform verder te ontwikkelen nextplatform.com. Een andere startup, Celestial AI, die zich richt op optische interconnects voor AI, haalde niet alleen $175 miljoen op begin 2024, maar wist ook het silicon photonics-octrooienportfolio van Rockley Photonics over te nemen (een ooit op sensing gerichte fotonica-onderneming) voor $20 miljoen in oktober 2024 datacenterdynamics.com. Deze overname gaf Celestial AI meer dan 200 patenten in silicon photonics en duidt op enige consolidatie in de sector – kleinere spelers met waardevolle fotonica-technologie (Rockley had geavanceerde modulatoren en geïntegreerde optica voor wearables ontwikkeld) worden opgenomen in bedrijven die zich richten op datacenter- en AI-markten. Ook zagen we dat HyperLight en Lightium, twee startups die zich specialiseren in dunfilm lithium niobaat fotonische chips, samen $44 miljoen aan investeringen aantrokken in 2023 optics.org, wat de interesse in nieuwe materialen om silicon photonics te verbeteren onderstreept (TFLN-modulatoren kunnen hogere snelheden en lage verliezen bieden). Over het geheel genomen is de VC-financiering en de steun van bedrijven voor silicon photonics-bedrijven op een historisch hoogtepunt, wat aantoont dat men zich realiseert dat optische technologie cruciaal is voor toekomstige halfgeleiders.
• Technologische Volwassenheid en Groei van het Ecosysteem: Een andere trend is de volwassenwording van het siliconenfotonica-ecosysteem. Meer foundries en leveranciers doen nu mee. In het verleden hadden slechts een paar spelers (zoals Intel of Luxtera) end-to-end mogelijkheden. Nu bieden grote halfgeleiderfoundries zoals GlobalFoundries, TSMC en zelfs STMicroelectronics siliconenfotonica-proceslijnen of gestandaardiseerde fotonische PDK’s (Process Design Kits) aan voor klanten ansys.com. Deze standaardisatie betekent dat startups of kleinere bedrijven fotonische circuits kunnen ontwerpen en laten fabriceren zonder hun eigen fabriek te hoeven bouwen – vergelijkbaar met hoe fabloze elektronische chipbedrijven opereren. Er zijn regelmatige multi-project wafer (MPW) shuttles voor fotonische chips, waarbij meerdere ontwerpen een wafer-run delen, wat de prototypingskosten drastisch verlaagt. Industrieorganisaties werken aan gestandaardiseerde verpakkingsoplossingen (optische I/O-interfaces, vezelaansluitmethoden) zodat fotonische chips eenvoudiger in producten geïntegreerd kunnen worden. De oprichting van het American Institute for Manufacturing Integrated Photonics (AIM Photonics) is een grote stimulans geweest: dit publiek-private consortium heeft een siliconenfotonica-foundry en verpakkingslijn opgezet in New York en kreeg onlangs een $321 miljoen, 7-jarig programma (tot 2028) toegekend om geïntegreerde fotonica-productie in de VS te bevorderen. nsf.gov. Evenzo bieden in Europa onderzoeksinstituten zoals IMEC in België en CEA-Leti in Frankrijk siliconenfotonica-platforms en hebben ze een cluster van fotonica-startups gestimuleerd. In China komt siliconenfotonica ook op, met bedrijven als InnoLight en Huawei die investeren in binnenlandse fotonische chipcapaciteiten optics.orgoptics.org. Al deze ontwikkelingen geven aan dat siliconenfotonica niet langer een experimentele technologie is – het wordt een standaardonderdeel van de halfgeleidergereedschapskist.
• Hogere snelheden en nieuwe materialen: Technologisch gezien zien we snelle vooruitgang in het verhogen van de prestaties van silicium fotonische apparaten. 800G optische transceivers zijn nu als sample beschikbaar, 1,6 Tb/s modules zijn gedemonstreerd optics.org, en 3,2 Tb/s pluggable modules worden verwacht tegen 2026 optics.org. Om deze snelheden te bereiken, maken ingenieurs gebruik van alles van 16-kanaals golflengtemultiplexing tot geavanceerde modulatieformaten – waarbij in feite het optische domein wordt benut om meer bits te verpakken. Op apparaatniveau worden nieuwe materialen geïntegreerd in siliciumfotonica om de beperkingen van silicium te overwinnen. Een goed voorbeeld is dunfilm lithium niobaat (TFLN) op silicium, dat zeer snelle Pockels-effectmodulatoren met lage verliezen mogelijk maakt. Dit zou modulatoren kunnen opleveren die bandbreedtes van meer dan 100 GHz aankunnen, geschikt voor toekomstige 1,6T- en 3,2T-verbindingen of zelfs voor quantumtoepassingen optics.org. Startups zoals HyperLight commercialiseren deze hybride LiNbO3/Si-chips. Andere materialen in R&D zijn onder meer bariumtitanaat (BTO) elektro-optische modulatoren en met zeldzame aardmetalen gedoteerde materialen voor lasers/versterkers op de chip optics.org. Er wordt ook doorgewerkt aan de integratie van III-V halfgeleiders (InP, GaAs) op silicium voor betere lasers en optische versterkers – zo zijn quantumdotlasers die direct op silicium zijn gegroeid sterk verbeterd, waarmee betrouwbaarheidsproblemen van eerdere pogingen zijn aangepakt nature.comnature.com. Kortom, het materiaalpalet voor siliciumfotonica wordt breder, wat zal leiden tot hogere prestaties en nieuwe functionaliteit. We zien zelfs op siliciumfotonica gebaseerde microcombs (optische frequentiekambronnen) gebruikt worden voor toepassingen zoals ultrasnelle datatransmissie en precieze spectroscopie, iets wat tien jaar geleden nog onwaarschijnlijk klonk.
• Opkomende Toepassingen & Producten: Naast de kernapplicaties ontstaan er in 2025 enkele nieuwe use-cases. Eén daarvan is optisch rekenen voor AI (eerder besproken), dat verschuift van onderzoeksdemo’s naar vroege producten – zo heeft Lightelligence een fotonische computerhardware onthuld voor het versnellen van AI-inferentie. Een andere is chip-naar-chip optische verbindingen in geavanceerde packaging: nu bedrijven multichipmodules en chiplets verkennen, kunnen optische verbindingen deze chiplets met hoge snelheid verbinden over een package of een interposer. Standaarden zoals de UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express) overwegen zelfs optische PHY-extensies. We zien ook interesse van de overheid: DARPA en andere instanties hebben programma’s om fotonische interconnects te gebruiken in defensiesystemen (voor high-end verwerking en RF-signaalroutering). En in de consumentenmarkt wordt gespeculeerd dat binnen enkele jaren optische I/O in consumententoestellen kan verschijnen – bijvoorbeeld een AR/VR-headset die een siliciumfotonische chip gebruikt voor high-bandwidth sensorverbindingen, of een optische Thunderbolt-kabel voor AR-brillen. Hoewel dit nog niet het geval is, staan deze ideeën wel op de tekentafel.

