Silisiumfotonikkrevolusjonen – Lyshastteknologi som forvandlar KI, datasenter og meir

Silisiumfotonikk bruker silisiumbaserte fotoniske integrerte kretsar (PIC-ar) til å manipulere lys for databehandling og kommunikasjon, og mogleggjer samankoplingar på og mellom brikker med hastigheiter som 100 Gb/s og 400 Gb/s.
Ein silisiumfotonikkbrikke på storleik med ein fingernegl kan ha dusinvis av laserkanalar og, med tett bølgjelengdsmultipleksing, frakte terabit med data.
Datasenter-samankoplingar tener på optiske samband som brukar mindre straum og gir høgare tettleik, med prototypar som 51,2 Tb/s svitsjebrikker med integrert optisk I/O demonstrert.
I 2024 demonstrerte Ayar Labs ein optisk chiplet som leverer 8 Tbps bandbreidde ved å bruke 16 bølgjelengder, og ein serie D-runde seint i 2024 henta inn 155 millionar dollar med deltaking frå Nvidia, AMD og Intel, noko som løfta verdsetjinga over 1 milliard dollar.
Intel sette bort produksjonen av sine silisiumfotonikk-transceivarar til Jabil seint i 2023 etter å ha levert over 8 millionar fotonikk-transceivarbrikker sidan 2016.
InnoLight demonstrerte ein 1,6 Tbps optisk transceivarprototyp seint i 2023, med 3,2 Tbps-modular venta innan 2026 etter kvart som multi-terabit-samband nærmar seg.
Det amerikanske AIM Photonics-instituttet fekk eit sjuårig program på 321 millionar dollar fram til 2028 for å fremje integrert fotonikkproduksjon i USA, og mogleggjer ein silisiumfotonikkfabrikk og pakkelinje i New York.
I 2023 demonstrerte Broadcom 25,6 Tbps og 51,2 Tbps samankopla optiske svitsjeprototypar med integrerte laserfotonikkmotorar.
Lightmatter henta inn 400 millionar dollar i ein serie D-runde i 2024 for å finansiere sin optiske AI-akseleratorplattform, og PsiQuantum la offentleg fram ein veg mot ein taps-tolerant fotonisk kvantedatamaskin med Omega-brikka si i 2024.
Analytikarar spår at marknaden for silisiumfotonikk vil nå om lag 54 milliardar dollar innan 2035, med rundt 11 milliardar frå ikkje-data-applikasjonar, i stor grad driven av behovet i AI-datasenter.

Kva er silisiumfotonikk og korleis fungerer det?

Silisiumfotonikk er ein teknologi som brukar silisiumbaserte fotoniske integrerte kretsar (PIC-ar) til å manipulere lys (fotonar) for prosessering og kommunikasjon. Enkelt sagt betyr det å bygge optiske einingar (som laserar, modulatorar og detektorar) på silisiumbrikker, på same måte som ein lagar elektroniske kretsar. Desse silisiumfotonikkbrikkene kan sende og ta imot data ved hjelp av lys, og mogleggjer ultrasnøgg datatransport med høg bandbreidde og låg energitap ansys.com. Nøkkelkomponentar inkluderer bølgjeleiarar (små optiske «leidningar» som styrer lys på brikka), modulatorar (som koder data på lysstrålar), laserar (vanlegvis lagt til via andre material sidan silisium ikkje kan sende ut lys sjølv), og fotodetektorar (for å gjere innkomande lys om til elektriske signal) ansys.com. Ved å integrere desse på ein silisiumplattform, kan ingeniørar dra nytte av velutvikla halvleiarproduksjon (CMOS) for å masseprodusere fotoniske einingar, og kombinere lysets fart med skalaen til moderne brikkeproduksjon ansys.com.

Korleis fungerer det? I staden for elektriske pulsar i koparleidningar, brukar silisium-fotoniske kretsar infraraudt laserlys som går gjennom bølgjeleiarar i mikrometerskala. Silisium er gjennomsiktig for infraraude bølgjelengder, noko som gjer at lys kan forplante seg med minimal tap når det blir avgrensa av omgivande materiale som silisiumdioksid, som har ein lågare brytingsindeks ansys.com ansys.com. Data blir kodet på desse lysbølgene via modulatorar som raskt kan endre lysstyrken eller fasen til lyset. I den andre enden omformar fotodetektorar på brikka dei optiske signala tilbake til elektrisk form. Sidan lys oscillerer ved frekvensar langt høgare enn elektriske signal, kan optiske samband frakte massevis meir data per sekund enn elektriske leidningar. Ein einaste liten fiber eller bølgjeleiar kan overføre titals eller hundrevis av gigabit per sekund, og ved å bruke fleire bølgjelengder av lys (tett bølgjelengdemultipleksing), kan ein einaste fiber frakte terabit med data. I praksis gjer silisiumfotonikk det mogleg med kommunikasjon på brikka eller mellom brikker i hastigheiter som 100 Gb/s, 400 Gb/s, eller meir, noko som elles ville krevje mange koparbanar eller rett og slett vere umogleg over lengre avstandar ansys.com optics.org.

Silisiumfotoniske einingar er kompakte, raske og energieffektive. Lys kan reise gjennom bølgjeleiarar med svært låg motstand (ingen elektrisk kapasitans eller oppvarmingsproblem slik ein får med kopar ved høge hastigheiter), noko som betyr potensielt lågare straumforbruk for datatransport. Ei analyse peikar på at optiske samband kan drastisk løyse dataknekkpunkt og redusere varme i høgtytande system – “optiske samband, mogleggjort av silisiumfotonikk, er den einaste skalerbare vegen vidare” for å handtere eksploderande bandbreiddsbehov laserfocusworld.com. Kort sagt, silisiumfotonikk giftar den lågkostnads, masseproduserbare silisiumbrikke-plattforma med fysikken til lys, og skaper “kretsar for foton” på ei brikke ansys.com. Denne teknologien gjer det mogleg å bokstaveleg talt flytte data i lysets hastigheit i samanhengar der tradisjonell elektronikk møter grenser.

Nøkkelapplikasjonar for silisiumfotonikk

Silisiumfotonikk starta innan fiberoptisk kommunikasjon, men i dag er det ei allsidig plattform som blir brukt på mange banebrytande område. På grunn av høg fart og energieffektivitet, er alle felt som treng å flytte store mengder data (eller presist kontrollere lys) aktuelle kandidatar. Her er nokre av dei viktigaste bruksområda:

Datasenter og høghastigheits skynettverk

Ei av dei viktigaste bruksområda er inne i datasenter og superdatamaskiner, der silisiumfotonikk møter det akutte behovet for raskare og meir effektive samankoplingar. Moderne sky- og hyperskala datasenter handterer enorme datamengder mellom tenarar, stativ og på tvers av campus-nettverk. Koparkablar og tradisjonelle elektriske svitsjar blir i aukande grad ein flaskehals – dei brukar for mykje straum og kan ikkje skalere utover visse avstandar eller hastigheiter (til dømes fungerer 100 Gb/s koparforbindelsar berre over nokre få meter). Silisiumfotoniske samankoplingar løyser dette ved å bruke optiske fiber og innebygde optiske motorar for å kople saman tenarar og svitsjar med svært høg fart og minimal tap. Optiske transceivarar basert på silisiumfotonikk erstattar eller supplerer allereie elektriske samband for kommunikasjon mellom stativ og til og med innanfor stativ tanaka-preciousmetals.com.

Cisco og Intel har vore pionerar her: Cisco designar no høghastigheits pluggbar optisk transceiver ved å bruke silisiumfotonikk for å kople saman nettverksutstyr expertmarketresearch.com. Intel har på same måte nytta silisiumfotonikk for å auke tilkoplinga i datasenter, og har levert millionar av 100G optiske transceiver-brikker og er no i gang med 200G, 400G, og testar 800G optiske moduler tanaka-preciousmetals.com. Motivasjonen er klar – når dataratar doblar seg frå 100G til 200G til 400G, minkar rekkjevidda til kopar dramatisk. «Når du går inn i eit datasenter i dag, ser du 100 Gb/s koparkablar som koplar serverar til top-of-rack-svitsjen… Desse kablane er greie for fire meter eller så. Men alt utanfor racket brukar allereie optikk,» seier Robert Blum, Intels senior director for fotonikk, og legg til at «når vi aukar dataraten til 200 eller 400 Gb/s, blir rekkjevidda til kopar mykje kortare og vi ser denne trenden der optikk går heilt til serveren.» tanaka-preciousmetals.com I høgtytande dataklynger (HPC) og AI-superdatamaskiner, der tusenvis av prosessorar treng låg-latens-lenker, gir optiske samankoplingar bandbreidda som trengst for å halde alle desse brikkene med data ansys.com, laserfocusworld.com. Ved å ta fotonikk inn på svitsjen og til og med inn i prosessorpakkar (såkalla co-packaged optics), vil framtidige datasenternettverk oppnå langt høgare gjennomstrøyming. Faktisk er 51,2 Tb/s svitsjebrikkar med integrert optisk I/O på veg, og prototypar er allereie demonstrerte tanaka-preciousmetals.com.

Forda datasenter er fordelane store: lågare straumforbruk (optiske samband sløsar mykje mindre energi som varme enn å skyve elektron gjennom kopar ved titals GHz), høgare tettleik (mange optiske kanalar kan multiplexast utan å bekymre seg for elektromagnetisk forstyrring), og lengre rekkevidde (optiske signal kan reise kilometer om nødvendig). Dette betyr at silisiumfotonikk hjelper datasenter å skalere ytelse utan å bli strupa av grenser for samband. Ein marknadsanalytikar påpeikte at AI-sentrerte datasenter driv ein utan sidestykke etterspurnad etter høgtytande optiske transceivarar, og hevda at “silisiumfotonikk og PIC-ar er i fronten av denne revolusjonen, med evna til å overføre data i hastigheiter på 1,6 Tbps og meir.” optics.org I praksis kan ein enkelt fotonikkbrikke på storleik med ein fingernegl innehalde dusinvis av lasarkanalar, som saman ber terabit med data – avgjerande for neste generasjons skymiljø.

AI og maskinlæringsakselerasjon

Eksplosjonen av AI og maskinlæring-arbeidslaster er eit spesialtilfelle av datasenterbruk – det fortener eiga nemning fordi AI driv nokre unike krav og har ført til nye bruksområde for silisiumfotonikk. Trening av avanserte AI-modellar (som store språkmodellar som driv chatbotar) involverer massiv parallell databehandling spreidd over mange GPU-ar eller spesialiserte AI-akseleratorar. Desse brikkene må utveksle enorme mengder data for oppgåver som modelltrening, og mettar ofte konvensjonelle elektriske samband. Silisiumfotonikk gir AI ein dobbel fordel: høgbandbreidds samband og til og med potensialet for optisk databehandling.

