Revolução da Fotônica de Silício – Tecnologia em Velocidade da Luz Transformando IA, Data Centers e Mais

A fotônica de silício utiliza circuitos integrados fotônicos de silício (PICs) para manipular a luz no processamento e comunicação de dados, possibilitando interconexões dentro do chip e entre chips em velocidades como 100 Gb/s e 400 Gb/s.
Um chip fotônico de silício do tamanho de uma unha pode hospedar dezenas de canais de laser e, com multiplexação densa por divisão de comprimento de onda, transportar terabits de dados.
As interconexões de data centers se beneficiam de links ópticos que consomem menos energia e oferecem maior densidade, com protótipos como chips de comutação de 51,2 Tb/s com E/S óptica integrada já demonstrados.
Em 2024, a Ayar Labs demonstrou um chiplet óptico entregando 8 Tbps de largura de banda usando 16 comprimentos de onda, e uma rodada Série D no final de 2024 levantou US$ 155 milhões com participação da Nvidia, AMD e Intel, elevando sua avaliação acima de US$ 1 bilhão.
A Intel terceirizou a fabricação de seus transceptores de fotônica de silício para a Jabil no final de 2023, após enviar mais de 8 milhões de chips transceptores fotônicos desde 2016.
A InnoLight demonstrou um protótipo de transceptor óptico de 1,6 Tbps no final de 2023, com módulos de 3,2 Tbps esperados para 2026, à medida que se aproximam links multi-terabit.
O instituto americano AIM Photonics recebeu um programa de US$ 321 milhões por sete anos até 2028 para avançar a fabricação de fotônica integrada nos EUA, viabilizando uma fundição e linha de encapsulamento de fotônica de silício em Nova York.
Em 2023, a Broadcom demonstrou protótipos de switches ópticos co-embalados de 25,6 Tbps e 51,2 Tbps com motores fotônicos a laser integrados.
A Lightmatter levantou US$ 400 milhões em uma Série D em 2024 para financiar sua plataforma óptica de aceleração de IA, e a PsiQuantum apresentou publicamente um caminho para um computador quântico fotônico tolerante a perdas com seu chip Omega em 2024.
Analistas preveem que o mercado de fotônica de silício alcance cerca de US$ 54 bilhões até 2035, com aproximadamente US$ 11 bilhões vindos de aplicações não relacionadas a dados, impulsionado principalmente pelas necessidades de data centers de IA.

O que é Fotônica de Silício e Como Funciona?

Fotônica de silício é uma tecnologia que utiliza circuitos integrados fotônicos (PICs) baseados em silício para manipular a luz (fótons) no processamento e comunicação. Em termos simples, significa construir dispositivos ópticos (como lasers, moduladores e detectores) em chips de silício, de forma semelhante à fabricação de circuitos eletrônicos. Esses chips fotônicos de silício podem enviar e receber dados usando luz, permitindo transferência de dados ultrarrápida com alta largura de banda e baixa perda de energia ansys.com. Os principais componentes incluem guias de onda (pequenos “fios” ópticos que conduzem a luz no chip), moduladores (que codificam dados em feixes de luz), lasers (geralmente adicionados por outros materiais, já que o silício não emite luz), e fotodetectores (para converter a luz recebida de volta em sinais elétricos) ansys.com. Ao integrar esses elementos em uma plataforma de silício, engenheiros aproveitam a fabricação de semicondutores (CMOS) já estabelecida para produzir em massa dispositivos fotônicos, combinando a velocidade da luz com a escala da fabricação moderna de chips ansys.com.

Como funciona? Em vez de pulsos elétricos em fios de cobre, circuitos fotônicos de silício usam luz de laser infravermelho fluindo por guias de onda em escala micrométrica. O silício é transparente a comprimentos de onda infravermelhos, permitindo que a luz se propague com perda mínima quando confinada por materiais ao redor, como o dióxido de silício, que têm um índice de refração menor ansys.com ansys.com. Os dados são codificados nessas ondas de luz por meio de moduladores que podem mudar rapidamente a intensidade ou a fase da luz. Na outra extremidade, fotodetectores no chip convertem os sinais ópticos de volta para a forma elétrica. Como a luz oscila em frequências muito mais altas do que sinais elétricos, as interconexões ópticas podem transportar muito mais dados por segundo do que fios elétricos. Uma única fibra ou guia de onda minúsculo pode transmitir dezenas ou centenas de gigabits por segundo, e ao usar múltiplos comprimentos de onda de luz (multiplexação densa por divisão de comprimento de onda), uma única fibra pode transportar terabits de dados. Em termos práticos, a fotônica de silício permite comunicações dentro do chip ou entre chips em velocidades como 100 Gb/s, 400 Gb/s ou mais, o que de outra forma exigiria muitas vias de cobre ou simplesmente seria inviável em distâncias maiores ansys.com optics.org.