Samengevat: 2025 markeert een kantelpunt voor siliciumfotonica: er komen belangrijke commerciële producten op de markt (vooral in netwerken), er stroomt enorme investeringen binnen, en het ecosysteem wordt volwassen. Het wordt steeds duidelijker dat optica een fundamentele rol zal spelen in toekomstige computing en connectiviteit. Zoals een industriecommentator het verwoordde: in de tweede helft van dit decennium verwacht men dat optische I/O van pilotlijnen naar mainstream productie zal gaan – “de generatie rekeneenheden van 2025 heeft misschien nog geen siliciumfotonica, maar die van 2026 mogelijk wel en die van 2027 vrijwel zeker”, omdat we uiteindelijk geen keuze hebben – “de tijd van koper is voorbij.” nextplatform.com

Uitdagingen en Beperkingen

Ondanks alle opwinding kent siliciumfotonica verschillende uitdagingen en beperkingen waar onderzoekers en ingenieurs actief aan werken om te overwinnen. Het is een transformerende technologie, maar geen wondermiddel – althans, nog niet. Dit zijn de belangrijkste obstakels:

• Lichtbronnen integreren: Misschien wel de meest beruchte beperking is dat silicium niet goed is in het genereren van licht. Silicium heeft een indirecte bandgap, wat betekent dat het niet kan functioneren als een laser of efficiënte LED. Zoals fotonica-pionier John Bowers het bot stelt: “Silicium is ongelooflijk slecht als lichtemitter.” nature.com De interne efficiëntie is bijna nul – ongeveer één op de miljoen elektronen in silicium zal een foton produceren – terwijl III-V halfgeleiders zoals indiumfosfide of galliumarsenide licht kunnen uitzenden met bijna 100% efficiëntie nature.com. Dit betekent dat je, om lasers op een siliciumfotonica-chip te hebben, meestal andere materialen moet introduceren. Dit kan gedaan worden door hybride integratie (het verbinden van een stuk InP-wafer met laserdiodes op de siliciumwafer) of nieuwere technieken zoals het direct laten groeien van nanogestructureerde III-V-lasers op silicium. De vooruitgang op dit gebied is veelbelovend: bedrijven en laboratoria (Intel, UCSB, enz.) hebben hybride geïntegreerde lasers op schaal aangetoond, en recent zelfs quantum-dot-lasers die op 300 mm siliciumwafers zijn gegroeid met goede betrouwbaarheid nature.comnature.com. Toch voegt het integreren van lasers complexiteit en kosten toe. Als de laser zich buiten de chip bevindt (in een aparte lasermodule die via een vezel is gekoppeld), sta je vervolgens voor de uitdaging om dat licht efficiënt in de kleine on-chip golfgeleiders te koppelen. Kortom, licht op de chip krijgen is geen triviale taak. De industrie onderzoekt oplossingen zoals heterogene integratie (meerdere materialen op één chip) en zelfs nieuwe benaderingen zoals elektrisch gepompte germanium-siliciumlasers of Raman-lasers op silicium, maar deze zijn nog in ontwikkeling. Vanaf 2025 gebruiken de meeste siliciumfotonica-systemen ofwel hybride lasers of externe lasers die worden gekoppeld. Dit is een belangrijk onderzoeksgebied.
• Productie en opbrengst: Silicium fotonische circuits kunnen in bestaande fabrieken worden geproduceerd, maar ze hebben andere vereisten dan elektronische chips. Optica vereisen bijvoorbeeld zeer nauwkeurige controle van afmetingen – variaties van slechts enkele nanometers in golfgeleiderbreedte of -afstand kunnen de golflengte van resonatoren of de fase van licht veranderen. Het behalen van een hoge opbrengst (d.w.z. consistente prestaties over veel chips) is een uitdaging. Bovendien kan het integreren van meerdere materiaalsoorten (silicium, silicium nitride, III-V’s, metalen) in één processtroom complexiteit introduceren. Het koppelen van vezels aan de chip is ook een uitdaging op het gebied van opbrengst en productie; het uitlijnen van piepkleine optische vezels met golfgeleiderfacetten op micronschaal vereist momenteel vaak dure actieve uitlijning. Sommige van deze stappen zijn nog steeds semi-handmatig in de productie, wat niet goed schaalbaar is. Er wordt veel gewerkt aan het verbeteren van verpakkings­technieken, zoals het gebruik van gestandaardiseerde vezelbevestigingseenheden of het integreren van rooster­koppelaars die het mogelijk maken om vezels gemakkelijker licht van bovenaf in de chip te laten koppelen. De verpakking van gecombineerde elektronische + fotonische chips is ook lastig – bijvoorbeeld, als je een fotonische chip en een elektronische ASIC in hetzelfde pakket hebt, moet je ze uitlijnen en ook het warmtebeheer regelen (omdat hete elektronica de fotonica kan verstoren). Ansys merkt op dat als elektronica en fotonica een chip delen, de productie­aanpak de behoeften van beide moet balanceren, en als het aparte chips zijn, is geavanceerde verpakking nodig – “warmteontwikkeling in de elektronica kan de fotonica beïnvloeden.” ansys.com Thermische afstemming is een ander probleem: veel silicium fotonische filters en modulatoren zijn afhankelijk van thermische effecten, dus temperatuurveranderingen kunnen circuits ontstemmen, waardoor er energie nodig is om te stabiliseren. Dit alles maakt de productie complexer en drijft de kosten op.
• Kosten en volume: Over kosten gesproken – hoewel siliciumfotonica belooft lage kosten door gebruik te maken van high-volume siliciumfabrieken, is de realiteit van vandaag dat deze apparaten nog steeds relatief niche en duur zijn. De industrie verscheept miljoenen eenheden (als transceivers in datacenters), maar om de kosten echt te laten dalen, moet ze waarschijnlijk miljarden eenheden per jaar verschepen ansys.com. Met andere woorden, het heeft nog niet de schaal van consumentenelektronica bereikt. De apparaten vereisen vaak ook gespecialiseerde verpakking (zoals genoemd) en testen, wat kosten toevoegt. Een huidige siliciumfotonische transceiver voor datacenters kan honderden tot duizenden dollars kosten, wat acceptabel is voor die markt maar te hoog voor consumentenmarkten. De economie is wat onzeker op zeer grote schaal – zoals een rapport opmerkte, maken grote cloudkopers zich zorgen over de betrouwbaarheid en kostenstructuur als ze siliciumfotonica breed zouden toepassen, aangezien de technologie de leercurve van mainstream siliciumproductie nog niet heeft bereikt nextplatform.com. De kosten verbeteren echter gestaag, en initiatieven zoals foundry-standaard PDK’s en automatisering helpen daarbij. In de komende jaren, naarmate het volume toeneemt (aangedreven door AI en datacenters), zouden we de kosten moeten zien dalen, wat op zijn beurt meer markten zal openen (het is een vicieuze cirkel zodra het op gang komt). Toch kan in 2025 de kostprijs per apparaat een beperkende factor zijn voor de adoptie van siliciumfotonica in prijsgevoelige toepassingen.
• Stroomverbruik en efficiëntie: Hoewel siliciumfotonica het stroomverbruik voor datatransport bij zeer hoge snelheden kan verminderen, verbruiken de apparaten zelf nog steeds stroom – bijvoorbeeld, modulatoren gebruiken vaak thermische afstemming of PN-overgangen die stroom trekken, en lasers verbruiken uiteraard ook stroom. Er is een overhead bij het omzetten van elektronische signalen naar optisch en terug. Om daadwerkelijk stroom te besparen op systeemniveau, moeten die overheads kleiner zijn dan de besparingen door het wegvallen van lange elektrische verbindingen. De huidige siliciumfotonische transceivers zijn behoorlijk energiezuinig (orde van grootte van enkele picojoules per bit voor de optische conversie), maar er wordt gestreefd naar nog lager, vooral als optische I/O wordt gebruikt op chip of in geheugenbussen waar de efficiëntie zeer hoog moet zijn. Een veelbelovende benadering is het gebruik van elektro-optische materialen (zoals LiNbO3 of BTO) die licht kunnen moduleren met zeer lage spanning (en dus lager stroomverbruik) in plaats van thermische afstemming. Ook het integreren van efficiëntere lichtbronnen (zoals quantum-dotlasers) kan het energieverlies van lasers verminderen (huidige distributed feedback-lasers verspillen vaak veel energie als warmte). Dus hoewel siliciumfotonica het interconnect-stroomprobleem op macroschaal aanpakt, optimaliseren ingenieurs op microschaal nog steeds het stroomverbruik per apparaat. Het goede nieuws: zelfs met de huidige technologie kunnen co-packaged optics het totale interconnect-stroomverbruik met ~30% verminderen ten opzichte van traditionele pluggables laserfocusworld.com, en toekomstige verbeteringen zullen deze winst waarschijnlijk vergroten.
• Ontwerp en ontwerptools: Dit is een minder voor de hand liggende uitdaging, maar wel een belangrijke: het ontwerpen van fotonische circuits vereist een nieuwe set vaardigheden, en de EDA (Electronic Design Automation) tools voor fotonica zijn niet zo volwassen als die voor elektronica. Het simuleren van optische circuits, vooral grote met veel componenten, kan complex zijn. Variaties in fabricage moeten in het ontwerp worden meegenomen (je hebt mogelijk thermische tuners nodig om kleine fouten te corrigeren). Er is behoefte aan betere ontwerptools die elektronische en fotonische circuitdelen samen kunnen optimaliseren, vaak EPDA (Electronic Photonic Design Automation) genoemd. Het ecosysteem is aan het inhalen – bedrijven als Synopsys, Cadence en Lumerical (Ansys) hebben tools voor fotonisch ontwerp – maar het blijft een zich ontwikkelend vakgebied. Een gerelateerd probleem is het gebrek aan standaarden in sommige gebieden: hoewel veel foundries PDK’s aanbieden, hebben ze vaak verschillende componentbibliotheken en parameters. Dit kan ontwerpen minder overdraagbaar maken dan elektronische ontwerpen. De industrie beweegt richting gemeenschappelijke standaarden (bijvoorbeeld het layout-uitwisselingsformaat voor fotonische circuits, of gestandaardiseerde componentmodellen), maar er is meer werk nodig om de ontwerpprocedure te stroomlijnen. Het opbouwen van een robuuste talentenpijplijn is ook cruciaal: er zijn ingenieurs nodig die zowel RF/microwave analoge ontwerpstijl als optische fysica begrijpen, en die zijn schaars (al leveren veel universiteiten nu afgestudeerden af in deze kruisdiscipline).
• Prestatiebeperkingen: Hoewel siliciumfotonica bepaalde maatstaven drastisch verbetert, heeft het ook zijn eigen fysieke beperkingen. Optisch verlies in golfgeleiders, hoewel laag (~dB/cm), stapelt zich op in grote circuits, en scherpe bochten of kleine structuren kunnen het verlies verhogen. Er is ook vezel-naar-chip koppelingsverlies dat geminimaliseerd moet worden. Thermische gevoeligheid van silicium (de brekingsindex verandert met temperatuur) betekent dat veel siliciumfotonische circuits stabilisatie of kalibratie nodig hebben. Bandbreedtebeperkingen kunnen optreden in modulatoren of detectoren – bijvoorbeeld, silicium ringmodulatoren hebben een beperkte bandbreedte en kunnen gevoelig zijn voor temperatuur, terwijl Mach-Zehnder modulatoren zorgvuldig moeten worden ontworpen om zeer hoge snelheden zonder vervorming te bereiken. Chromatische dispersie in golfgeleiders kan zeer brede golflengte-toepassingen beperken (hoewel dit meestal geen probleem is over de korte afstanden op de chip). Nog een subtiel punt: elektronische-fotonische integratie betekent dat je vaak de elektronica moet co-ontwerpen (zoals driverversterkers, TIA’s voor detectoren) met de fotonica. De interface daartussen kan de algehele prestatie beperken (bijvoorbeeld, als een modulator een bepaald spanningsbereik nodig heeft, heb je een driver nodig die dat snel kan leveren). Dus de systeemengineering is complex. Bovendien zijn niet alle toepassingen geschikt voor fotonica – voor zeer korte, langzame verbindingen kan elektrisch nog steeds goedkoper en eenvoudiger zijn. Dus weten waar je siliciumfotonica het beste kunt inzetten is op zichzelf al een overweging.