På interconnect-sida blir optiske lenker utvikla for å kople AI-akseleratorbrikker eller minne direkte saman ved hjelp av lys (av og til kalla optisk I/O). Ved å erstatte den tradisjonelle server-backplana eller GPU-til-GPU-kommunikasjon med optisk fiber, kan AI-system redusere kommunikasjonslatens og straumforbruk betydeleg. Til dømes utviklar oppstartsbedrifter som Ayar Labs optiske I/O-chiplets som ligg ved sida av prosessorar for å sende data inn og ut ved hjelp av lys, og eliminerer dei tette buntane av koparleidningar som elles ville vore nødvendige. I 2024 demonstrerte Ayar Labs ein optisk chiplet som leverte 8 Tbps bandbreidde ved å bruke 16 bølgelengder av lys – eit teikn på korleis neste generasjons AI-interconnectar kan sjå ut businesswire.com. Store brikkeprodusentar følgjer med: Nvidia, AMD og Intel investerte alle i Ayar Labs som del av ei finansieringsrunde på 155 millionar dollar, og satsar på at optiske interconnectar blir nøkkelen til å skalere framtidas AI-maskinvare nextplatform.com. Som ein journalist sa spøkefullt: Om du ikkje får nok fart berre ved å gjere brikkene raskare, “the next best thing to put your money into is probably some form of optical I/O.” nextplatform.com

I tillegg til å flytte data mellom AI-brikker, mogleggjer silisiumfotonikk òg optisk databehandling for AI. Dette betyr å utføre visse utrekningar (som matrise-multiplikasjonar i nevrale nettverk) ved hjelp av lys i staden for elektrisitet, noko som potensielt kan omgå nokre av farts- og energibegrensingane til dagens elektroniske AI-akseleratorar. Selskap som Lightmatter og Lightelligence har bygd prototypar av fotoniske prosessorar som brukar interferens av lys i silisiumbølgjeleiarar for å rekne ut resultat parallelt. Seinhausten 2024 henta Lightmatter inn heile 400 millionar dollar i ein Series D-runde (og fekk ein verdsetting på 4,4 milliardar dollar) for å utvikle optisk databehandling vidare nextplatform.com. Sjølv om teknologien framleis er i startgropa, lovar desse fotoniske AI-akseleratorane lynrask, låg-latens utføring av nevrale nettverk med mykje lågare straumforbruk, sidan foton genererer minimalt med varme samanlikna med milliardar av transistorskifte.

Samla sett, etter kvart som KI-modellar veks i storleik og kompleksitet (og krev klyngjer med titusenvis av brikker), blir silisiumfotonikk sett på som eit “paradigmeskifte” som kan overvinne kommunikasjonsflaskehalsane i KI-infrastruktur laserfocusworld.com. Det tilbyr ein måte å skalere bandbreidda mellom prosessorar lineært med etterspurnad, noko elektriske samband slit med. Bransjeobservatørar spår at optiske teknologiar (som samforpakka optikk, optiske brikke-til-brikke-samband, og kanskje fotoniske databehandlingselement) vil bli standard i KI-system dei komande åra – ikkje berre eit nisjeeksperiment. Faktisk, ifølgje eitt overslag, vil KI-datasenter vekse så raskt (50 % årleg vekst i straumforbruk) at dei innan 2030 kan bli uhaldbar med eksisterande elektrisk I/O, noko som gjer silisiumfotonikk til “ein uunnverleg del av vår framtidige infrastruktur” for å halde KI skalerbar laserfocusworld.com.

Telekommunikasjon og nettverk

Silisiumfotonikk har sitt opphav i telekom, og held fram med å revolusjonere korleis vi overfører data over lange avstandar. I fiberoptiske telekommunikasjonsnettverk – anten det er internett-ryggraden, undersjøiske kablar, eller metro- og aksessnettverk – blir integrert fotonikk brukt til å lage optiske transceivarar som er mindre, raskare og billegare. Tradisjonelle optiske kommunikasjonssystem bygde ofte på diskrete komponentar (lasarar, modulatorar, detektorar montert kvar for seg), men silisiumfotonisk integrasjon kan plassere mange av desse komponentane på éi brikke, noko som forbetrar pålitelegheit og reduserer monteringskostnader tanaka-preciousmetals.com.

I dag er optiske transceivermodular som brukar silisiumfotonikk vanlege i datanettverkssamband og vert i aukande grad tekne i bruk i telekominfrastruktur for 100G, 400G og meir. Til dømes har selskap som Infinera og Cisco (Acacia) utvikla koherente optiske transceivarar med silisiumfotonikk for 400G- og 800G-lenker i telekomnettverk. Breidband- og 5G/6G-trådlause nettverk tener òg på dette – fiberlenkene som koplar mobilmaster eller fraktar fronthaul/backhaul-data kan gjerast meir effektive med silisiumfotonikk. Intel har peika på at silisiumfotonikk vil spela ei rolle i “neste generasjons 5G-utrullingar med mindre formfaktorar og høgare hastigheiter, frå 100G i dag til 400G og meir i morgon” expertmarketresearch.com. Evna til å integrera dusinvis av laserbølgjelengder på ein brikke er nyttig for tettleiksmultipleksing med bølgjelengder (DWDM-system), som telekomoperatørar brukar for å få fleire kanalar på kvar fiber. I 2023 demonstrerte eit kinesisk selskap, InnoLight, til og med ein 1,6 Tb/s optisk transceiver (med fleire bølgjelengder og avansert modulering) – eit teikn på at multi-terabit optiske lenker er like om hjørnet optics.org.

Eit anna nettverksbruksområde er i kjerne-ruting og svitsjeutstyr. Høgkvalitetsruterar og optiske svitsjeplattformar byrjar å ta i bruk silisiumfotoniske kretsar for funksjonar som optisk svitsjing, signaruting og til og med bølgjelengdefiltrering på brikka. Til dømes har store silisiumfotoniske svitsjefabrikkar vorte prototypa som brukar silisium-MEMS eller termo-optiske effektar for å svitsje lysbanar raskt, noko som potensielt gjer det mogleg med heiloptisk kretssvitsjing. Desse kan etter kvart brukast i datasenternettverk for å optisk rekonfigurere tilkoplingar i sanntid (Google har antyda bruk av optiske svitsjar i nokre av AI-klyngene sine) nextplatform.com.

Totalt sett, i telekommunikasjon er måla høgare kapasitet og lågare kostnad per bit. Silisiumfotonikk hjelper ved å skalere kapasiteten til fiberoptikk (100G → 400G → 800G og 1,6T per bølgjelengd) og ved å redusere produksjonskostnadene gjennom CMOS-fabrikkprosessar. Det seier sitt at Intels silisiumfotonikk-divisjon, før omstruktureringa, sende ut over 8 millionar fotoniske transceiver-brikker frå 2016 til 2023 for bruk i datasenter og nettverk optics.org. Og industrisamarbeida veks: til dømes kunngjorde Intel seint i 2023 at dei ville overføre transceiver-produksjonen sin til Jabil (ein kontraktsprodusent) for å skalere produksjonen ytterlegare optics.org. Samstundes investerer optiske komponent-gigantar som Coherent (tidlegare II-VI) og tradisjonelle telekomleverandørar (Nokia, Ciena, osv.) alle i silisiumfotonikk for neste generasjons optiske moduler optics.org. Teknologien er i ferd med å bli ein hjørnestein i både den fysiske infrastrukturen til Internett og det raskt utviklande 5G/6G-kommunikasjons-økosystemet.

Sensorar og LiDAR

Silisiumfotonikk handlar ikkje berre om kommunikasjon – det mogleggjer òg nye typar sensorar ved å utnytte presis kontroll av lys på brikke. Eit spennande område er biokjemisk og miljømessig sensing. Silisiumfotoniske sensorar kan oppdage ørsmå endringar i brytingsindeks eller absorpsjon når ein prøve (som ein bloddråpe eller ein kjemisk damp) interagerer med ein styrt lysstråle. Til dømes kan ein silisiumfotonikkbrikke ha ein liten ringresonator eller interferometer som skiftar frekvens når visse molekyl bind seg til han. Dette gjer det mogleg med lab-on-a-chip-sensorar for biomarkørar – protein, DNA, gassar, osv. – med høg sensitivitet og potensielt låg kostnad. Slike fotoniske biosensorar kan brukast til medisinsk diagnostikk, miljøovervaking eller til og med “kunstig nase”-applikasjonar optics.org optics.org. Miniatyrisering og integrasjon er nøkkelfordelar: ein enkelt silisiumfotonisk sensorbrikke kan integrere lyskjelder, sensorelement og fotodetektorar, og tilby ein kompakt, robust sensor i staden for klumpete optisk laboratorieutstyr. Forsking på silisiumnitrid-fotonikk (ein variant som fungerer betre for synlege bølgjelengder) opnar for endå fleire sensorapplikasjonar, sidan SiN kan leie synleg lys for å måle ting som fluorescens eller Raman-signal som reint silisium ikkje kan.

Ei anna veksande bruksområde er LiDAR (Light Detection and Ranging) for autonome køyretøy, dronar og robotikk. LiDAR-system sender ut laserpulser og måler det reflekterte lyset for å kartleggje avstandar – i praksis “3D-lasarsyn.” Tradisjonelle LiDAR-einingar er ofte avhengige av mekanisk skanning og separate laserar/detektorar, noko som gjer dei dyre og litt klumpete. Silisiumfotonikk gir ein måte å byggje LiDAR på ein brikke: integrering av strålestyringselement, splitterar, modulatorar og detektorar monolittisk. Ein silisiumfotonisk LiDAR kan bruke solid-state strålestyring (til dømes optiske fasearrangement) for å skanne omgjevnadene utan bevegelege delar. Dette reduserer storleiken og kostnaden på LiDAR-einingar drastisk. Faktisk har Intel sin Mobileye indikert at dei brukar silisiumfotoniske integrerte kretsar i sine neste generasjons autonome LiDAR-sensorar rundt 2025 tanaka-preciousmetals.com. Slik integrering kan få ned LiDAR-kostnadene og gjere massemarknad i bilar mogleg. Silisiumfotonikk-basert LiDAR kan òg oppnå raskare skanning og høgare oppløysing ved å utnytte fleire bølgjelengder eller koherente deteksjonsteknikkar bygd inn i brikka. Som ein ekstra fordel brukar desse integrerte løysingane ofte mindre straum – ein viktig faktor for elbilar.

Ifølgje Ansys er “silisiumfotonikk-baserte LiDAR-løysingar meir kompakte, brukar mindre straum, og er billegare å produsere enn system bygde av separate komponentar.” ansys.com Dette oppsummerer kvifor selskap frå oppstartsbedrifter til teknologigigantar kappløper om å utvikle fotonisk LiDAR. Vi ser allereie prototypar av FMCW LiDAR (frekvensmodulert kontinuerleg bølgje-LiDAR), som krev avanserte fotoniske kretsar som justerbare laserar og interferometer. Silisiumfotonikk er ein naturleg plattform for dette, og ekspertar spår at integrert fotonikk blir nøkkelen til å gjere FMCW LiDAR mogleg i stor skala (for lang rekkevidde og immunitet mot forstyrringar) optics.org optics.org. I nær framtid kan vi vente oss bilar og dronar utstyrt med små, brikkebaserte LiDAR-einingar med høg yting – eit direkte resultat av innovasjon innan silisiumfotonikk.