Dispositivos fotônicos de silício são compactos, rápidos e energeticamente eficientes. A luz pode viajar por guias de onda com resistência muito baixa (sem capacitância elétrica ou problemas de aquecimento que ocorrem com o cobre em altas velocidades), o que significa potencialmente menor consumo de energia para o movimento de dados. Uma análise observa que as interconexões ópticas podem aliviar drasticamente gargalos de dados e reduzir o calor em sistemas de alto desempenho – “as interconexões ópticas, viabilizadas pela fotônica de silício, são o único caminho escalável para o futuro” para lidar com a explosão da demanda por largura de banda laserfocusworld.com. Em resumo, a fotônica de silício une a plataforma de chips de silício de baixo custo e produção em massa com a física da luz, criando “circuitos para fótons” em um chip ansys.com. Essa tecnologia nos permite literalmente mover dados na velocidade da luz em contextos onde a eletrônica tradicional está atingindo seus limites.

Principais aplicações da fotônica de silício

A fotônica de silício começou nas comunicações por fibra óptica, mas hoje é uma plataforma versátil que encontra usos em muitos domínios de ponta. Por causa de sua alta velocidade e eficiência energética, qualquer área que precise transferir grandes volumes de dados (ou controlar a luz com precisão) é candidata. Aqui estão algumas das principais aplicações:

Data Centers e Redes de Nuvem de Alta Velocidade

Uma das aplicações mais importantes é dentro de data centers e supercomputadores, onde a fotônica de silício atende à necessidade urgente de interconexões mais rápidas e eficientes. Os data centers modernos de nuvem e hiperescala lidam com fluxos massivos de dados entre servidores, racks e em redes de campus. Cabos de cobre e switches elétricos tradicionais estão se tornando cada vez mais um gargalo – consomem muita energia e não conseguem escalar além de certas distâncias ou velocidades (por exemplo, conexões de cobre de 100 Gb/s só funcionam por alguns metros). As interconexões fotônicas de silício resolvem isso usando fibras ópticas e motores ópticos embarcados para conectar servidores e switches em velocidades muito altas com perda mínima. Transceptores ópticos baseados em fotônica de silício já estão substituindo ou complementando conexões elétricas para comunicação entre racks e até mesmo dentro do rack tanaka-preciousmetals.com.

A Cisco e a Intel têm sido pioneiras aqui: a Cisco agora projeta transceptores ópticos plugáveis de alta velocidade usando fotônica de silício para conectar equipamentos de rede expertmarketresearch.com. A Intel, da mesma forma, aproveitou a fotônica de silício para aumentar a conectividade em data centers, enviando milhões de chips de transceptores ópticos de 100G e agora aumentando a produção de módulos ópticos de 200G, 400G e amostras de 800G tanaka-preciousmetals.com. A motivação é clara – à medida que as taxas de dados dobram de 100G para 200G e 400G, o alcance do cobre diminui drasticamente. “Quando você entra em um data center hoje, verá cabos de cobre de 100 Gb/s conectando servidores ao switch do topo do rack… Esses cabos são adequados para cerca de quatro metros. Mas tudo além do rack já está usando óptica,” observa Robert Blum, diretor sênior de fotônica da Intel, acrescentando que “à medida que aumentamos as taxas de dados para 200 ou 400 Gb/s, o alcance do cobre se torna muito menor e começamos a ver essa tendência em que a óptica vai até o servidor.” tanaka-preciousmetals.com Em clusters de computação de alto desempenho (HPC) e supercomputadores de IA, onde milhares de processadores precisam de conexões de baixa latência, as interconexões ópticas fornecem a largura de banda para manter todos esses chips alimentados com dados ansys.com, laserfocusworld.com. Ao trazer a fotônica para o switch e até mesmo para os pacotes dos processadores (as chamadas ópticas co-embaladas), as futuras redes de data centers alcançarão taxas de transferência muito maiores. Na verdade, chips de comutação de 51,2 Tb/s com E/S óptica integrada já estão no horizonte, e protótipos já foram demonstrados tanaka-preciousmetals.com.