Samengevat, hoewel geen van deze uitdagingen onoverkomelijk is, betekenen ze samen dat siliciumfotonica nog steeds een ontwikkeling moet doormaken. Veel van de slimste geesten in de fotonica en elektronica zijn actief bezig met het aanpakken van deze problemen: het integreren van betere lasers, het verbeteren van de verpakking, het opschalen van de productie en het uitbreiden van de ontwerpmogelijkheden. De vooruitgang, zelfs in de afgelopen paar jaar, is bemoedigend. Zoals prof. Bowers opmerkte, worden uitdagingen zoals het integreren van III-V-lasers in CMOS, het verbeteren van de opbrengsten en vezelaansluiting, en het verlagen van de kosten allemaal aangepakt met “zeer snelle vooruitgang.” nature.com Elk jaar brengt verbeteringen, en de kloof tussen laboratoriumprototype en massaproductie wordt iets kleiner. Het is goed om te onthouden dat elektronische IC’s decennia van intensieve inspanning nodig hadden om de huidige schaal te bereiken – siliciumfotonica bevindt zich, in vergelijking, in een veel vroegere fase van zijn ontwikkeling, maar het haalt snel in.

Leidende bedrijven en instellingen op dit gebied

Siliciumfotonica is een mondiale onderneming geworden, met veel bedrijven (van startups tot techreuzen) en onderzoeksinstellingen die het vakgebied vooruitstuwen. Volgens marktonderzoek behoren de belangrijkste spelers op de siliciumfotonica-markt (vanaf 2025) tot de zwaargewichten uit de industrie zoals Cisco, Intel en IBM, naast specialisten zoals NeoPhotonics (Lumentum), Hamamatsu Photonics en STMicroelectronics expertmarketresearch.com. Hier volgt een overzicht van enkele belangrijke bijdragers:

• Intel Corporation (VS): Een pionier in siliciumfotonica, Intel investeerde vroeg en veel in de technologie. Het introduceerde een van de eerste 100G siliciumfotonica-transceivers in 2016 en heeft sindsdien miljoenen apparaten verscheept optics.org. Intel gebruikt siliciumfotonica in hogesnelheids optische transceivers en stuwt het richting toekomstige server-CPU’s en edge-toepassingen. De visie van het bedrijf is om “enable future data center bandwidth growth” met fotonica, schaalbaar van 100G naar 400G en verder, en om optica te integreren met processoren voor toepassingen zoals 5G en autonome voertuigen expertmarketresearch.com, tanaka-preciousmetals.com. Intel’s Silicon Photonics-divisie is recent een samenwerking aangegaan met Jabil voor productie, wat wijst op een volwassenwording richting grootschalige productie optics.org. Intel doet ook onderzoek naar co-packaged optica voor switches en heeft belangen in tal van fotonica-startups (zoals Ayar Labs).
• Cisco Systems (VS): Cisco, een netwerkreus, betrad de siliciumfotonica-markt via overnames (bijv. de overname van Luxtera in 2019) en is nu een toonaangevende leverancier van silicon photonic optical transceivers voor datacenters en telecom. Cisco gebruikt zijn fotonica-technologie in producten variërend van 100G/400G pluggable modules tot toekomstige co-packaged optische switches. Cisco’s oplossingen profiteren van intern ontworpen fotonische IC’s die hoge dichtheid en energie-efficiëntie bereiken. Door gebruik te maken van siliciumfotonica biedt Cisco klanten hogesnelheidsverbindingen met kleinere form factors. In 2025 is Cisco een van de marktleiders die siliciumfotonica op grote schaal levert expertmarketresearch.com.
• IBM Corporation (VS): IBM heeft een lange geschiedenis in onderzoek naar optische verbindingen. Het Silicon Photonics-team, met meer dan tien jaar R&D, heeft hogesnelheids optische linktechnologie ontwikkeld gericht op board-level en processor-level verbindingen expertmarketresearch.com. IBM’s onderzoek heeft geleid tot vooruitgang in silicium microringmodulatoren, golflengtemultiplexing en packaging. Hoewel IBM geen transceivers verkoopt zoals Intel of Cisco, werkt het vaak samen aan prototypes (bijvoorbeeld, IBM en Mellanox toonden in 2015 een optische verbinding voor servers). IBM legt de nadruk op het gebruik van fotonica om knelpunten in computing op te lossen (bijv. de POWER10-processor gebruikt fotonische verbindingen voor off-chip signalering via partnerschappen). IBM levert ook bijdragen aan standaarden en open onderzoek; het werk verschijnt vaak op conferenties zoals OFC en CLEO.
• NeoPhotonics/Lumentum (VS): NeoPhotonics (nu onderdeel van Lumentum sinds 2022) is gespecialiseerd in lasers en fotonische componenten voor telecom en datacenters. Ze hebben ultra-pure licht afstembare lasers en hogesnelheidsmodulatoren ontwikkeld. Opmerkelijk is dat NeoPhotonics siliciumfotonische coherente optische subassemblages (COSAs) heeft geïntroduceerd voor 400G per golflengte communicatie, en onderzoek deed naar 800G en verder expertmarketresearch.com. Als onderdeel van Lumentum (een grote speler in de optische industrie) draagt deze expertise bij aan de volgende generatie coherente transceivers en pluggables voor telecom. Door het eigendom van Lumentum kunnen deze siliciumfotonica-producten worden geïntegreerd met Lumentum’s bestaande fotonica-portfolio (bijv. hun indiumfosfide-modulatoren en versterkers).
• Hamamatsu Photonics (Japan): Een leider in opto-elektronische componenten, Hamamatsu maakt een breed scala aan fotonische apparaten (fotodiodes, fotomultipliers, beeldsensoren, enz.). Hamamatsu heeft siliciumprocessen omarmd om zaken als siliciumfotodiode-arrays en op silicium gebaseerde optische sensoren te produceren expertmarketresearch.com. Hoewel ze zich minder richten op hogesnelheidstransceivers, is het werk van Hamamatsu op het gebied van siliciumfotonica cruciaal voor sensing en wetenschappelijke instrumentatie. Ze leveren silicium PIN-fotodiodes, APD’s en optische sensorchips die fundamenteel zijn voor optische communicatiereceivers en LiDAR-detectoren. Hun expertise in laag-ruis, hoge gevoeligheid fotonica vormt een aanvulling op de digitale communicatietak van siliciumfotonica.
• STMicroelectronics (Zwitserland/Europa): STMicro is een grote halfgeleiderfabrikant die zijn eigen siliciumfotonica-capaciteit heeft ontwikkeld. De focus van STMicro ligt op geïntegreerde beeld- en sensoroplossingen – zo hebben ze siliciumfotonische chips geproduceerd voor glasvezelgyroscopen en gewerkt aan optische interconnect R&D in Europese consortia. De geavanceerde fabrieken en MEMS-capaciteiten van STMicro maken het bedrijf geschikt voor siliciumfotonica die integratie met andere sensoren of elektronica vereist expertmarketresearch.com. Landen als Frankrijk en Italië (waar ST grote vestigingen heeft) ondersteunen fotonica via initiatieven, en ST is daar vaak partner in. Er wordt ook gesuggereerd dat ze enkele siliciumfotonische componenten leveren voor industriële en automotive systemen.
• GlobalFoundries (VS) en TSMC (Taiwan): Deze contractchipfabrikanten hebben elk siliciumfotonica-aanbiedingen opgezet. GlobalFoundries heeft een bekende 45 nm siliciumfotonica-proces (GF 45CLO) en heeft samengewerkt met startups zoals Ayar Labs om optische I/O-chips te fabriceren. TSMC is meer geheimzinnig, maar werkt naar verluidt samen met grote technologiebedrijven aan de bouw van fotonisch geïntegreerde chips (bijvoorbeeld, sommige Apple-geruchten suggereren TSMC-betrokkenheid bij fotonische sensoren). Beide zijn cruciaal voor het opschalen van de productie – doordat grote foundries meedoen, kan elk fabless bedrijf eenvoudiger prototypes en massaproductie van fotonische chips krijgen. De betrokkenheid van foundries als deze is zelfs een sterke aanwijzing dat siliciumfotonica mainstream aan het worden is.
• Infinera (VS) en Coherent/II-VI (VS): Infinera is een fabrikant van telecommunicatieapparatuur die al vroeg pleitte voor fotonische geïntegreerde schakelingen (hoewel op indiumfosfide). Ze zijn sindsdien ook overgestapt op het gebruik van siliciumfotonica in sommige producten of voor co-packaging met hun InP PIC’s. Coherent (dat Finisar heeft overgenomen en later de naam Coherent aannam) is diep betrokken bij optische componenten; ze hebben hun eigen InP-fabrieken maar ontwikkelen ook siliciumfotonische transceivers voor datacenters optics.org. Deze bedrijven brengen een telecomgerichte focus op betrouwbaarheid en prestaties, waardoor siliciumfotonica aan carrier-klasse eisen voldoet (bijv. 400ZR-modules voor coherente verbindingen over afstand).
• Ayar Labs, Lightmatter en Startups: Een golf van innovatieve startups stuwt siliciumfotonica naar nieuwe gebieden. We bespraken Ayar Labs (optische I/O voor AI/HPC) en Lightmatter (optisch rekenen). Andere voorbeelden zijn Lightelligence (nog een optische AI-chip-startup), Luminous Computing (integratie van fotonica en elektronica voor AI), Celestial AI (optische netwerken voor compute-clusters), OpenLight (een joint venture die een open fotonisch platform met geïntegreerde lasers aanbiedt), en Rockley Photonics (gericht op gezondheidssensoren, nu grotendeels overgenomen door Celestial). Deze startups vallen op door hun ambitieuze benaderingen – bijvoorbeeld Lightmatter’s 3D-geïntegreerde fotonische tensorcore of Luminous’ poging om een volledige fotonische computer te bouwen. Ze werken vaak samen met grote bedrijven (zo werkte HPE samen met Ayar Labs om optische interconnects te gebruiken in een supercomputer-interconnectstof nextplatform.com). De startupscene is levendig en hun aanwezigheid heeft gevestigde bedrijven aangezet om sneller te bewegen. Een industrie-observator merkte op dat samen met Ayar, bedrijven als Lightmatter en Celestial AI “allemaal een kans hebben om doorbraken te maken nu siliciumfotonica de brug slaat tussen rekenengines en interconnects.” nextplatform.com
• Academische en Onderzoeksinstellingen: Aan de institutionele kant zijn topuniversiteiten en nationale laboratoria cruciaal voor de vooruitgang van siliciumfotonica. De University of California, Santa Barbara (UCSB) onder leiding van Prof. John Bowers is een krachtpatser en pionier op het gebied van hybride siliciumlasers en quantumdotlasers op silicium. MIT, Stanford, Columbia (met de groep van Prof. Michal Lipson) en Caltech zijn andere Amerikaanse broedplaatsen voor onderzoek naar siliciumfotonica, waar gewerkt wordt aan alles van nieuwe modulatorfysica tot fotonische computerarchitecturen. In Europa runt IMEC in België een toonaangevend siliciumfotonica-programma en multi-project wafer service (iSiPP), en de University of Southampton, TU Eindhoven, EPFL en anderen hebben sterke onderzoeksgroepen. Het AIM Photonics instituut in de VS (hierboven genoemd) brengt veel van deze universiteiten en bedrijven samen om samen te werken en biedt een nationale foundry-capaciteit. Overheidslaboratoria zoals MIT Lincoln Lab en IMEC hebben zelfs geavanceerde geïntegreerde fotonica voor defensie gedemonstreerd (bijv. optische faserarrays voor LiDAR). Bovendien maken internationale samenwerkingen en conferenties (zoals de Optical Fiber Conference, ISSCC, IEEE Photonics Society bijeenkomsten) het mogelijk dat deze instellingen doorbraken delen. Het veld profiteert van een gezonde academia-industrie pijplijn: veel oprichters van startups en leiders in de industrie zijn opgeleid in deze onderzoekslaboratoria, en lopend academisch onderzoek blijft grenzen verleggen (bijvoorbeeld nieuwe materiaalintegratie of quantumfotonica zoals genoemd).