Utanom LiDAR finst det andre sensorbruksområde som gyroskop og inertiessensorar (med ringlasergyroar på brikke for navigasjon), og spektrometer (integrerte optiske spektrometer for kjemisk analyse). Den raude tråden er at silisiumfotonikk gir presisjonen til optiske målingar i eit miniaturisert, produserbart format. Dette opnar for nye moglegheiter innan forbrukarelektronikk (tenk ein optisk helsesensor i ein smartklokke), industriell overvaking og vitskaplege instrument.

Kvantdatamaskinar og fotoniske kvanteteknologiar

I jakta på kvantedatamaskiner spelar foton (lyspartikkel) ei unik rolle. I motsetnad til elektron kan foton reisa lange avstandar utan å samhandla med omgivnadene (nyttig for overføring av kvanteinformasjon), og visse kvantedatamaskin-skjema brukar foton som sjølve qubitane. Silisiumfotonikk har kome fram som ein leiande plattform for forsking på kvantedatamaskiner og nettverk.

Fleire oppstartsbedrifter og forskingsgrupper arbeider med fotoniske kvantedatamaskiner som brukar silisiumbaserte fotoniske kretsar for å generera og manipulera qubitar koda i lys. Til dømes samarbeider PsiQuantum, ein oppstartsbedrift med mykje finansiering, med ein halvleiarfabrikk for å byggja ein storskala kvantedatamaskin ved å bruka tusenvis av silisiumfotoniske qubit-kanalar. Ideen er å integrera einingar som enkeltfoton-kjelder, stråledelarar, faseskiftarar og fotondetektorar på ein brikke for å utføra kvantelogikk med foton. Fordelen med silisiumfotonikk her er skalerbarheit – fordi det byggjer på CMOS-produksjon, kan ein (i prinsippet) laga svært komplekse kvantefotoniske kretsar med hundrevis eller tusenvis av komponentar, noko som er mykje vanskelegare i andre kvantehardware-tilnærmingar. Faktisk har forskarar nyleg demonstrert silisiumfotonikk-brikker med tusenvis av komponentar som arbeider saman for å manipulera kvantelys nature.com.

Silisiumfotonikk gjer det òg mogleg med kvantenettverk – sikker kommunikasjon ved bruk av kvantenøkkeldistribusjon (QKD) og samanfiltra foton – ved å tilby ein plattform for kompakte, stabile optiske kvantetransmittarar og -mottakarar. I tillegg kan visse kvantesensorteknologiar (som optiske kvantegyroskop eller enkeltfoton-LiDAR) bruka silisiumfotonikk-brikker som kjerne.

Ei stor utfordring i fotonisk kvantedatabehandling er å generera enkeltfotonar på kommando og leia dei med låg tap. Interessant nok gjeld dei same avgrensingane (og løysingane) som for klassisk silisiumfotonikk også i kvante: silisium lasar ikkje naturleg, så kvantefotonikk-brikker brukar ofte integrerte ikkje-lineære prosessar eller kvanteprikk-kjelder for å laga enkeltfotonar, eller dei hybrid-integrerer spesialmateriale. Fordelane er likevel dei same – høg presisjon og miniatyrisering. Som Ansys-rapporten peikar på, brukar kvantedatamaskiner foton til utrekningar, og å handtera desse fotona med integrert fotonikk gir fart, nøyaktigheit og kostnadsfordelar ansys.com. I praksis kan silisiumfotonikk gje den stabiliteten og produksjonsevna som trengst for å skalera opp kvantesystem frå labforsøk til reelle maskiner.

Bortsett frå databehandling, er kvantefotoniske sensorar (som interferometer som utnyttar kvantetilstandar for ekstra sensitivitet) og kvantebaserte tilfeldige talgeneratorar andre område der silisiumfotonikk gjer inntrykk. Sjølv om fotonisk kvantedatabehandling framleis er under utvikling og truleg ligg nokre år fram i tid før den er moden, understrekar dei store investeringane i dette feltet potensialet. I 2022 peika ein leiande forskar, professor John Bowers, på at silisiumfotonikk utvikla seg raskt med mange nye bruksområde, inkludert kvante, i horisonten nature.com. Det er sannsynleg at dei første kvantedatamaskinene i stor skala faktisk kan bli optiske og bygde på silisiumfotonikkbrikker – ein fascinerande sirkel der ein teknologi som opphavleg vart utvikla for telekom, kan mogleggjere det neste store spranget innan databehandling.

Noverande trendar og utviklingar (2025)

Per 2025 vinn silisiumfotonikk enorm framgang. Ei rekkje trendar har gått saman og pressar denne teknologien frå laboratoria og nisjebruk inn i hovudstraumen av teknologibransjen:

Dataknekk og samforpakka optikk: Den umettelege etterspurnaden etter data (særleg frå KI og skytjenester) har gjort elektriske samankoplingar til ein alvorleg flaskehals. Vi er no på eit punkt der kvar gong du doblar bandbreidda til ein samankopling, må du halvere lengda på koparkabelen for å oppretthalde signalkvaliteten nextplatform.com – ein uhaldbart kompromiss. Dette har sett søkelyset på tilnærmingar som samforpakka optikk (CPO), der optiske motorar blir plassert rett ved sida av svitsj-ASIC-ar eller prosessorbrikker for å eliminere nesten all elektrisk overføringsavstand. I 2023 demonstrerte fleire selskap samforpakka optikk i svitsjar (t.d. Broadcom sine 25,6 Tb/s og 51,2 Tb/s svitsjprototypar med integrerte laserfotonikkmotorar). Bransjeplanar tyder på at 51,2 Tb/s Ethernet-svitsjbrikker med samforpakka silisiumfotonikk bør kome på marknaden i løpet av eitt til to år tanaka-preciousmetals.com, og at vi rundt 2026–2027 truleg vil sjå dei første CPU-ar/GPU-ar som nyttar optisk I/O direkte nextplatform.com. Med andre ord: den optiske tidsalderen for samankoplingar er i ferd med å bryte fram i praktiske system. Selskap som Intel, Nvidia og Cisco utviklar alle CPO-løysingar aktivt. Faktisk har Intel sitt Tomambe-prosjekt og andre allereie demonstrert 1,6 Tb/s fotonikkmotorar integrert med svitsjbrikker tanaka-preciousmetals.com. Den generelle oppfatninga: Etter år med forsking er samforpakka optikk på veg frå prototype til produkt, med mål om å redusere straumforbruk per bit ved å bringe lyskjeldene nærare datakjelda (30 % straumsparing samanlikna med pluggbar optikk, ifølgje eitt anslag laserfocusworld.com).
Auke av investeringar og oppstartsaktivitet: Dei siste par åra har det vore store investeringar og finansiering i selskap innan silisiumfotonikk. Dette speglar tilliten bransjen har til teknologiens framtid. Til dømes, seint i 2024 henta Ayar Labs inn 155 millionar dollar i ein Series D-runde (og fekk dermed “enhjørning”-status med over 1 milliard dollar i verdsetjing) for å skalere sine optiske I/O-løysingar; merk at denne runden inkluderte strategiske investeringar frå Nvidia, AMD og Intel sjølve nextplatform.com. På same måte sikra fotonikk-databehandlingsoppstarten Lightmatter 400 millionar dollar i finansiering i 2024 for å vidareutvikle sin optiske AI-akseleratorplattform nextplatform.com. Ein annan oppstart, Celestial AI, som fokuserer på optiske samankoplingar for AI, henta ikkje berre inn 175 millionar dollar tidleg i 2024, men gjekk òg vidare til å kjøpe silisiumfotonikk-IP-porteføljen til Rockley Photonics (eit tidlegare sensorfokusert fotonikkfirma) for 20 millionar dollar i oktober 2024 datacenterdynamics.com. Dette oppkjøpet gav Celestial AI over 200 patent innan silisiumfotonikk og signaliserer ei viss konsolidering i bransjen – mindre aktørar med verdifull fotonikkteknologi (Rockley hadde utvikla avanserte modulatorar og integrert optikk for berbare einingar) blir kjøpt opp av selskap som siktar seg inn mot datasenter- og AI-marknaden. Vi såg òg at HyperLight og Lightium, to oppstartar som spesialiserer seg på tunnfilm-litiumniobat-fotonikkbrikker, tiltrekte seg til saman 44 millionar dollar i investeringar i 2023 optics.org, noko som viser interesse for nye material for å forbetre silisiumfotonikk (TFLN-modulatorar kan gi høgare fart og lågt tap). Alt i alt er VC-finansiering og selskapsstøtte til silisiumfotonikkselskap på eit historisk høgt nivå, noko som reflekterer ei erkjenning av at optisk teknologi er avgjerande for framtidas halvleiarar.
Modning av teknologi og vekst i økosystemet: Ein annan trend er modninga av økosystemet for silisiumfotonikk. Fleire fabrikkar og leverandørar er no med i spelet. Tidlegare var det berre nokre få aktørar (som Intel eller Luxtera) som hadde ende-til-ende-kompetanse. No tilbyr store halvleiarfabrikkar som GlobalFoundries, TSMC og til og med STMicroelectronics prosesslinjer for silisiumfotonikk eller standardiserte fotoniske PDK-ar (Process Design Kits) for kundar ansys.com. Denne standardiseringa gjer at oppstartsbedrifter eller mindre selskap kan designe fotoniske kretsar og få dei produserte utan å byggje sin eigen fabrikk – på same måte som fab-lausel elektronikkbransjen opererer. Det finst jamlege multi-prosjekt-wafer (MPW) shuttlar for fotoniske brikker, der fleire design deler ein wafer-køyring, noko som reduserer prototypingskostnaden drastisk. Bransjegrupper arbeider med standardiserte pakkeløysingar (optiske I/O-grensesnitt, fiberfestemetodar) slik at fotoniske brikker lettare kan integrerast i produkt. Etableringa av American Institute for Manufacturing Integrated Photonics (AIM Photonics) har vore eit stort løft: dette offentleg-private konsortiet har sett opp ein silisiumfotonikk-fabrikk og pakkelinje i New York og fekk nyleg tildelt eit 321 millionar dollar, 7-års program (fram til 2028) for å fremje produksjon av integrert fotonikk i USA. nsf.gov. På same måte tilbyr forskingsinstitutt i Europa som IMEC i Belgia og CEA-Leti i Frankrike plattformer for silisiumfotonikk og har skapt eit miljø for fotonikk-oppstartar. I Kina er silisiumfotonikk òg i sterk vekst, med selskap som InnoLight og Huawei som investerer i nasjonale fotonikkbrikke-kapasitetar optics.org optics.org. Alle desse utviklingane viser at silisiumfotonikk ikkje lenger er ein eksperimentell teknologi – det er i ferd med å bli ein standarddel av verktøykassa for halvleiarar.
Høgare hastigheiter og nye materialar: Teknologisk ser vi rask framgang i å presse ytelsen til silisium-fotonikk-komponentar. 800G optiske transceivarar er no til testing, 1,6 Tb/s-modular har blitt demonstrert optics.org, og 3,2 Tb/s pluggmodular er venta innan 2026 optics.org. For å oppnå desse hastigheitene brukar ingeniørar alt frå 16-kanals bølgjelengdemultipleksing til avanserte modulasjonsformat – i praksis utnyttar dei det optiske domenet for å pakke inn fleire bit. På komponentnivå blir nye materialar integrerte i silisiumfotonikk for å overvinne avgrensingane til silisium. Eit godt døme er tunnfilm-litiumniobat (TFLN) på silisium, som gir svært raske Pockels-effekt-modulatorar med låg demping. Dette kan mogleggjere modulatorar som handterer 100+ GHz modulasjonsbandbreidde, eigna for framtidige 1,6T- og 3,2T-lenker eller til og med for kvanteapplikasjonar optics.org. Oppstartselskap som HyperLight kommersialiserer desse hybride LiNbO3/Si-brikkene. Andre materialar i FoU inkluderer bariumtitanat (BTO) elektro-optiske modulatorar og sjeldne jordartsdopede materialar for integrerte laserar/forsterkarar optics.org. Det er òg kontinuerleg arbeid med å integrere III-V-halvleiarar (InP, GaAs) på silisium for betre laserar og optiske forsterkarar – til dømes har kvanteprikk-laserar som er direkte dyrka på silisium gjort store framsteg, og adresserer pålitelegheitsproblem som plaga tidlegare forsøk nature.com nature.com. Kort sagt, materialpaletten for silisiumfotonikk blir breiare, noko som vil gi høgare ytelse og ny funksjonalitet. Vi ser til og med silisiumfotonikk-baserte mikrokampar (optiske frekvenskam-kjelder) bli brukt til applikasjonar som ultrarask datatransmisjon og presis spektroskopi, noko som ville ha høyrdest usannsynleg ut for ti år sidan.
Framveksande bruksområde og produkt: Ved sida av kjernebruksområda, dukkar det opp nye brukstilfelle i 2025. Eitt døme er optisk databehandling for KI (omtalt tidlegare) som går frå forskingsdemonstrasjonar til tidlege produkt – til dømes har Lightelligence lansert maskinvare for fotonisk databehandling for å akselerere KI-inferens. Eit anna døme er optiske lenkjer mellom brikker i avansert pakking: når selskap utforskar multibrikkemodular og chiplets, kan optiske lenkjer kople desse chipletsa saman i høg fart over ei pakke eller ein interposer. Standardar som UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express) vurderer til og med optiske PHY-utvidingar. Vi ser òg interesse frå styresmaktene: DARPA og andre etatar har program for å bruke fotoniske samankoplingar i forsvarssystem (for avansert prosessering og RF-signalruting). Og i forbrukarmarknaden er det spekulasjonar om at optisk I/O kan dukke opp i forbrukareiningar innan nokre år – til dømes eit AR/VR-headset som brukar ein silisiumfotonisk brikke for høgbandbreidde sensorlenkjer, eller ein optisk Thunderbolt-kabel for AR-briller. Sjølv om det ikkje er her enno, er desse ideane på teiknebrettet.