Os benefícios para data centers são significativos: menor consumo de energia (os links ópticos desperdiçam muito menos energia em forma de calor do que empurrar elétrons através do cobre a dezenas de GHz), maior densidade (muitos canais ópticos podem ser multiplexados sem preocupação com interferência eletromagnética) e alcance mais longo (sinais ópticos podem viajar quilômetros, se necessário). Isso significa que a fotônica de silício ajuda os data centers a escalarem o desempenho sem serem limitados pelas restrições dos interconectores. Um analista de mercado observou que data centers voltados para IA estão impulsionando uma demanda sem precedentes por transceptores ópticos de alto desempenho, afirmando que “a fotônica de silício e os PICs estão na vanguarda dessa revolução, com sua capacidade de transmitir dados a velocidades de 1,6 Tbps e além.” optics.org Em termos práticos, um único chip fotônico do tamanho de uma unha pode conter dezenas de canais a laser, juntos transportando terabits de dados – algo crítico para a infraestrutura de nuvem de próxima geração.

Aceleração de IA e Aprendizado de Máquina

A explosão de cargas de trabalho de IA e aprendizado de máquina é um caso especial da aplicação em data centers – merece uma menção própria porque a IA traz requisitos únicos e impulsionou novos usos para a fotônica de silício. O treinamento de modelos avançados de IA (como grandes modelos de linguagem que alimentam chatbots) envolve cálculos massivamente paralelos distribuídos por muitas GPUs ou aceleradores de IA especializados. Esses chips precisam trocar enormes quantidades de dados para tarefas como o treinamento de modelos, frequentemente saturando os links elétricos convencionais. A fotônica de silício oferece uma vantagem dupla para a IA: interconexões de alta largura de banda e até mesmo o potencial para computação óptica.

No lado da interconexão, estão sendo desenvolvidos links ópticos para conectar diretamente chips aceleradores de IA ou memória usando luz (às vezes chamados de optical I/O). Ao substituir o backplane tradicional do servidor ou a comunicação GPU-para-GPU por fibra óptica, os sistemas de IA podem reduzir significativamente a latência de comunicação e o consumo de energia. Por exemplo, startups como Ayar Labs estão criando chiplets de optical I/O que ficam ao lado dos processadores para transmitir dados usando luz, eliminando os densos feixes de trilhas de cobre que seriam necessários de outra forma. Em 2024, a Ayar Labs demonstrou um chiplet óptico entregando 8 Tbps de largura de banda usando 16 comprimentos de onda de luz – um sinal de como podem ser as interconexões de IA da próxima geração businesswire.com. Grandes fabricantes de chips estão atentos: Nvidia, AMD e Intel investiram na Ayar Labs como parte de uma rodada de financiamento de US$ 155 milhões, apostando que as interconexões ópticas serão fundamentais para escalar o hardware de IA do futuro nextplatform.com. Como brincou um jornalista, se você não consegue velocidade suficiente apenas tornando os chips mais rápidos, “a próxima melhor coisa para investir provavelmente é alguma forma de optical I/O.” nextplatform.com

Além de mover dados entre chips de IA, a fotônica de silício também está viabilizando a computação óptica para IA. Isso significa realizar certos cálculos (como multiplicações de matrizes em redes neurais) usando luz em vez de eletricidade, o que pode potencialmente contornar algumas das limitações de velocidade e energia dos aceleradores eletrônicos de IA atuais. Empresas como Lightmatter e Lightelligence construíram processadores fotônicos protótipos que usam a interferência da luz em guias de onda de silício para calcular resultados em paralelo. No final de 2024, a Lightmatter levantou impressionantes US$ 400 milhões em uma rodada Série D (elevando sua avaliação para US$ 4,4 bilhões) para avançar sua tecnologia de computação óptica nextplatform.com. Embora ainda estejam surgindo, esses aceleradores fotônicos de IA prometem execução ultrarrápida e de baixa latência de redes neurais com consumo de energia muito menor, já que os fótons geram calor mínimo em comparação com bilhões de eventos de comutação de transistores.