Al deze spelers – grote technologiebedrijven, gespecialiseerde componentenmakers, ambitieuze startups en toonaangevende onderzoekslaboratoria – vormen een rijk ecosysteem dat gezamenlijk siliciumfotonica vooruitstuwt. De concurrentie en samenwerking tussen hen versnellen de innovatie. Opvallend is dat zelfs geopolitiek een rol speelt: er is besef van een race tussen de VS, Europa en China over wie zal leiden in fotonische technologieën csis.org, gezien het strategische belang voor communicatie en computing. Dit heeft geleid tot verhoogde publieke investeringen (bijv. de PhotonHub van de EU en de nationale fotonica-initiatieven van China). Voor de algemene techliefhebber is de conclusie dat wereldwijd veel slimme mensen en serieuze middelen worden ingezet om onze toekomstige chips met licht te laten communiceren.

Inzichten en Citaten van Experts

Gedurende de opkomst van siliciumfotonica hebben experts in het veld perspectieven geboden die helpen de impact ervan te duiden. Hier zijn enkele opmerkelijke inzichten:

• Over de paradigmaverschuiving van Silicon Photonics: “Ik heb silicon photonics vaak beschreven als meer dan een incrementele verbetering — het is een paradigmaverschuiving,” zegt René Jonker, een bestuurder bij Soitec, waarbij hij benadrukt dat, in tegenstelling tot koperen verbindingen die hun limieten bereiken, optische verbindingen een duurzame manier bieden om de toenemende datavraag aan te kunnen. Hoewel er nog uitdagingen zijn om de kosten te verlagen en de productie op te schalen, maken de voordelen – “hogere bandbreedte, lagere latentie en lager energieverbruik” – silicon photonics tot “een onmisbaar onderdeel van onze toekomstige infrastructuur.” laserfocusworld.com
• Over stroomverbruik en optica in datacenters: Een commentaar in Laser Focus World uit 2025 benadrukte de urgentie in datacenters: tegen het einde van het decennium zouden datacenters 8% van de Amerikaanse elektriciteit kunnen verbruiken als de trend zich voortzet, wat “onhoudbaar is met bestaande elektrische verbindingen.” De auteur concludeerde dat “optische verbindingen, mogelijk gemaakt door silicon photonics, de enige schaalbare weg vooruit zijn.” laserfocusworld.com Met andere woorden, om een energie- en bandbreedtecrisis te voorkomen, is overstappen op optische verbindingen niet slechts een optie – het is noodzakelijk.
• Over integratie-uitdagingen: Professor John Bowers (UCSB), een autoriteit in fotonica, gaf commentaar op de grootste uitdaging: “De grootste uitdaging is de integratie van III–V-materialen in siliconen-CMOS… Er zijn nog steeds problemen met hoge opbrengsten, hoge betrouwbaarheid, kostenverlaging en vezelaansluiting. De verpakking van elektronica en fotonica samen is een uitdaging… Maar de vooruitgang gaat zeer snel.” nature.com Dit onderstreept dat, hoewel het integreren van lasers (III–V-materialen) en het behalen van perfecte opbrengsten moeilijk is, er gestaag vooruitgang wordt geboekt door marktleiders zoals Intel, en oplossingen in zicht zijn.
• Over lichtemissie in silicium: In hetzelfde interview gaf Bowers een kleurrijke uitleg waarom lasers iets anders dan silicium nodig hebben: “Silicium is ongelooflijk slecht als lichtemitter. De interne kwantumefficiëntie is ongeveer één op een miljoen, terwijl de efficiëntie van een direct bandgap III–V in wezen 100% is. Ik wist vanaf het begin dat we een direct bandgap halfgeleider nodig hebben…” nature.com. Deze eerlijke beoordeling verklaart waarom zijn team al vroeg hybride lasers (InP op Si binden) nastreefde – een aanpak die zijn vruchten afwierp met Intel’s hybride siliciumlaser in 2007 en daarna.
• Bij het bereiken van de server met optica: Robert Blum, Senior Director of Photonics bij Intel, illustreerde hoe optica steeds verder binnendringt in datacenters: “Wanneer je tegenwoordig een datacenter binnenloopt, zie je 100 Gb/s koperen kabels… prima voor vier meter. Maar alles buiten het rack gebruikt al optica. Naarmate we opschalen naar 200 of 400 Gb/s, wordt het bereik van koper veel korter en zien we deze trend waarbij optica helemaal tot aan de server gaat.” tanaka-preciousmetals.com Dit citaat vangt levendig de lopende transitie – optica vervangt geleidelijk koper van de kern van het netwerk naar de randen toe.
• Over marktgroei en AI: “De opkomst van AI heeft een ongekende vraag naar high-performance transceivers veroorzaakt… Siliciumfotonica en PIC’s staan aan de frontlinie van deze revolutie,” merkt Sam Dale op, een tech-analist bij IDTechX, waarbij hij het vermogen van siliciumfotonica benadrukt om “snelheden van 1,6 Tbps en meer” te leveren. optics.org Zijn rapport voorspelt dat de markt voor fotonisch geïntegreerde schakelingen tegen 2035 bijna tien keer zo groot kan worden (tot $54 miljard), grotendeels gedreven door AI-datacenterbehoeften optics.org.
• Over de toekomst van computing: Analisten van The Next Platform voorzien dat optische I/O op korte termijn zijn intrede zal doen in HPC-systemen. Ze merken op dat we tegen 2026–2027 waarschijnlijk mainstream CPU’s/GPU’s met optische interfaces zullen zien, omdat “we op korte termijn geen andere keuze hebben.” In hun kleurrijke bewoordingen: “De tijd van koper is voorbij.” nextplatform.com Dit vat een veelvoorkomend sentiment in de industrie samen: elektrische verbindingen zijn niet toereikend voor het volgende computertijdperk, en fotonica moet het overnemen om een plafond te voorkomen.

Deze inzichten van experts onderstrepen zowel de belofte als de obstakels van siliciumfotonica. Er is een consistent thema: siliciumfotonica is transformerend – het maakt een noodzakelijke sprong in prestaties mogelijk – maar het brengt serieuze technologische uitdagingen met zich mee die snel worden aangepakt. De experts benadrukken een mix van optimisme (de paradigmaverschuiving, onmisbare toekomst) en realisme (integratieproblemen, kosten- en schaalbaarheidszorgen). Hun perspectieven helpen een algemeen publiek te begrijpen waarom zoveel bedrijven en onderzoekers enthousiast zijn over siliciumfotonica, en ook waarom het een paar decennia heeft geduurd om deze technologie van de grond te krijgen. Het horen van de stemmen van mensen aan de frontlinie – of het nu een ervaren onderzoeker of een productmanager is – geeft context dat dit een vakgebied is waar natuurkunde, engineering en marktkrachten samenkomen op fascinerende wijze.

Recente nieuwsberichten en mijlpalen

Het landschap van siliciumfotonica is zeer dynamisch. Hier zijn enkele recente nieuwsberichten en mijlpalen (van het afgelopen jaar of zo) die de snelle vooruitgang in het veld illustreren:

• Celestial AI neemt Rockley Photonics IP over (okt 2024): Celestial AI, een startup die Photonic Fabric™ optische interconnects voor AI ontwikkelt, kondigde aan dat het de silicon photonics octrooiportefeuille van Rockley Photonics heeft overgenomen voor $20 miljoen datacenterdynamics.com. Rockley had geavanceerde silicium fotonische sensoren ontwikkeld en was overgestapt op gezondheids-wearables voordat het failliet ging. Deze deal gaf Celestial AI meer dan 200 patenten, waaronder technologie voor elektro-optische modulatoren en optische switching die nuttig zijn in datacenter-toepassingen datacenterdynamics.com. Het is een belangrijke consolidatie, wat aangeeft hoe waardevol fotonica-IP is geworden in de AI/datacentersector. De innovaties van Rockley (zoals breedbandlasers voor sensing) kunnen nieuw leven krijgen geïntegreerd in de optische interconnectoplossingen van Celestial.
• Grote investeringen voor startups – Ayar Labs & Lightmatter (eind 2024): Twee Amerikaanse startups haalden grote investeringsrondes binnen. Ayar Labs sloot een Series D van $155 miljoen in dec 2024, met deelname van leiders uit de halfgeleiderindustrie (Nvidia, Intel, AMD deden allemaal mee naast durfkapitalisten) nextplatform.com. Deze ronde bracht de waardering van Ayar boven $1 miljard, wat vertrouwen uitstraalt in hun in-package optische I/O-technologie die elektrische I/O in toekomstige processors wil vervangen. Slechts enkele weken eerder haalde Lightmatter $400 miljoen op in een Series D (okt 2024), waarmee het totale opgehaalde bedrag verdubbelde en het bedrijf gewaardeerd werd op $4,4 miljard nextplatform.com. Lightmatter ontwikkelt fotonische rekenchips en optische interposer-technologie voor AI-versnelling. Zulke grote investeringen zijn opmerkelijk – ze tonen aan dat investeerders (en strategische partners) geloven dat deze startups kritische problemen in AI en computing kunnen oplossen met optische technologie. Het betekent ook dat we kunnen verwachten dat deze bedrijven van prototypes naar producten gaan; Lightmatter heeft inderdaad testsystemen uitgerold en de optische chiplets van Ayar staan gepland voor proefgebruik in HPC-systemen.
• Intel besteedt transceivers uit aan Jabil (eind 2023): In een interessante wending besloot Intel eind 2023 om zijn grootschalige silicon photonic transceiver-business over te dragen aan Jabil, een productiepartner optics.org. Intel had sinds 2016 meer dan 8 miljoen photonic transceiver-chips verscheept optics.org – deze worden gebruikt voor 100G/200G-connectiviteit in datacenters. Door de productie over te dragen aan Jabil (een contractfabrikant), gaf Intel een strategische koerswijziging aan: het zal zich richten op het integreren van fotonica met zijn kernplatforms (zoals co-packaged optics en on-processor photonics), terwijl een partner de gecommoditiseerde transceivermarkt afhandelt. Deze stap weerspiegelt ook een volwassen wordende industrie – wat een paar jaar geleden nog geavanceerde technologie was (100G pluggables), is nu routinematig genoeg om uit te besteden. Jabil op zijn beurt bouwt optische productiecapaciteit op, wat mogelijk ook andere klanten kan bedienen. De samenwerking tussen Intel en Jabil werd door analisten als een belangrijke ontwikkeling in de sector benadrukt optics.org, en gezien als onderdeel van de evolutie van het ecosysteem.
• InnoLight onthult 1,6 Tb/s-module (eind 2023): In de race naar hogere snelheden kondigde InnoLight, een Chinees optisch transceiverbedrijf, aan dat het een 1,6 terabits-per-seconde optische transceiver-prototype had gerealiseerd optics.org. Dit omvat waarschijnlijk meerdere golflengten (bijv. 16×100G of 8×200G kanalen) op een silicon photonic-platform. Het behalen van 1,6 Tb/s in één enkele module, een jaar vóór sommige concurrenten, toont China’s groeiende bekwaamheid in silicon photonics. InnoLight’s module zou kunnen worden gebruikt voor top-of-rack switch uplinks of voor het verbinden van AI-systemen. Het is ook een aanwijzing dat 3,2 Tb/s modules (die bijvoorbeeld 8 golflengten van elk 400G zouden gebruiken) niet ver weg meer zijn – inderdaad, IDTechX voorspelde 3,2 Tb/s modules tegen 2026 optics.org. Dit was een opvallend record dat de intense wereldwijde concurrentie onderstreept; Coherent (VS) en anderen werken eveneens aan 1.6T- en 3.2T-ontwerpen optics.org.
• Vooruitgang van PsiQuantum’s fotonische quantumchip (2024): Aan het quantumfront publiceerde PsiQuantum (dat geheimzinnig is, maar bekend staat om samen te werken met GlobalFoundries) een studie waarin een pad wordt geschetst naar een verlies-tolerante fotonische quantumcomputer, en kondigde een chip aan genaamd “Omega” voor hun fotonische quantumarchitectuur thequantuminsider.com. Hoewel het nog geen commercieel product is, laat dit zien dat hardware voor fotonische quantumcomputers vooruitgang boekt – met siliciumfotonica als kern. De aanpak van PsiQuantum vereist de integratie van duizenden enkel-fotonbronnen en detectoren. Het nieuws hier is de validatie van maakbaarheid: een Nature-publicatie in 2022 toonde belangrijke componenten (bronnen, filters, detectoren) op één enkele siliciumfotonische chip die opgeschaald kan worden nature.com. Dit suggereert dat ze op schema liggen voor een mijlpaal rond het midden van de jaren 2020 tot begin 2030 voor een prototype optische quantumcomputer met een miljoen qubits (hun langetermijndoel). Dergelijke ontwikkelingen, hoewel niche, worden nauwlettend gevolgd omdat ze high-end computing kunnen herdefiniëren.
• Startups in lithiumniobaat-fotonica gefinancierd (2023): Zoals vermeld, haalden twee startups die zich richten op het integreren van LiNbO₃ met siliciumfotonica, HyperLight (VS) en Lightium (Zwitserland), samen $44 miljoen op in 2023 optics.org. Het financieringsnieuws was opmerkelijk omdat het een trend benadrukt: het toevoegen van nieuwe materialen aan siliciumfotonica om prestatiebarrières te doorbreken. Deze bedrijven promoten modulatoren die kunnen werken met hogere lineariteit en over een breed scala aan golflengten (van zichtbaar tot mid-IR) met zeer weinig verlies optics.org. De directe toepassing zou ultrasnelle modulatoren voor communicatie kunnen zijn of speciale apparaten voor quantum- en RF-fotonica. Het bredere punt is dat ook de investeringsgemeenschap materiaalinnovatie in fotonica steunt, niet alleen de meer voor de hand liggende transceiver-startups. Het is een teken dat zelfs materiaalkundige doorbraken (zoals TFLN op isolator) snel kunnen overgaan naar startups en producten in dit veld.
• Standaarden en Consortium-updates (2024–25): Er zijn ontwikkelingen op het gebied van standaardisatie. Het Continuous-Wave WDM MSA (een consortium dat standaard lichtbronmodules voor co-packaged optics definieert) heeft de eerste specificaties geleverd voor gemeenschappelijke laserbronnen die meerdere fotonische chips kunnen voeden. Dit is belangrijk om multi-vendor compatibiliteit voor co-packaged optics te waarborgen. Ook heeft het UCIe-consortium (voor chiplet-interconnect) een optische werkgroep gevormd om te onderzoeken hoe optische chiplet-links gestandaardiseerd kunnen worden. Ondertussen organiseren organisaties zoals COBO (Consortium for On-Board Optics) en CPO Alliance summits (bijv. op OFC 2024) waarin best practices voor co-packaged optics worden besproken ansys.com. Dit alles om aan te geven dat de industrie het belang inziet van het harmoniseren van interfaces en het voorkomen van fragmentatie die de adoptie zou kunnen vertragen. Recent nieuws van IEEE gaf ook aan dat er vooruitgang is geboekt op 1.6T Ethernet-standaarden en gerelateerde optische interface-standaarden die uitgaan van het gebruik van silicon photonic-technologieën.
• Productreleases: Aan de productkant zien we daadwerkelijk hardware op de markt komen:
  • 800G Pluggable Modules: Meerdere leveranciers (Intel, Marvell/Inphi, enz.) zijn in 2024 begonnen met het leveren van 800G QSFP-DD- en OSFP-modules die gebruikmaken van silicon photonics. Deze zullen waarschijnlijk in 2025 worden ingezet in switches en netwerken.
  • CPO Demo Kits: Bedrijven zoals Ranovus en IBM hebben co-packaged optics ontwikkelingskits gedemonstreerd – een voorloper van commerciële CPO-producten. Zo werd IBM’s onderzoeksprototype van een co-packaged switch werkend getoond, en Ranovus heeft een CPO-module met 8×100G golflengtes.
  • Silicon Photonic Lidar-producten: Innovusion (China) en Voyant Photonics (VS) maakten vorderingen bekend in hun silicon photonic LiDAR. Innovusion’s nieuwste LiDAR voor voertuigen gebruikt enkele silicon photonic-componenten om FMCW te bereiken tegen concurrerende kosten. Voyant, een startup voortgekomen uit onderzoek aan Columbia University, verkoopt daadwerkelijk een kleine solid-state LiDAR-module op basis van silicon photonics voor gebruik in drones en robots.
  • Optische I/O-chiplets: Halverwege 2025 verwacht Ayar Labs zijn TeraPHY optical I/O chiplet en SuperNova laserbron in vroege klantentests te hebben, waarmee een 8 Tbps optische verbinding voor HPC-systemen wordt geleverd. Als dit volgens plan verloopt, kan dit een van de eerste implementaties zijn van optische I/O in een computersysteem (waarschijnlijk in een overheidslab of pilot-supercomputer in 2025–26).