Oppsummert: I 2025 er silisiumfotonikk ved eit vendepunkt: Betydningsfulle kommersielle produkt kjem på marknaden (særleg innan nettverk), store investeringar strøymer inn, og økosystemet modnast. Det blir stadig tydelegare at optikk vil spele ei grunnleggjande rolle i databehandling og samankopling framover. Som ein bransjekommentator sa: I siste halvdel av dette tiåret ventar mange at optisk I/O går frå pilotlinjer til hovudstraumsproduksjon – “2025-generasjonen av datamotorar har kanskje ikkje silisiumfotonikk, men 2026-generasjonen kan få det og 2027-generasjonen vil nesten heilt sikkert ha det”, fordi vi til slutt ikkje har noko val – “kopar si tid er over.” nextplatform.com

Utfordringar og avgrensingar

Trass i all entusiasmen står silisiumfotonikk overfor fleire utfordringar og avgrensingar som forskarar og ingeniørar aktivt prøver å løyse. Det er ein omformande teknologi, men ikkje ei trylleformel – i alle fall ikkje enno. Her er dei viktigaste hindera:

Integrering av lyskjelder: Kanskje den mest berykta avgrensinga er at silisium er dårleg til å generere lys. Silisium har eit indirekte bandgap, noko som betyr at det ikkje kan fungere som ein laser eller effektiv LED. Som fotonikk-pioneren John Bowers seier det rett ut, “Silisium er utruleg dårleg som lysemitter.” nature.com Den interne effektiviteten er nær null – om lag éin av ein million elektron i silisium vil produsere ein foton – medan III-V halvleiarar som indiumfosfid eller galliumarsenid kan sende ut lys med nær 100 % effektivitet nature.com. Dette betyr at for å ha laserar på ein silisium-fotonikkbrikke, må du vanlegvis introdusere andre materialar. Dette kan gjerast ved hybridintegrasjon (å binde eit stykke InP-wafer med laserdiodar til silisiumwaferen) eller nyare teknikkar som å vekse nanostrukturerte III-V-laserar direkte på silisium. Framgangen på dette området har vore lovande: selskap og laboratorium (Intel, UCSB, osv.) har demonstrert hybridintegrerte laserar i stor skala, og nyleg til og med kvanteprikk-laserar dyrka på 300 mm silisiumwaferar med god pålitelegheit nature.com nature.com. Likevel, integrering av laserar aukar kompleksiteten og kostnaden. Dersom laseren er utanfor brikka (i ein separat lasermodul kopla via fiber), står du overfor utfordringa med å effektivt kople det lyset inn i dei små bølgjeleiarane på brikka. Kort sagt, å få lys inn på brikka er ei ikkje-triviell oppgåve. Bransjen utforskar løysingar som heterogen integrasjon (fleire materialar på éi brikke) og til og med nye tilnærmingar som elektrisk pumpa germanium-silisium-laserar eller Raman-laserar på silisium, men desse er framleis under utvikling. Per 2025 brukar dei fleste silisiumfotonikksystem anten hybridlaserar eller eksterne laserar som blir kopla inn. Dette er eit sentralt forskingsområde framover.
Produksjon og utbytte: Silisiumfotoniske kretsar kan produserast i eksisterande fabrikkar, men dei har andre krav enn elektroniske brikker. For det første krev optikk svært presis kontroll av dimensjonar – variasjonar på berre nokre få nanometer i bølgjeleiarbreidde eller avstand kan endre bølgjelengda til resonatorar eller fasen til lyset. Å oppnå høgt utbytte (dvs. konsistent ytelse på tvers av mange brikker) er utfordrande. I tillegg kan integrering av fleire materialtypar (silisium, silisiumnitrid, III-V-ar, metall) i ein prosessflyt introdusere kompleksitet. Kopling av fiber til brikka er òg ei utfordring for utbytte og produksjon; å justere små optiske fiber til bølgjeleiarflater i mikrometerskala involverer ofte dyr aktiv justering. Nokre av desse stega er framleis delvis manuelle i produksjonen, noko som ikkje skalérar godt. Det blir jobba mykje med å forbetre pakkingsteknikkar, som å bruke standardiserte fiberfeste-einingar eller å inkorporere gitterkoplarar som gjer det lettare å kople fiber til lyset ovanfrå brikka. Pakkinga av kombinerte elektroniske + fotoniske brikker er òg vanskeleg – til dømes, om du har ein fotonisk brikke og ein elektronisk ASIC i same pakke, må du justere dei og òg handtere varme (sidan elektronikk som blir varm kan forstyrre fotonikken). Ansys påpeiker at om elektronikk og fotonikk deler ein brikke, må produksjonsmetoden balansere behova til kvar av dei, og om dei er separate brikker, trengst avansert pakking – “varmeutvikling i elektronikken kan påverke fotonikken.” ansys.com Termisk tuning er eit anna problem: mange silisiumfotoniske filter og modulatorar er avhengige av termiske effektar, så temperaturendringar kan detune kretsar, noko som krev straum for å stabilisere. Alt dette gjer produksjonen meir komplisert og aukar kostnadene.
Kostnad og volum: Når det gjeld kostnad – sjølv om silisiumfotonikk lovar låg kostnad ved å utnytte høgvolum-silisiumfabrikkar, er dagens realitet at desse einingane framleis er relativt nisjeprega og dyre. Bransjen sender ut millionar av einingar (som transceivarar i datasenter), men for å verkeleg få ned kostnadene, må det truleg sendast ut milliardar av einingar årleg ansys.com. Med andre ord har det enno ikkje nådd skalaen til forbrukarelektronikk. Einingane krev ofte òg spesialisert innpakking (som nemnt) og testing, noko som aukar kostnaden. Ein silisiumfotonisk transceivar for datasenter kan i dag koste hundrevis eller tusenvis av dollar, noko som er akseptabelt for det marknaden, men for høgt for forbrukarmarknaden. Økonomien er litt usikker i svært stor skala – som ein rapport peika på, uroar store skykundar seg for pålitelegheit og kostnadsstruktur dersom dei skulle ta i bruk silisiumfotonikk i stor skala, sidan teknologien enno ikkje har nådd produksjonslæringskurva til vanleg silisium nextplatform.com. Likevel blir kostnadene stadig betre, og tiltak som foundry-standard PDK-ar og automatisering hjelper. I løpet av dei neste åra, etter kvart som volumet aukar (driven av KI og datasenter), bør vi sjå at kostnadene går ned, noko som igjen vil opne fleire marknader (det er ein god sirkel når det først kjem i gang). Likevel kan i 2025 kostnad per eining vere ein avgrensande faktor for å ta i bruk silisiumfotonikk i kostnadssensitive bruksområde.
Strømforbruk og effektivitet: Sjølv om silisiumfotonikk kan redusere straumforbruket for datatransport ved svært høge hastigheiter, brukar sjølve einingane framleis straum – til dømes brukar modulatorar ofte termisk tuning eller PN-overgangar som trekk straum, og laserar brukar sjølvsagt straum. Det er ein ekstra kostnad ved å konvertere elektroniske signal til optiske og tilbake. For at det verkeleg skal spare straum på systemnivå, må desse ekstrakostnadene vere mindre enn innsparingane frå å kutte ut lange elektriske lenkjer. Dagens silisiumfotoniske transceivarar er ganske straumeffektive (på nivå med nokre få pikojoule per bit for den optiske konverteringa), men det er eit press for å kome endå lågare, spesielt om optisk I/O blir brukt på brikka eller i minnebussar der effektiviteten må vere svært høg. Ein lovande tilnærming er å bruke elektro-optiske material (som LiNbO3 eller BTO) som kan modulere lys med svært låg spenning (og dermed lågare straumforbruk) i staden for termisk tuning. Å integrere meir effektive lyskjelder (som kvanteprikk-laserar) kan òg redusere energitap frå laserar (dagens distribuerte tilbakemeldingslaserar kastar ofte bort mykje energi som varme). Så sjølv om silisiumfotonikk løyser straumproblemet for samband på makronivå, optimaliserer ingeniørane framleis straumforbruket for kvar enkelt eining på mikronivå. Det positive: sjølv med dagens teknologi kan samforpakka optikk redusere det totale straumforbruket til samband med ~30 % samanlikna med tradisjonelle pluggbarar laserfocusworld.com, og framtidige forbetringar vil truleg auke desse gevinstane.
Design og designverktøy: Dette er ei mindre openbar utfordring, men ei viktig ei: å designe fotoniske kretsar er ein ny ferdigheit, og EDA (Electronic Design Automation)-verktøya for fotonikk er ikkje like modne som dei for elektronikk. Å simulere optiske kretsar, spesielt store med mange komponentar, kan vere komplekst. Variasjonar i fabrikasjon må takast omsyn til i designet (du kan trenge termiske tunarar for å rette opp små feil). Det er behov for betre designverktøy som kan samoptimalisere elektroniske og fotoniske kretsdelar, ofte kalla EPDA (Electronic Photonic Design Automation). Økosystemet er i ferd med å ta igjen – selskap som Synopsys, Cadence og Lumerical (Ansys) har verktøy for fotonisk design – men det er framleis eit felt i utvikling. Eit relatert problem er mangel på standardar på enkelte område: sjølv om mange foundry tilbyr PDK-ar, kan dei ha ulike komponentbibliotek og parameterar. Dette kan gjere design mindre portabelt enn elektroniske design. Bransjen går mot felles standardar (til dømes layout-utvekslingsformat for fotoniske kretsar, eller standardiserte komponentmodellar), men det trengst meir arbeid for å effektivisere designflyten. Å bygge ein robust talentbase er òg avgjerande: ingeniørar som forstår både RF/mikrobølge-analogdesign og optisk fysikk er etterspurde, og det er mangel på dei (men mange universitet utdannar no kandidatar i dette tverrfaglege feltet).
Ytingsavgrensingar: Sjølv om silisiumfotonikk dramatisk forbetrar visse måltal, har det sine eigne fysiske avgrensingar. Optisk tap i bølgjeleiarar, sjølv om det er lågt (~dB/cm), hopar seg opp i store kretsar, og skarpe svingar eller små strukturar kan auke tapet. Det er òg viktig å minimere tap frå fiber-til-brikke-kopling. Termisk sensitivitet i silisium (brytingsindeks endrar seg med temperatur) gjer at mange silisiumfotoniske kretsar treng stabilisering eller kalibrering. Bandbreiddeavgrensingar kan oppstå i modulatorar eller detektorar – til dømes har silisium-ringmodulatorar avgrensa bandbreidde og kan vere temperaturfølsame, medan Mach-Zehnder-modulatorar krev nøye ingeniørarbeid for å oppnå svært høg fart utan forvrenging. Kromatisk dispersjon i bølgjeleiarar kan avgrense svært breibandige bølgjelengde-applikasjonar (men er vanlegvis ikkje eit problem over korte avstandar på brikka). Eit anna poeng: elektronisk-fotonisk integrasjon gjer at du ofte må kodesigne elektronikken (som driverforsterkarar, TIA-ar for detektorar) med fotonikken. Grensesnittet mellom dei kan avgrense total yting (t.d. om ein modulator treng eit visst spenningssving, må du ha ein driver som kan levere det raskt). Så systemingeniørarbeidet er komplekst. Vidare er det ikkje alle bruksområde som forsvarar fotonikk – for svært korte, lågfarts-lenker kan elektrisk framleis vere billegare og enklare. Så å vite kvar ein skal ta i bruk silisiumfotonikk for maksimal gevinst er i seg sjølv ei vurdering.