De modo geral, à medida que os modelos de IA crescem em tamanho e complexidade (e exigem clusters de dezenas de milhares de chips), a fotônica de silício é vista como uma “mudança de paradigma” capaz de superar os gargalos de comunicação na infraestrutura de IA laserfocusworld.com. Ela oferece uma forma de escalar a largura de banda entre processadores de maneira linear com a demanda, algo com que as conexões elétricas têm dificuldade. Observadores da indústria preveem que tecnologias ópticas (como óptica co-embalada, links ópticos chip a chip e possivelmente elementos de computação fotônica) se tornarão padrão em sistemas de IA nos próximos anos – não apenas um experimento de nicho. De fato, segundo uma estimativa, os data centers de IA crescerão tão rapidamente (50% de CAGR no consumo de energia) que, até 2030, podem se tornar insustentáveis com as E/S elétricas existentes, tornando a fotônica de silício “uma parte indispensável da nossa infraestrutura futura” para manter a IA escalável laserfocusworld.com.

Telecomunicações e Redes

A fotônica de silício tem suas raízes nas telecomunicações e continua revolucionando a forma como transmitimos dados a longas distâncias. Em redes de telecomunicações por fibra óptica – seja a espinha dorsal da Internet, cabos submarinos ou redes metropolitanas e de acesso – a fotônica integrada é usada para fabricar transceptores ópticos menores, mais rápidos e mais baratos. Os sistemas tradicionais de comunicação óptica frequentemente dependiam de componentes discretos (lasers, moduladores, detectores montados individualmente), mas a integração fotônica de silício pode colocar muitos desses componentes em um único chip, melhorando a confiabilidade e reduzindo os custos de montagem tanaka-preciousmetals.com.

Hoje, os módulos transceptores ópticos que utilizam fotônica de silício são comuns em interconexões de data centers e estão sendo cada vez mais adotados em infraestruturas de telecomunicações para 100G, 400G e além. Por exemplo, empresas como Infinera e Cisco (Acacia) desenvolveram transceptores ópticos coerentes usando fotônica de silício para conexões de 400G e 800G em redes de telecomunicações. As redes de banda larga e redes sem fio 5G/6G também se beneficiam – os enlaces de fibra que conectam torres de celular ou transportam dados de fronthaul/backhaul podem ser tornados mais eficientes com a fotônica de silício. A Intel destacou que a fotônica de silício terá um papel em “implantações 5G de próxima geração usando fatores de forma menores e velocidades mais altas, de 100G hoje para 400G e além no futuro” expertmarketresearch.com. A capacidade de integrar dezenas de comprimentos de onda de laser em um chip é útil para sistemas de multiplexação por divisão de comprimento de onda denso (DWDM), que operadoras de telecom usam para colocar mais canais em cada fibra. Em 2023, uma empresa chinesa, InnoLight, chegou a demonstrar um transceptor óptico de 1,6 Tb/s (usando múltiplos comprimentos de onda e modulação avançada) – um sinal de que enlaces ópticos multi-terabit estão no horizonte próximo optics.org.

Outra aplicação em redes está nos equipamentos de roteamento e comutação de núcleo. Roteadores de alto desempenho e plataformas de comutação óptica estão começando a usar circuitos fotônicos de silício para funções como comutação óptica, roteamento de sinais e até filtragem de comprimento de onda no chip. Por exemplo, grandes matrizes de comutação fotônica de silício já foram prototipadas usando MEMS de silício ou efeitos termo-ópticos para comutar caminhos de luz rapidamente, potencialmente viabilizando a comutação de circuitos totalmente óptica. Estes poderiam eventualmente ser usados em redes de data centers para reconfigurar conexões opticamente em tempo real (o Google já sugeriu o uso de comutadores ópticos em alguns de seus clusters de IA) nextplatform.com.

De modo geral, em telecomunicações os objetivos são maior capacidade e menor custo por bit. A fotônica de silício contribui aumentando a capacidade da fibra óptica (100G → 400G → 800G e 1,6T por comprimento de onda) e reduzindo os custos de fabricação por meio de processos de fabricação CMOS. É revelador que a divisão de fotônica de silício da Intel, antes de ser reestruturada, enviou mais de 8 milhões de chips transceptores fotônicos de 2016 a 2023 para usos em data centers e redes optics.org. E as colaborações na indústria estão crescendo: por exemplo, a Intel, no final de 2023, anunciou que transferiria sua fabricação de transceptores para a Jabil (um fabricante contratado) para ampliar ainda mais a produção optics.org. Enquanto isso, gigantes de componentes ópticos como Coherent (anteriormente II-VI) e fornecedores tradicionais de telecomunicações (Nokia, Ciena, etc.) estão todos investindo em fotônica de silício para módulos ópticos de próxima geração optics.org. A tecnologia está se tornando uma pedra angular tanto da infraestrutura física da Internet quanto do ecossistema em rápida evolução das comunicações 5G/6G.