Het aanhoudende nieuws schetst een beeld van een vakgebied dat zich snel op meerdere fronten ontwikkelt: van doorbraken in snelheid (1.6T-optics) tot grote strategische stappen (Intel-outsourcing, grote financieringsrondes) en eerste implementaties (optische engines voor AI). Het is een spannende tijd, want deze ontwikkelingen geven aan dat silicon photonics de overgang maakt van een veelbelovende technologie naar een commerciële realiteit met groeiende impact op producten en industrieën.

Voor een algemeen publiek is de belangrijkste boodschap van al dit nieuws dat siliciumfotonica geen verre belofte is – het gebeurt nu. Bedrijven investeren er veel geld en middelen in, er worden echte producten geleverd, en elk kwartaal worden er nieuwe mijlpalen bereikt die eerdere records breken. Het is een snel bewegend vakgebied, en zelfs technisch onderlegde lezers zullen misschien verrast zijn hoe snel dingen als “optische chiplets” of “1,6 terabit modules” zijn gearriveerd. Het nieuws benadrukt ook dat dit een wereldwijde race is – met veel activiteit in de VS, Europa en Azië – en dat het alles omvat van deeptech-startups tot de grootste chipbedrijven en netwerkproviders.

Toekomstperspectief en voorspellingen

Vooruitkijkend lijkt de toekomst van siliciumfotonica uiterst veelbelovend, met het potentieel om computing en communicatie opnieuw te definiëren in het komende decennium. Hier zijn enkele voorspellingen en verwachtingen voor wat de toekomst zal brengen:

• Wijdverspreide adoptie in computing: Tegen het einde van de jaren 2020 kunnen we verwachten dat siliciumfotonica een standaardkenmerk zal zijn in high-end computersystemen. Zoals vermeld, zullen rond 2026–2027 de eerste CPU’s, GPU’s of AI-accelerators met geïntegreerde optische I/O verschijnen nextplatform.com. Aanvankelijk zullen deze misschien in gespecialiseerde markten worden ingezet (supercomputers, high-frequency trading systemen, geavanceerde AI-clusters), maar ze zullen de weg vrijmaken voor bredere adoptie. Zodra de technologie zich heeft bewezen en de volumes toenemen, kan optische I/O in de jaren 2030 doorsijpelen naar meer mainstream servers en apparaten. Stel je rackservers voor waarbij elke CPU optische vezelpoorten direct op het pakket heeft, verbonden met een optische top-of-rack switch; dit zou de norm kunnen worden. De geheugenbottleneck kan ook worden aangepakt met optische verbindingen – bijvoorbeeld door geheugenmodules optisch met processors te verbinden om meer bandbreedte op afstand mogelijk te maken (sommige onderzoekers spreken over “optische geheugen-disaggregatie” voor grote gedeelde geheugenpools). Samengevat zal het datacenter van de toekomst (en daarmee de cloudservices van de toekomst) waarschijnlijk gebouwd zijn op een netwerk van optische interconnecties op elk niveau, mogelijk gemaakt door siliciumfotonica.
• Terabit-netwerken voor iedereen: De capaciteit van netwerkverbindingen zal blijven toenemen. We hebben het over 1,6 Tb/s, 3,2 Tb/s, zelfs 6,4 Tb/s optische transceivers in één enkele module tegen het begin van de jaren 2030. Deze snelheden zijn duizelingwekkend – een 3,2 Tb/s-verbinding zou een 4K-film in een fractie van een milliseconde kunnen overzetten. Hoewel deze snelheden gebruikt zullen worden in de backbone van datacenters en telecomnetwerken, profiteren consumenten er indirect van (sneller internet, robuustere clouddiensten). Tegen 2035 voorspellen analisten dat de markt voor fotonische geïntegreerde schakelingen meer dan $50 miljard zal bereiken, grotendeels dankzij deze transceivers voor AI en datacenters optics.org. We zouden kunnen zien dat 800G en 1.6T het nieuwe 100G worden, wat betekent dat zij de werkpaarden van de netwerken zullen zijn. En naarmate het volume stijgt, zal de kostprijs per bit dalen, waardoor snelle connectiviteit goedkoper en alomtegenwoordig wordt. Het is aannemelijk dat zelfs consumententoestellen (zoals bijvoorbeeld een VR-headset die een zeer snelle verbinding met een pc of console nodig heeft) een optische USB- of optische Thunderbolt-kabel zullen gebruiken om tientallen of honderden gigabits te transporteren zonder latentie of verlies.
• Telecommunicatie revolutioneren: In de telecom zal siliciumfotonica helpen om volledig optische netwerken met veel hogere efficiëntie te realiseren. Coherente optische communicatie met geïntegreerde fotonica zal waarschijnlijk opschalen tot meer dan 1 Tb/s per golflengte (met geavanceerde constellaties en mogelijk geïntegreerde transceiver-DSP’s). Dit zou multi-terabit optische kanalen economisch kunnen maken, waardoor het aantal benodigde lasers/vezels afneemt. Siliciumfotonica zal ook reconfigureerbare optische add-drop-multiplexers (ROADMs) en andere netwerkapparatuur compacter en energiezuiniger maken, wat op zijn beurt de uitrol van netwerken met hogere capaciteit (5G/6G) en betere fiber-to-the-home-infrastructuur vergemakkelijkt. Een specifiek aandachtspunt is geïntegreerde lasers voor kabel-tv / glasvezeltoegang: goedkope afstembare lasers op silicium zouden bijvoorbeeld elk huis een symmetrische 100G-glasvezelverbinding kunnen geven. Door optische functies te integreren, kunnen telecomoperators centrale kantoren en head-ends vereenvoudigen. Het netto-effect zal dus nog snellere en betrouwbaardere internetdiensten zijn tegen mogelijk lagere kosten, aangedreven achter de schermen door siliciumfotonische chips.
• AI-computing en optische engines: In het AI-domein, als bedrijven als Lightmatter en Lightelligence slagen, zouden we de eerste optische coprocessors in datacenters kunnen zien. Deze zouden matrixvermenigvuldigingen of graafanalyses versnellen met licht, wat mogelijk enorme sprongen in prestaties per watt oplevert. Het is denkbaar dat binnen 5 jaar sommige datacenters racks met optische AI-accelerators naast GPU’s zullen hebben, die gespecialiseerde taken extreem snel uitvoeren (bijvoorbeeld ultrasnelle inferentie voor realtime diensten). Zelfs als volledig optische computers enigszins beperkt blijven, zou de hybride elektro-optische aanpak (elektronica voor logische besturing, fotonica voor zware dataverplaatsing en multiply-accumulate-bewerkingen) een belangrijke strategie kunnen worden om de AI-prestatieschaal vol te houden. Door warmte en stroomverbruik te verminderen, kan fotonica AI-training haalbaar houden naarmate modellen opschalen naar biljoenen parameters. Kortom, siliciumfotonica zou wel eens het geheime ingrediënt kunnen zijn dat de volgende 1000× toename in AI-modelgrootte/trainingdata mogelijk maakt zonder het stroomnet te overbelasten.
• Impact op consumententechnologie: Hoewel veel van de siliciumfotonica momenteel wordt gebruikt in big iron (datacenters, netwerken), zal het uiteindelijk doordruppelen naar consumententoestellen. Een voor de hand liggende kandidaat is AR/VR-headsets (waar je enorme hoeveelheden data naar kleine schermen en camera’s moet sturen – optische verbindingen kunnen hierbij helpen). Een andere toepassing is consumentgerichte LiDAR of dieptesensoren – toekomstige smartphones of wearables zouden kleine siliciumfotonische sensoren kunnen hebben voor gezondheidsmonitoring (zoals Rockley Photonics nastreefde) of voor 3D-scanning van de omgeving. Intel’s Mobileye heeft al aangegeven dat hun siliciumfotonische LiDAR in auto’s zal zitten, dus tegen het einde van de jaren 2020 zou je nieuwe auto een geïntegreerde fotonische chip kunnen hebben die stilletjes de autonome rijsensoren aanstuurt tanaka-preciousmetals.com. Naarmate de kosten dalen, kunnen meer van zulke sensoren in alledaagse apparaten verschijnen (stel je smartwatches voor die een siliciumfotonische sensor gebruiken om niet-invasief glucose of bloedanalyses te monitoren via optische spectroscopie op je pols – bedrijven werken inderdaad aan dat concept). Zelfs in high-end audio/visueel kunnen optische chips camera’s verbeteren (LiDAR voor scherpstelling of 3D-mapping in fotografie) of holografische displays mogelijk maken door licht op microscopische schaal te moduleren (een beetje speculatief, maar niet onmogelijk nu ruimtelijke lichtmodulatoren op silicium steeds beter worden). Dus over een decennium zouden consumenten ongemerkt siliciumfotonica kunnen gebruiken in hun gadgets, net zoals we vandaag overal MEMS-sensoren gebruiken zonder erbij stil te staan.
• Fotonica in het kwantumdomein: Als we verder in de toekomst kijken, zouden kwantumfotonische technologieën volwassen kunnen worden. Als PsiQuantum of anderen slagen, zouden we een fotonische kwantumcomputer kunnen hebben die klassieke supercomputers voor bepaalde taken overtreft – met misschien miljoenen verstrengelde fotonen die op een chip worden verwerkt. Dat zou een monumentale prestatie zijn, mogelijk net zo transformerend als de eerste elektronische computers. Hoewel dat misschien pas na 2030 gebeurt, kan de vooruitgang in de tussentijd kwantumsimulatoren of verbonden kwantumcommunicatiesystemen opleveren met behulp van siliciumfotonica. Bijvoorbeeld, veilige kwantumcommunicatielinks (QKD-netwerken) zouden in stadsbrede netwerken kunnen worden ingezet met gestandaardiseerde siliciumfotonische QKD-zenders in datacenters. Er is ook potentieel voor kwantumsensoren op een chip (zoals optische gyroscopen met kwantumniveau gevoeligheid) die toepassingen kunnen vinden in navigatie of wetenschap.
• Voortgezet onderzoek en nieuwe horizonten: Het veld van siliciumfotonica zelf zal zich blijven ontwikkelen. Onderzoekers verkennen al 3D-integratie – het stapelen van fotonische chips met elektronische voor nog nauwere koppeling (sommigen onderzoeken micro-bumps of bondingtechnieken om bijvoorbeeld een fotonische interposer onder een CPU te plaatsen). Er wordt ook gesproken over optische netwerken op chip (ONoC), waarbij processoren licht gebruiken om tussen cores te communiceren in plaats van of naast elektrische netwerken-op-chip. Als ooit veelkernige CPU’s interne optische netwerken gebruiken, zou dat de bandbreedteknelpunten binnen chips kunnen wegnemen (dit ligt wat verder in de toekomst, maar is conceptueel bewezen in laboratoria). Nano-fotonica zou ook een rol kunnen spelen: plasmonische of nanoschaal optische componenten die op zeer hoge snelheden of extreem kleine oppervlakken werken, mogelijk geïntegreerd met siliciumfotonica voor bepaalde taken (zoals ultracompacte modulatoren). En wie weet, misschien slaagt iemand er op een dag in om de heilige graal van een siliciumlaser te bereiken via een slimme materiaalkunst – wat fotonische integratie echt zou vereenvoudigen.
• Markt- en industrievooruitzichten: Economisch gezien zullen we waarschijnlijk zien dat de markt voor siliciumfotonica een enorme groei doormaakt. Volgens IDTechX wordt er tegen 2035 ongeveer $54 miljard aan marktwaarde voorspeld optics.org. Opvallend is dat, hoewel datacommunicatie het grootste deel zal uitmaken, naar schatting ~$11 miljard daarvan afkomstig kan zijn van niet-data toepassingen (telecom, lidar, sensoren, quantum, enz.) optics.org. Dat betekent dat de voordelen van de technologie zich over veel sectoren zullen verspreiden. We zouden ook enkele grote industriële verschuivingen of samenwerkingen kunnen zien: bijvoorbeeld, zou een techgigant een van de fotonica-unicorn startups kunnen overnemen (stel je voor dat Nvidia een Ayar Labs of Lightmatter koopt om een voorsprong te krijgen in optisch rekenen)? Het is mogelijk nu de inzet hoger wordt. Bovendien zou de internationale concurrentie kunnen toenemen – we zouden aanzienlijke investeringen van overheden kunnen zien om leiderschap te waarborgen (vergelijkbaar met hoe de halfgeleiderindustrie als strategisch wordt beschouwd). Siliciumfotonica zou een belangrijk onderdeel kunnen worden van nationale technologie-strategieën, wat verdere financiering van R&D en infrastructuur kan stimuleren.