Oppsummert, sjølv om ingen av desse utfordringane er showstoppers, betyr dei samla sett at silisiumfotonikk framleis har noko utvikling framfor seg. Mange av dei skarpaste hovuda innan fotonikk og elektronikk jobbar aktivt med desse problema: å integrere betre laserar, forbetre pakking, skalere produksjon og utvide designmoglegheitene. Framgangen sjølv dei siste åra er oppmuntrande. Som professor Bowers påpeika, blir utfordringar som å integrere III-V-laserar i CMOS, forbetre utbytte og fiberfeste, og redusere kostnader alle adressert med “framgang… svært rask.” nature.com Kvart år kjem det forbetringar, og gapet mellom laboratorieprototyp og masseproduksjon blir litt smalare. Det er verdt å hugse at elektroniske IC-ar hadde tiår med intens innsats for å nå dagens skala – silisiumfotonikk, til samanlikning, er i ein mykje tidlegare fase av reisa si, men tek raskt innpå.

Leiande selskap og institusjonar på feltet

Silisiumfotonikk har blitt ein global innsats, med mange selskap (frå oppstartsbedrifter til teknologigigantar) og forskingsinstitusjonar som driv feltet framover. Ifølgje marknadsundersøkingar er dei største aktørane i silisiumfotonikkmarknaden (per 2025) industrigigantar som Cisco, Intel, og IBM, saman med spesialistar som NeoPhotonics (Lumentum), Hamamatsu Photonics, og STMicroelectronics expertmarketresearch.com. Her er ei oversikt over nokre sentrale bidragsytarar:

Intel Corporation (USA): Ein pioner innan silisiumfotonikk, Intel investerte tidleg og tungt i teknologien. Selskapet introduserte ein av dei første 100G silisiumfotonikk-transceivarane i 2016 og har sendt ut millionar av einingar sidan optics.org. Intel brukar silisiumfotonikk i høghastigheits optiske transceivarar og pressar teknologien inn i framtidige server-CPU-ar og edge-applikasjonar. Selskapet si visjon er å “enable future data center bandwidth growth” med fotonikk, skalere frå 100G til 400G og vidare, og å integrere optikk med prosessorar for applikasjonar som 5G og autonome køyretøy expertmarketresearch.com, tanaka-preciousmetals.com. Intel sin Silicon Photonics-divisjon har nyleg inngått samarbeid med Jabil for produksjon, noko som indikerer ei modning mot høgvolumsproduksjon optics.org. Intel forskar òg på samforpakka optikk for svitsjar og har eigardelar i fleire fotonikk-startups (som Ayar Labs).
Cisco Systems (USA): Cisco, ein nettverksgigant, gjekk inn i silisiumfotonikk gjennom oppkjøp (t.d. oppkjøpet av Luxtera i 2019) og er no ein leiande leverandør av silicon photonic optical transceivers for datasenter og telekom. Cisco brukar fotonikkteknologien sin i produkt som spenner frå 100G/400G pluggmodular til framtidige samforpakka optiske svitsjar. Cisco sine løysingar tener på eigenutvikla fotonikk-IC-ar som oppnår høg tettleik og energieffektivitet. Ved å nytte silisiumfotonikk gir Cisco kundane høghastigheits sambindingsløysingar med mindre formfaktor. I 2025 er Cisco ein av marknadsleiarane som leverer silisiumfotonikk i volum expertmarketresearch.com.
IBM Corporation (USA): IBM har lang erfaring innan forsking på optiske sambindingar. Silicon Photonics-teamet deira, med over eit tiår med FoU, har utvikla høghastigheits optisk lenketeknologi retta mot sambindingar på kort- og prosessornivå expertmarketresearch.com. IBM si forsking har ført til framsteg innan silisium-mikroringmodulatorar, bølgjelengdemultipleksing og pakking. Sjølv om IBM ikkje sel transceivarar som Intel eller Cisco, samarbeider dei ofte om prototypar (til dømes viste IBM og Mellanox ein optisk sambinding for serverar i 2015). IBM legg vekt på å bruke fotonikk for å løyse flaskehalsar i databehandling (t.d. brukar POWER10-prosessoren fotoniske lenker for off-chip-signalisering gjennom partnarskap). IBM bidreg òg til standardar og open forsking; arbeidet deira vert ofte presentert på konferansar som OFC og CLEO.
NeoPhotonics/Lumentum (USA): NeoPhotonics (no ein del av Lumentum sidan 2022) spesialiserer seg på laserar og fotoniske komponentar for telekom og datasenter. Dei har utvikla ultrareine, justerbare laserar og høghastigheitsmodulatorar. Merkverdig introduserte NeoPhotonics silisiumfotoniske koherente optiske subenheiter (COSA-ar) for 400G per bølgjelengd-kommunikasjon, og forskingsarbeid pågjekk for 800G og vidare expertmarketresearch.com. Som ein del av Lumentum (ein stor aktør i den optiske industrien) bidreg denne ekspertisen til neste generasjons koherente transceivarar og pluggbarar for telekom. Lumentum sitt eigarskap betyr at desse silisiumfotonikk-produkta kan integrerast med Lumentum sitt eksisterande fotonikkportefølje (t.d. deira indiumfosfid-modulatorar og forsterkarar).
Hamamatsu Photonics (Japan): Ein leiande aktør innan optoelektroniske komponentar, Hamamatsu lagar eit breitt spekter av fotoniske einingar (fotodiodar, fotomultiplikatorar, bildesensorar, osb.). Hamamatsu har teke i bruk silisiumprosessar for å produsere ting som silisium-fotodiodematriser og silisiumbaserte optiske sensorar expertmarketresearch.com. Sjølv om dei ikkje er like tungt retta mot høghastigheits-transceivarar, er Hamamatsu sitt arbeid med silisiumfotonikk avgjerande innan sensing og vitskapleg instrumentering. Dei leverer silisium PIN-fotodiodar, APD-ar og optiske sensorchip som er grunnleggande for optiske kommunikasjonsmottakarar og LiDAR-detektorar. Deira ekspertise innan låg-støy, høgsensitiv fotonikk utfyller den digitale kommunikasjonsdelen av silisiumfotonikk.
STMicroelectronics (Sveits/Europa): STMicro er ein stor halvleiarprodusent som har utvikla si eiga silisiumfotonikk-kapasitet. STMicro har fokusert på integrerte bilde- og sensorsystem – til dømes har dei produsert silisiumfotonikkbrikker for fiberoptiske gyroskop og arbeidd med FoU på optiske samband i europeiske konsortium. STMicro sine avanserte fabrikkar og MEMS-kompetanse gjer dei godt posisjonerte for silisiumfotonikk som krev integrasjon med andre sensorar eller elektronikk expertmarketresearch.com. Land som Frankrike og Italia (der ST har store operasjonar) støttar fotonikk gjennom initiativ, og ST er ofte partnar i desse. Dei er òg rykta å levere nokre silisiumfotoniske komponentar til industri- og bilsystem.
GlobalFoundries (USA) og TSMC (Taiwan): Desse kontraktsprodusentane av brikker har kvar sine tilbod innan silisiumfotonikk. GlobalFoundries har ein velkjend 45 nm silisiumfotonikkprosess (GF 45CLO) og har samarbeidd med oppstartsbedrifter som Ayar Labs for å produsere optiske I/O-brikker. TSMC har vore meir hemmeleg, men skal etter rapportane samarbeide med store teknologiselskap for å bygge fotonisk integrerte brikker (til dømes tyder nokre Apple-rykter på TSMC-involvering i fotoniske sensorar). Begge er avgjerande for å skalere produksjon – at store fabrikkar er med, betyr at alle fab-lauselause selskap lettare kan få prototypar og volumproduksjon av fotonikkbrikker. Faktisk er involveringa til slike fabrikkar eit sterkt teikn på at silisiumfotonikk er i ferd med å bli mainstream.
Infinera (USA) og Coherent/II-VI (USA): Infinera er ein telekomutstyrsprodusent som tidleg satsa på fotoniske integrerte kretsar (men på indiumfosfid). Dei har sidan tilpassa seg til òg å bruke silisiumfotonikk i nokre produkt eller for samforpakking med sine InP-PIC-ar. Coherent (som kjøpte Finisar og seinare tok namnet Coherent) er djupt involvert i optiske komponentar; dei har eigne InP-fabrikkar, men utviklar òg silisiumfotoniske transceivarar for datasenter optics.org. Desse selskapa har eit telekom-fokus på pålitelegheit og ytelse, og driv silisiumfotonikk til å møte krav frå operatørar (t.d. 400ZR-modular for koherente samband over avstand).
Ayar Labs, Lightmatter og oppstartsbedrifter: Ei bølgje av innovative oppstartar driv silisiumfotonikk inn i nye område. Vi har diskutert Ayar Labs (optisk I/O for AI/HPC) og Lightmatter (optisk databehandling). Andre inkluderer Lightelligence (enno ein optisk AI-chip-oppstart), Luminous Computing (integrerer fotonikk og elektronikk for AI), Celestial AI (optisk nettverk for reknekluster), OpenLight (eit fellesføretak som tilbyr ein open fotonikkplattform med integrerte laserar), og Rockley Photonics (fokusert på helsesensorar, no for det meste oppkjøpt av Celestial). Desse oppstartane er merkverdige for sine ambisiøse tilnærmingar – t.d. Lightmatter sin 3D-integrerte fotoniske tensorkjerne eller Luminous sitt forsøk på å byggje ein fullstendig fotonisk datamaskin. Dei samarbeider ofte med store selskap (til dømes har HPE samarbeidd med Ayar Labs for å bruke optiske samankoplingar i eit superdatamaskin-interconnect-stoff nextplatform.com). Oppstartsscena er livleg, og deira nærvær har pressa dei etablerte til å røre seg raskare. Ein bransjeobservatør merka at saman med Ayar har selskap som Lightmatter og Celestial AI “alle ein sjanse til å gjere framsteg ettersom silisiumfotonikk byggjer bruer mellom rekne-motorar og samankoplingar.” nextplatform.com
Akademiske og forskingsinstitusjonar: På institusjonssida er leiande universitet og nasjonale laboratorium avgjerande for å drive silisiumfotonikk framover. University of California, Santa Barbara (UCSB) under professor John Bowers har vore ein kraftsentral, og har pionert hybrid-silisiumlaserar og kvanteprikk-laserar på silisium. MIT, Stanford, Columbia (med gruppa til professor Michal Lipson), og Caltech er andre amerikanske knutepunkt for forsking på silisiumfotonikk, og arbeider med alt frå ny modulatorfysikk til fotoniske datamaskinarkitekturar. I Europa har IMEC i Belgia eit framståande silisiumfotonikkprogram og multi-prosjekt-wafer-teneste (iSiPP), og University of Southampton, TU Eindhoven, EPFL og fleire har sterke forskingsmiljø. AIM Photonics-instituttet i USA (nemnt ovanfor) samlar mange av desse universiteta og selskapa for samarbeid og tilbyr nasjonal foundry-kapasitet. Statlege laboratorium som MIT Lincoln Lab og IMEC har til og med demonstrert avansert integrert fotonikk for forsvar (t.d. optiske fasearrayer for LiDAR). I tillegg gjer internasjonale samarbeid og konferansar (som Optical Fiber Conference, ISSCC, IEEE Photonics Society-møte) det mogleg for desse institusjonane å dele gjennombrot. Faget tener på ein velfungerande akademia-industri-pipeline: mange gründerar og leiarar i industrien har fått opplæring i desse forskingslaba, og pågåande akademisk forsking held fram med å presse grensene (til dømes ny materialintegrasjon eller kvantefotonikk som nemnt).