Sensoriamento e LiDAR

A fotônica de silício não se resume apenas a comunicações – ela também está viabilizando novos tipos de sensores ao aproveitar o controle preciso da luz no chip. Uma área empolgante é o sensoriamento bioquímico e ambiental. Sensores fotônicos de silício podem detectar pequenas mudanças no índice de refração ou absorção quando uma amostra (como uma gota de sangue ou vapor químico) interage com um feixe de luz guiado. Por exemplo, um chip fotônico de silício pode ter um pequeno ressonador de anel ou interferômetro que muda de frequência quando certas moléculas se ligam a ele. Isso permite o sensoriamento estilo laboratório-em-um-chip de biomarcadores – proteínas, DNA, gases, etc. – com alta sensibilidade e potencialmente baixo custo. Esses biossensores fotônicos podem ser usados para diagnósticos médicos, monitoramento ambiental ou até mesmo aplicações de “nariz artificial” optics.org optics.org. As vantagens de miniaturização e integração são fundamentais: um único chip sensor fotônico de silício pode integrar fontes de luz, elementos sensores e fotodetectores, oferecendo um sensor compacto e robusto em vez de equipamentos ópticos volumosos de laboratório. Pesquisas em fotônica de nitreto de silício (uma variação que funciona melhor para comprimentos de onda visíveis) estão abrindo ainda mais aplicações de sensoriamento, já que o SiN pode guiar luz visível para detectar coisas como fluorescência ou sinais Raman que o silício puro não consegue.

Outro aplicativo em rápido crescimento é o LiDAR (Light Detection and Ranging) para veículos autônomos, drones e robótica. Os sistemas LiDAR emitem pulsos de laser e medem a luz refletida para mapear distâncias – essencialmente uma “visão a laser 3D”. As unidades LiDAR tradicionais geralmente dependem de varredura mecânica e lasers/detectores discretos, o que as torna caras e um tanto volumosas. A fotônica de silício oferece uma maneira de construir o LiDAR em um chip: integrando elementos de direcionamento de feixe, divisores, moduladores e detectores de forma monolítica. Um LiDAR fotônico de silício pode usar direcionamento de feixe em estado sólido (por exemplo, matrizes de fase óptica) para escanear o ambiente sem partes móveis. Isso reduz drasticamente o tamanho e o custo das unidades LiDAR. De fato, a Mobileye da Intel indicou que está usando circuitos integrados fotônicos de silício em seus sensores LiDAR de direção autônoma de próxima geração por volta de 2025 tanaka-preciousmetals.com. Tal integração pode reduzir os custos do LiDAR e permitir a implantação em massa em carros. O LiDAR baseado em fotônica de silício também pode alcançar varredura mais rápida e maior resolução ao aproveitar múltiplos comprimentos de onda ou técnicas de detecção coerente integradas ao chip. Como benefício adicional, essas soluções integradas tendem a consumir menos energia – um fator importante para veículos elétricos.

Segundo a Ansys, “as soluções LiDAR habilitadas por fotônica de silício são mais compactas, consomem menos energia e são menos caras de fabricar do que sistemas construídos a partir de componentes discretos.” ansys.com Isso resume bem por que empresas, de startups a gigantes da tecnologia, estão correndo para desenvolver LiDAR fotônico. Já estamos vendo protótipos de LiDAR FMCW (LiDAR de onda contínua modulada em frequência), que exige circuitos fotônicos delicados como lasers sintonizáveis e interferômetros. A fotônica de silício é uma plataforma natural para isso, e especialistas preveem que a fotônica integrada será fundamental para tornar o LiDAR FMCW viável em escala (por seu longo alcance e imunidade à interferência) optics.org optics.org. Em um futuro próximo, espere carros e drones equipados com pequenas unidades LiDAR baseadas em chip oferecendo alto desempenho – um produto direto da inovação em fotônica de silício.

Além do LiDAR, outros usos em sensores incluem giroscópios e sensores inerciais (usando giroscópios a laser em anel no chip para navegação) e espectrômetros (espectrômetros ópticos integrados para análise química). O ponto em comum é que a fotônica de silício traz a precisão da medição óptica em um formato miniaturizado e fabricável. Isso está abrindo novas possibilidades em eletrônicos de consumo (imagine um sensor óptico de saúde em um smartwatch), monitoramento industrial e instrumentos científicos.