In bredere zin, als we even afstand nemen, is de toekomst met siliciumfotonica er een waarin de grenzen tussen rekenen en communicatie vervagen. Afstand wordt minder beperkend – data kan binnen een chip of tussen steden met hetzelfde gemak reizen via optische draden. Dit zou architecturen mogelijk maken zoals gedistribueerd rekenen, waarbij de fysieke locatie van middelen weinig uitmaakt omdat optische verbindingen de latentie laag en de bandbreedte hoog maken. We zouden echt gedisaggregeerde datacenters kunnen zien waar rekenkracht, opslag en geheugen optisch verbonden zijn als LEGO-blokken. Energie-efficiëntiewinsten door fotonica kunnen ook bijdragen aan een groenere ICT, wat belangrijk is nu de energiebehoefte van digitale infrastructuur groeit.

Om de woorden van een industrieveteraan te lenen: “de reis om siliciumfotonica op te schalen is even spannend als uitdagend.” laserfocusworld.com De komende jaren zullen ongetwijfeld obstakels kennen, maar er is een collectieve vastberadenheid binnen de academische wereld en de industrie om deze te overwinnen. Door samenwerking en innovatie – het samenbrengen van materiaalkunde, halfgeleidertechniek en fotonica – zijn experts ervan overtuigd dat we deze uitdagingen zullen aangaan en het volledige potentieel van siliciumfotonica zullen ontsluiten laserfocusworld.com. De toekomstverwachting is dat deze technologie zal verschuiven van de periferie (het verbinden van onze apparaten of het versterken van gespecialiseerde systemen) naar het echte hart van computing en connectiviteit. We zijn in feite getuige van de dageraad van een nieuw tijdperk – een waarin licht, en niet alleen elektronen, de levensader van informatie door de apparaten en netwerken voert die het moderne leven ondersteunen. En dat is werkelijk een revolutionaire verschuiving die zich in het komende decennium en daarna zal ontvouwen.

Bronnen: Definities en voordelen van siliciumfotonica ansys.comansys.com; toepassingen in sensing, LiDAR, quantum ansys.comansys.com; trends in datacenters en AI laserfocusworld.com, optics.org; citaten en inzichten van experts laserfocusworld.com, tanaka-preciousmetals.com, nature.com; marktleiders expertmarketresearch.com; recent nieuws en investeringen datacenterdynamics.com, nextplatform.com, nextplatform.com; toekomstverwachtingen optics.org