Alle desse aktørane – store teknologiselskap, spesialiserte komponentprodusentar, ambisiøse oppstartar og leiande forskingslaboratorium – dannar eit rikt økosystem som samla driv silisiumfotonikk framover. Konkurransen og samarbeidet mellom dei akselererer innovasjonen. Merk at også geopolitikk spelar inn: det er medvit om ein kappløp mellom USA, Europa og Kina om kven som skal leie innan fotonikkteknologi csis.org, gitt den strategiske betydinga for kommunikasjon og databehandling. Dette har ført til auka offentlege investeringar (t.d. EU sitt PhotonHub og Kinas nasjonale fotonikkinitiativ). For den generelle teknologientusiasten er bodskapen at mange kloke hovud og store ressursar globalt blir satsa på å få framtidas brikker til å kommunisere med lys.

Ekspertinnsikt og sitat

Gjennom framveksten av silisiumfotonikk har ekspertar i feltet kome med perspektiv som hjelper å setje innverknaden i samanheng. Her er nokre merkverdige innsikter:

Om paradigmeskiftet innan silisiumfotonikk: «Eg har ofte skildra silisiumfotonikk som meir enn ei inkrementell forbetring — det er eit paradigmeskifte», seier René Jonker, ein leiar i Soitec, og understrekar at i motsetnad til koparforbindelsar som når sine grenser, gir optiske samband ein berekraftig måte å handtere aukande databehov på. Sjølv om det framleis er utfordringar med å redusere kostnader og skalere produksjonen, gjer fordelane – «høgare bandbreidde, redusert forseinking og lågare straumforbruk» – at silisiumfotonikk blir «ein uunnverleg del av framtidas infrastruktur.» laserfocusworld.com
Om straumforbruk og optikk i datasenter: Ein kommentar i Laser Focus World frå 2025 peika på alvoret i datasenter: innan tiåret er omme kan datasenter stå for 8 % av det amerikanske straumforbruket om utviklinga held fram, noko som er «uhaldbar med dagens elektriske forbindelsar.» Forfattaren konkluderte med at «optiske forbindelsar, mogleggjort av silisiumfotonikk, er den einaste skalerbare vegen vidare.» laserfocusworld.com Med andre ord: for å unngå ein energi- og bandbreiddekrise er overgangen til optiske samband ikkje berre eit val – det er naudsynt.
Om integrasjonsutfordringar: Professor John Bowers (UCSB), ein nestor innan fotonikk, kommenterte den største utfordringa: «Den største utfordringa er integrering av III–V-materiale i silisium-CMOS… Det er framleis utfordringar med høg avkastning, høg pålitelegheit, kostnadsreduksjon og fiberfeste. Pakking av elektronikk og fotonikk saman er ei utfordring… Men framgangen er svært rask.» nature.com Dette understrekar at sjølv om det er vanskeleg å integrere laserar (III–V-materiale) og oppnå perfekte avkastningar, gjer industrileiarar som Intel jamn framgang, og løysingar er i sikte.
Om lysemisjon i silisium: I det same intervjuet gav Bowers ei fargerik forklaring på kvifor laserar treng noko anna enn silisium: «Silisium er utruleg dårleg som lysemittent. Den interne kvanteeffektiviteten er om lag éin av ein million, medan ein direkte bandgap-III–V har effektivitet på nær 100 %. Eg visste frå starten at vi treng ein direkte bandgap-halvleiar…» nature.com. Denne ærlege vurderinga forklarar kvifor teamet hans tidleg satsa på hybride laserar (binding av InP til Si) – ein strategi som lukkast med Intels hybride silisiumlaser i 2007 og vidare.
Om å nå serveren med optikk: Intels senior direktør for fotonikk, Robert Blum, illustrerte korleis optikk gradvis tek over i datasenter: «Når du går inn i eit datasenter i dag, ser du 100 Gb/s koparkablar… greitt for fire meter. Men alt utanfor racket brukar allereie optikk. Når vi aukar til 200 eller 400 Gb/s, vert rekkevidda til kopar mykje kortare og vi ser denne trenden der optikk går heilt til serveren.» tanaka-preciousmetals.com Dette sitatet fangar levande overgangen som skjer – optikk erstattar gradvis kopar frå kjernen av nettverket og ut mot kantane.
Om marknadsvekst og KI: «Auken i KI har ført til ein utan sidestykke etterspurnad etter høgtytande transceivarar… Silisiumfotonikk og PIC-ar står i spissen for denne revolusjonen,» seier Sam Dale, teknologianalytikar i IDTechX, og peikar på silisiumfotonikk si evne til å levere «hastigheiter på 1,6 Tbps og meir.» optics.org Rapporten hans spår at marknaden for fotonisk integrerte kretsar kan vekse nesten tidobla innan 2035 (til 54 milliardar dollar), i stor grad driven av KI-datasenterbehov optics.org.
Om framtida for databehandling: Analytikarar frå The Next Platform ser for seg at optisk I/O snart vil kome inn i HPC-system. Dei peikar på at innan 2026–2027 vil vi truleg sjå vanlege CPU-ar/GPU-ar med optiske grensesnitt, fordi «på kort sikt har vi ikkje noko val.» Med deira fargerike formulering: «Tida for kopar er over.» nextplatform.com Dette oppsummerer ei vanleg haldning i bransjen: elektriske samband er ikkje nok for neste æra av databehandling, og fotonikk må ta over for å unngå å møte veggen.

Desse innsiktene frå ekspertar understrekar både løftet og utfordringane til silisiumfotonikk. Det er eit gjennomgåande tema: silisiumfotonikk er omformande – det mogleggjer eit nødvendig ytelseshopp – men det kjem med store teknologiske utfordringar som vert raskt adressert. Ekspertane peikar på ein kombinasjon av optimisme (paradigmeskiftet, uunnverleg framtid) og realisme (integrasjonsproblem, kostnads- og skalautfordringar). Deira perspektiv hjelper eit allment publikum å forstå kvifor så mange selskap og forskarar er entusiastiske for silisiumfotonikk, og også kvifor det har teke fleire tiår å få denne teknologien på beina. Å høyre det frå dei som står i front – anten det er ein erfaren forskar eller ein produktsjef – gir kontekst til at dette er eit felt der fysikk, ingeniørkunst og marknadskrefter møtest på fascinerande vis.

Nylege nyhende og milepælar

Landskapet for silisiumfotonikk er svært dynamisk. Her er nokre nyare nyhende og milepælar (frå det siste året eller så) som illustrerer feltet si raske utvikling:

Celestial AI kjøper Rockley Photonics IP (okt 2024): Celestial AI, ein oppstartsbedrift som utviklar Photonic Fabric™ optiske samankoplingar for KI, kunngjorde at dei har kjøpt patentporteføljen for silisiumfotonikk til Rockley Photonics for 20 millionar dollar datacenterdynamics.com. Rockley hadde utvikla avanserte silisiumfotoniske sensorar og hadde satsa på helserelaterte wearables før dei møtte konkurs. Denne avtalen gav Celestial AI over 200 patent, inkludert teknologi for elektro-optiske modulatorar og optisk svitsjing nyttig i datasenter-applikasjonar datacenterdynamics.com. Det er ein betydeleg konsolidering, som viser kor verdifull fotonikk-IP har blitt i KI/datasenter-marknaden. Rockley sine innovasjonar (som breibandlaserar for måling) kan få nytt liv integrert i Celestial sine optiske samankoplingsløysingar.
Store investeringar til oppstartar – Ayar Labs & Lightmatter (slutten av 2024): To amerikanske oppstartar fekk store investeringsrundar. Ayar Labs sikra seg 155 millionar dollar i Series D i desember 2024, med deltaking frå leiande halvleiaraktørar (Nvidia, Intel, AMD var med saman med venturekapitalistar) nextplatform.com. Denne runden løfta verdsettinga til Ayar over 1 milliard dollar, noko som signaliserer tillit til deira in-package optiske I/O-teknologi som har som mål å erstatte elektrisk I/O i framtidige prosessorar. Berre nokre veker tidlegare hadde Lightmatter henta inn 400 millionar dollar i Series D (okt 2024), dobla si totale finansiering og blei verdsett til 4,4 milliardar dollar nextplatform.com. Lightmatter har utvikla fotoniske databrikker og optisk interposer-teknologi for KI-akselerasjon. Så store investeringar er merkverdige – dei viser at investorar (og strategiske partnarar) trur desse oppstartane kan løyse kritiske problem innan KI og databehandling med optisk teknologi. Det betyr òg at vi kan vente at desse selskapa går frå prototypar til produkt; faktisk har Lightmatter allereie teke i bruk testsystem, og Ayar sine optiske chiplets er planlagt for pilotbruk i HPC-system.
Intel outsourcar transceivarar til Jabil (sein 2023): I ein interessant vri bestemte Intel seg seint i 2023 for å overføre si høgvolumsverksemd for silisium-fotoniske transceivarar til Jabil, ein produksjonspartnar optics.org. Intel hadde sendt ut over 8 millionar fotoniske transceivarchipar sidan 2016 optics.org – desse blir brukte for 100G/200G-tilkopling i datasenter. Ved å overlate produksjonen til Jabil (ein kontraktsprodusent), signaliserte Intel eit strategisk skifte: dei vil fokusere på å integrere fotonikk med sine kjerneplattformar (som samforpakka optikk og fotonikk på prosessoren), medan ein partnar tek seg av den meir standardiserte transceivarmarknaden. Dette trekket speglar òg ei modnande bransje – det som var banebrytande teknologi for nokre år sidan (100G pluggbarar) er no rutine nok til å bli outsourca. Jabil på si side bygg opp optisk produksjon, noko som potensielt kan tene andre kundar òg. Samarbeidet mellom Intel og Jabil vart framheva som ei viktig bransjeutvikling av analytikarar optics.org, som peika på det som ein del av økosystemutviklinga.
InnoLight lanserer 1,6 Tb/s-modul (sein 2023): I kappløpet om høgare hastigheiter kunngjorde InnoLight, eit kinesisk optisk transceivarfirma, at dei hadde oppnådd ein 1,6 terabit-per-sekund optisk transceivarprototyp optics.org. Dette involverer truleg fleire bølgjelengder (t.d. 16×100G eller 8×200G-kanalar) på ein silisium-fotonikkplattform. Å nå 1,6 Tb/s i ein enkelt modul eitt år før nokre konkurrentar viser Kinas veksande styrke innan silisiumfotonikk. InnoLight sin modul kan brukast for top-of-rack-switch-opplinkar eller for å kople saman AI-system. Det er òg eit hint om at 3,2 Tb/s-modular (som til dømes ville bruke 8 bølgjelengder på 400G kvar) ikkje er langt unna – faktisk spådde IDTechX 3,2 Tb/s-modular innan 2026 optics.org. Dette var ein overskriftskapande rekord som understrekar den intense globale konkurransen; Coherent (USA) og andre jobbar òg med 1,6T- og 3,2T-design optics.org.
PsiQuantum si framgang med fotonisk kvantebrikke (2024): På kvantefronten har PsiQuantum (som er hemmelegheitsfull, men kjend for å samarbeide med GlobalFoundries) publisert ei studie som skisserer ein veg mot ein tapstolerant fotonisk kvantedatamaskin, og annonsert ein brikke kalla “Omega” for deira fotoniske kvantearkitektur thequantuminsider.com. Sjølv om dette ikkje er eit kommersielt produkt enno, viser det at fotonisk kvanteberekningsmaskinvare går framover – med silisiumfotonikk i kjernen. PsiQuantum sin tilnærming krev integrering av tusenvis av enkeltfoton-kjelder og detektorar. Nyheita her er validering av produksjonsmoglegheit: ein Nature-artikkel i 2022 demonstrerte nøkkelkomponentar (kjelder, filter, detektorar) på ein enkelt silisiumfotonikkbrikke som kan skalerast nature.com. Dette tyder på at dei ligg an til å nå ein milepæl rundt midten av 2020-talet til tidleg 2030-tal for ein prototype av ein optisk kvantedatamaskin med ein million qubit (deira langsiktige mål). Sjølv om slike utviklingar er nisjeprega, blir dei følgde nøye sidan dei kan omdefinere avansert databehandling.
Oppstartsselskap innan litiumniobat-fotonikk fekk finansiering (2023): Som nemnt, to oppstartsselskap som fokuserer på å integrere LiNbO₃ med silisiumfotonikk, HyperLight (USA) og Lightium (Sveits), henta til saman inn 44 millionar dollar i 2023 optics.org. Finansieringsnyheita var merkbar fordi ho peikar på ein trend: å leggje til nye materialar i silisiumfotonikk for å bryte ytelsesbarrierar. Desse selskapa framhevar modulatorar som kan operere med høgare linearitet og over eit breitt bølgjelengdeområde (synleg til midt-IR) med svært lågt tap optics.org. Den næraste bruksområdet kan vere ultraraske modulatorar for kommunikasjon eller spesialiserte einingar for kvante- og RF-fotonikk. Det større poenget er at investormiljøet òg støttar materialinnovasjon innan fotonikk, ikkje berre dei meir opplagde transceiver-oppstartane. Det er eit teikn på at sjølv framsteg innan materialvitskap (som TFLN på isolator) raskt kan gå over til oppstartar og produkt i dette feltet.
Standardar og konsortiumoppdateringar (2024–25): Det har vore rørsle på standardiseringsfronten. Continuous-Wave WDM MSA (eit konsortium som definerer standard lyskildemodular for samforpakka optikk) leverte dei første spesifikasjonane for felles laserkjelder som kan forsyne fleire fotonikkbrikker. Dette er viktig for å sikre multileverandør-kompatibilitet for samforpakka optikk. I tillegg har UCIe-konsortiet (for chiplet-samanbinding) danna ei optisk arbeidsgruppe for å vurdere korleis optiske chiplet-lenker kan standardiserast. Samstundes har organisasjonar som COBO (Consortium for On-Board Optics) og CPO Alliance halde toppmøte (t.d. på OFC 2024) der dei diskuterer beste praksis for samforpakka optikk ansys.com. Alt dette seier at bransjen ser behovet for å harmonisere grensesnitt og unngå ei fragmentering som kan bremse innføringa. Nylege nyhende frå IEEE viste òg framgang på 1.6T Ethernet-standardar og tilhøyrande optiske grensesnittstandardar som føreset bruk av silisiumfotonikk-teknologi.
Produktlanseringar: På produktsida ser vi faktisk maskinvare som kjem ut:
- 800G pluggmodular: Fleire leverandørar (Intel, Marvell/Inphi, m.fl.) byrja å prøvekøyre 800G QSFP-DD og OSFP-modular i 2024 som brukar silisiumfotonikk innvendig. Desse vil truleg bli tekne i bruk i 2025-svitsjar og nettverk.
- CPO-demokitt: Selskap som Ranovus og IBM har demonstrert samforpakka optikk utviklingskitt – ein forløpar til kommersielle CPO-produkt. Til dømes vart IBMs forskingsprototyp av ein samforpakka svitsj vist i drift, og Ranovus har ein CPO-modul med 8×100G bølgjelengder.
- Silisiumfotonisk LiDAR-produkt: Innovusion (Kina) og Voyant Photonics (USA) kunngjorde framsteg i si silisiumfotoniske LiDAR. Innovusion sin nyaste LiDAR for køyretøy brukar nokre silisiumfotoniske komponentar for å oppnå FMCW til ein konkurransedyktig pris. Voyant, ein oppstartsbedrift frå Columbia University-forsking, sel faktisk ein liten solid-state LiDAR-modul basert på silisiumfotonikk for bruk i dronar og robotar.
- Optiske I/O-chiplets: I løpet av midten av 2025 planlegg Ayar Labs å ha sin TeraPHY optiske I/O-chiplet og SuperNova laserkjelde i tidleg kundetesting, og leverer ei 8 Tbps optisk lenke for HPC-system. Om dette held tidsplanen, kan det bli ei av dei første utplasseringane av optisk I/O i eit datasystem (truleg i eit statleg laboratorium eller pilotsuperdatamaskin innan 2025–26).

Nyheitsstraumen i det siste teiknar eit bilete av eit felt som raskt går framover på fleire frontar: frå gjennombrot i fart (1.6T optikk) til store strategiske grep (Intel-outsourcing, store finansieringsrundar) og dei første utplasseringane i sitt slag (optiske motorar for KI). Det er ei spanande tid, for desse utviklingane viser at silisiumfotonikk er i ferd med å gå frå å vere ei lovande teknologi til ein kommersiell realitet med aukande påverknad på produkt og industriar.

For eit allment publikum er hovudbodskapen frå alle desse nyheitene at silisiumfotonikk ikkje er eit fjernt løfte – det skjer no. Selskap investerer store pengar og ressursar i dette, reelle produkt blir sende ut, og kvart kvartal kjem nye milepælar som slår tidlegare rekordar. Det er eit felt i rask utvikling, og sjølv teknologikyndige lesarar kan bli overraska over kor fort ting som “optiske chiplets” eller “1,6 terabit-modular” har kome. Nyheitene understrekar òg at dette er eit globalt kappløp – med stor aktivitet i USA, Europa og Asia – og at det omfattar alt frå djupt teknologiske oppstartsbedrifter til dei største brikkeselskapa og nettverksleverandørane.

Framtidsutsikter og spådommar

Ser vi framover, verkar framtida for silisiumfotonikk særs lovande, med potensial til å omdefinere databehandling og kommunikasjon det neste tiåret. Her er nokre spådommar og forventningar til kva framtida kan bringe:

Utbreidd bruk i databehandling: Mot slutten av 2020-åra kan vi vente at silisiumfotonikk blir ein standard i avanserte datasystem. Som nemnt, innan 2026–2027 bør dei første CPU-ar, GPU-ar eller AI-akseleratorar med integrert optisk I/O dukke opp nextplatform.com. I starten kan desse vere i spesialiserte marknader (superdatamaskiner, høgfrekvente handelssystem, leiande AI-klynger), men dei vil bane veg for breiare bruk. Når teknologien er bevist og volumet aukar, kan optisk I/O etter kvart bli vanleg i meir ordinære tenarar og einingar på 2030-talet. Sjå føre deg rack-tenarar der kvar CPU har optiske fiberportar direkte på pakken, kopla til ein optisk top-of-rack-svitsj; dette kan bli vanleg. Minneflaskehalsen kan òg bli løyst med optiske samband – til dømes ved å kople minnemodular optisk til prosessorar for å gi større bandbreidde over avstand (nokre forskarar snakkar om “optisk minnedisaggregasjon” for store, delte minnepottar). Oppsummert vil datasenteret i framtida (og dermed skytjenestene i framtida) truleg bli bygd på eit nettverk av optiske samband på alle nivå, mogleggjort av silisiumfotonikk.
Terabit-nettverk for alle: Kapasiteten på nettverkslinjer vil fortsette å ta store sprang framover. Vi snakkar om 1,6 Tb/s, 3,2 Tb/s, til og med 6,4 Tb/s optiske transceivarar i ein enkelt modul innan tidleg 2030-tal. Desse farta er svimlande – ei 3,2 Tb/s-linje kunne overført ein 4K-film på ein brøkdel av eit millisekund. Sjølv om desse farta vil bli brukt i ryggraden til datasenter og telekomnettverk, vil dei indirekte kome forbrukarane til gode (raskare internett, meir robuste skytjenester). Analytikarar spår at marknaden for fotoniske integrerte kretsar vil nå over 50 milliardar dollar innan 2035, i stor grad takka vere desse transceivarane for AI og datasenter optics.org. Vi kan få sjå at 800G og 1.6T blir den nye 100G, altså at dei blir arbeidshestane i nettverka. Og når volumet aukar, vil kostnad per bit gå ned, slik at høghastigheitsforbindelsar blir billegare og meir utbreidde. Det er sannsynleg at til og med forbrukareiningar (som til dømes eit VR-headset som treng svært høg bandbreidde til PC eller konsoll) kan bruke ein optisk USB- eller optisk Thunderbolt-kabel for å overføre fleire titals eller hundrevis av gigabit utan forseinking eller tap.
Revolusjonerer telekommunikasjon: I telekom vil silisiumfotonikk bidra til å realisere heiloptiske nettverk med mykje høgare effektivitet. Koherent optisk kommunikasjon med integrert fotonikk vil truleg skalere til over 1 Tb/s per bølgjelengde (med avanserte konstellasjonar og kanskje integrerte transceiver-DSP-ar). Dette kan gjere multi-terabit optiske kanalar økonomiske, og redusere talet på lasarar/fiber som trengst. Silisiumfotonikk vil òg gjere omkonfigurerbare optiske add-drop-multipleksarar (ROADMs) og anna nettverksutstyr meir kompakt og energieffektivt, noko som igjen legg til rette for utbygging av høgkapasitets 5G/6G-nettverk og betre fiber-til-heimen-infrastruktur. Eit spesielt område å følgje med på er integrerte lasarar for kabel-TV / fiberaksess: billege, stillbare lasarar på silisium kan til dømes gi kvar heim ein 100G symmetrisk fiberlinje. Ved å integrere optiske funksjonar kan teleoperatørar forenkle sentralar og hovudpunkt. Nettoeffekten blir altså endå raskare og meir pålitelege internett-tenester til potensielt lågare pris, driven i kulissane av silisiumfotoniske brikker.
AI-databehandling og optiske motorar: På AI-feltet, dersom selskap som Lightmatter og Lightelligence lukkast, kan vi få sjå dei første optiske koprosessorane i datasenter. Desse vil akselerere matrise-multiplikasjonar eller grafanalysar med lys, og potensielt gi store sprang i ytelse per watt. Det er tenkjeleg at innan fem år vil nokre datasenter ha rekkjer med optiske AI-akseleratorar ved sida av GPU-ar, som handterer spesialiserte oppgåver ekstremt raskt (til dømes lynrask inferens for sanntidstenester). Sjølv om heilt optiske datamaskiner framleis er noko avgrensa, kan den hybride elektro-optiske tilnærminga (elektronikk for logikkontroll, fotonikk for tung databehandling og multiply-accumulate-operasjonar) bli ein nøkkelstrategi for å halde AI-ytelsen oppe. Ved å redusere varme og straumforbruk kan fotonikk gjere det mogleg å trene AI-modellar i trillionklassen. Kort sagt kan silisiumfotonikk vere den hemmelege ingrediensen som gjer det mogleg å auke AI-modellstorleik og treningsdata 1000× utan å smelte straumnettet.
Påverknad på forbrukarteknologi: Sjølv om mykje av silisiumfotonikken i dag finst i store datasenter og nettverk, vil det etter kvart sive ned til forbrukareiningar. Eit opplagt døme er AR/VR-briller (der du må sende enorme datamengder til små skjermar og kamera – optiske samband kan hjelpe). Eit anna døme er forbrukar-LiDAR eller djupnesensorar – framtidige smarttelefonar eller wearables kan få små silisiumfotoniske sensorar for helsemåling (slik Rockley Photonics satsa på) eller for 3D-skanning av omgjevnadene. Intel sin Mobileye har alt indikert at deira silisiumfotoniske LiDAR vil kome i bilar, så mot slutten av 2020-talet kan det hende at den nye bilen din har ein integrert fotonikkbrikke som stille styrer dei autonome sensorsystema tanaka-preciousmetals.com. Etter kvart som kostnadene går ned, kan fleire slike sensorar dukke opp i kvardagslege einingar (tenk deg smartklokker som brukar ein silisiumfotonisk sensor til å overvake glukose eller blodanalysar ikkje-invasivt via optisk spektroskopi på handleddet – selskap jobbar faktisk med dette konseptet). Sjølv innan høgkvalitets lyd/bilete kan optiske brikker forbetre kamera (LiDAR for fokusering eller 3D-kartlegging i fotografering) eller mogleggjere holografiske skjermar ved å modulere lys på mikroskopisk nivå (litt spekulativt, men ikkje umogleg etter kvart som romlege lysmodulatorar på silisium blir betre). Så om eit tiår kan det hende at forbrukarar uvitande brukar silisiumfotonikk i dingsane sine, akkurat som vi i dag brukar MEMS-sensorar overalt utan å tenkje over det.
Fotonikk i det kvantefysiske riket: Ser vi endå lenger fram, kan kvantefotoniske teknologiar modnast. Om PsiQuantum eller andre lukkast, kan vi få ein fotonisk kvantedatamaskin som overgår klassiske superdatamaskiner for visse oppgåver – kanskje med millionar av samanfiltra foton prosessert på brikka. Det ville vere ei enorm bragd, kanskje like omveltingande som dei første elektroniske datamaskinene. Sjølv om det kanskje ligg etter 2030, kan framsteg i mellomtida gi kvantesimulatorar eller nettverksbaserte kvantekommunikasjonssystem ved bruk av silisiumfotonikk. Til dømes kan sikre kvantekommunikasjonslinjer (QKD-nettverk) takast i bruk i bynettverk med standardiserte silisiumfotoniske QKD-sendarar i datasenter. Det finst òg potensial for kvantesensorar på brikke (som optiske gyroskop med kvantenivå-sensitivitet) til bruk i navigasjon eller vitskap.
Vidare forsking og nye horisontar: Fagfeltet silisiumfotonikk vil halde fram med å utvikle seg. Forskarar utforskar allereie 3D-integrasjon – å stable fotonikkbrikker med elektronikkbrikker for endå tettare kopling (nokre undersøker mikrobumpar eller bindingsteknikkar for å plassere ein fotonisk interposer under ein CPU, til dømes). Det blir òg snakka om optisk nettverk på brikke (ONoC), der prosessorar brukar lys til å kommunisere mellom kjernar i staden for, eller i tillegg til, elektriske nettverk på brikka. Om mangekjerners CPU-ar ein dag brukar interne optiske nettverk, kan det fjerne flaskehalsar for bandbreidde på brikka (dette ligg litt fram i tid, men er konseptuelt vist i laboratorium). Nanofotonikk kan òg bli aktuelt: plasmoniske eller nanoskalige optiske komponentar som opererer ved svært høge hastigheiter eller på ekstremt små areal, potensielt integrert med silisiumfotonikk for visse oppgåver (som ultrakompakte modulatorar). Og kven veit, kanskje nokon ein dag lukkast med den heilage gralen – ein silisiumlaser via eit smart materialtriks – noko som verkeleg ville forenkle fotonisk integrasjon.
Marknads- og bransjeutsikter: Økonomisk vil vi sannsynlegvis sjå at silisiumfotonikk-marknaden eksploderer. Ifølgje IDTechX er det venta at marknadsverdien vil vere på om lag 54 milliardar dollar innan 2035 optics.org. Merk at sjølv om datakommunikasjon vil utgjere den største delen, kan om lag 11 milliardar dollar av dette kome frå ikkje-data-applikasjonar (telekom, lidar, sensorar, kvante, osb.) optics.org. Det betyr at teknologien sine fordelar vil bli spreidde over mange sektorar. Vi kan òg få sjå store bransjerystelsar eller partnerskap: til dømes, kan ein teknologigigant kjøpe opp ein av fotonikk-unicorn-startupa (tenk om Nvidia kjøper Ayar Labs eller Lightmatter for å sikre leiarskap innan optisk databehandling)? Det er mogleg etter kvart som innsatsen aukar. Vidare kan internasjonal konkurranse tilta – vi kan få sjå store investeringar frå styresmakter for å sikre leiarskap (på same måte som halvleiarindustrien blir sett på som strategisk). Silisiumfotonikk kan bli ein nøkkel i nasjonale teknologistrategiar, noko som kan gi meir FoU-finansiering og infrastruktur.

I eit vidare perspektiv, om vi tek eit steg tilbake, er framtida med silisiumfotonikk ei der grensene mellom databehandling og kommunikasjon viskast ut. Avstand blir mindre avgrensande – data kan reise innanfor ein brikke eller mellom byar like lett på optiske trådar. Dette kan mogleggjere arkitekturar som distribuert databehandling der den fysiske plasseringa av ressursar betyr lite fordi optiske samband gir låg forseinking og høg bandbreidde. Vi kan få sjå verkeleg oppdelte datasenter der datakraft, lagring og minne er optisk kopla saman som LEGO-klossar. Energieffektiviteten frå fotonikk kan òg bidra til grønare IKT, noko som er viktig etter kvart som energibehovet til digital infrastruktur veks.

For å låne orda til ein bransjeveteran: «reisa for å skalere silisiumfotonikk er like spennande som ho er utfordrande.» laserfocusworld.com Dei komande åra vil utan tvil by på hindringar, men det er ein felles vilje i akademia og industri til å overvinne dei. Gjennom samarbeid og innovasjon – der materialvitskap, halvleiarteknikk og fotonikk blir samordna – er ekspertane trygge på at vi vil møte desse utfordringane og løyse ut det fulle potensialet til silisiumfotonikk laserfocusworld.com. Framtidsutsiktene er at denne teknologien vil gå frå utkanten (kople saman einingane våre eller forsterke spesialiserte system) til sjølve hjartet av databehandling og konnektivitet. Vi er i realiteten vitne til starten på ei ny tid – der lys, ikkje berre elektron, ber informasjonen si livsnerve gjennom einingane og netta som ligg til grunn for det moderne livet. Og det er verkeleg eit revolusjonerande skifte som vil utspille seg det neste tiåret og vidare.