Computação Quântica e Tecnologias Quânticas Fotônicas

Na busca por computadores quânticos, os fótons (partículas de luz) desempenham um papel único. Ao contrário dos elétrons, os fótons podem percorrer longas distâncias sem interagir com o ambiente (útil para transmitir informação quântica), e certos esquemas de computação quântica usam os próprios fótons como qubits. A fotônica de silício surgiu como uma plataforma líder para pesquisas em computação e redes quânticas.

Diversas startups e grupos de pesquisa estão trabalhando em computadores quânticos fotônicos que utilizam circuitos fotônicos baseados em silício para gerar e manipular qubits codificados em luz. Por exemplo, a PsiQuantum, uma startup fortemente financiada, está fazendo parceria com uma fábrica de semicondutores para construir um computador quântico em larga escala usando milhares de canais de qubits fotônicos de silício. A ideia é integrar dispositivos como fontes de fótons únicos, divisores de feixe, moduladores de fase e detectores de fótons em um chip para realizar lógica quântica com fótons. A vantagem da fotônica de silício aqui é a escalabilidade – porque aproveita a fabricação CMOS, pode-se (em princípio) criar circuitos fotônicos quânticos muito complexos com centenas ou milhares de componentes, o que é muito mais difícil em outras abordagens de hardware quântico. De fato, pesquisadores demonstraram recentemente chips fotônicos de silício com milhares de componentes trabalhando juntos para manipulação de luz quântica nature.com.

A fotônica de silício também viabiliza redes quânticas – comunicações seguras usando distribuição de chave quântica (QKD) e fótons emaranhados – ao fornecer uma plataforma para transmissores e receptores ópticos quânticos compactos e estáveis. Além disso, certas tecnologias de sensores quânticos (como giroscópios quânticos ópticos ou LiDAR de fóton único) podem usar chips fotônicos de silício em seu núcleo.

Um grande desafio na computação quântica fotônica é gerar fótons únicos sob demanda e roteá-los com baixa perda. Curiosamente, as mesmas limitações (e soluções) que se aplicam à fotônica de silício clássica se aplicam na quântica: o silício não emite laser nativamente, então chips fotônicos quânticos frequentemente usam processos não lineares integrados ou fontes de pontos quânticos para criar fótons únicos, ou fazem integração híbrida de materiais especializados. Os benefícios são semelhantes – alta precisão e miniaturização. Como observa o relatório da Ansys, computadores quânticos usam fótons para cálculos, e gerenciar esses fótons com fotônica integrada traz vantagens de velocidade, precisão e custo ansys.com. Na prática, a fotônica de silício pode fornecer a estabilidade e capacidade de fabricação necessárias para escalar sistemas quânticos de experimentos de laboratório para máquinas reais.

Além da computação, sensores quânticos fotônicos (como interferômetros que exploram estados quânticos para maior sensibilidade) e geradores quânticos de números aleatórios são outras áreas onde a fotônica de silício está causando impacto. Embora a computação quântica fotônica ainda esteja em desenvolvimento e provavelmente a alguns anos da maturidade, o grande investimento nesse campo destaca seu potencial. Em 2022, um pesquisador de destaque, Prof. John Bowers, destacou que a fotônica de silício estava avançando rapidamente com muitas novas aplicações, incluindo a quântica, no horizonte nature.com. É previsível que os primeiros computadores quânticos em larga escala possam, na verdade, ser ópticos construídos em chips fotônicos de silício – um fascinante ciclo completo em que uma tecnologia inicialmente desenvolvida para telecomunicações pode viabilizar o próximo salto na computação.

Tendências e Desenvolvimentos Atuais (2025)

Em 2025, a fotônica de silício está ganhando um impulso tremendo. Diversas tendências convergiram para levar essa tecnologia dos laboratórios e usos de nicho para o mainstream da indústria de tecnologia:

Gargalo de Dados e Óptica Co-embalada: A demanda insaciável por dados (especialmente de IA e serviços em nuvem) tornou as interconexões elétricas um sério gargalo. Chegamos ao ponto em que, cada vez que você dobra a largura de banda de uma interconexão, precisa reduzir pela metade o comprimento do cabo de cobre para manter a integridade do sinal nextplatform.com – uma troca insustentável. Essa urgência destacou abordagens como óptica co-embalada (CPO), onde motores ópticos são colocados bem ao lado de ASICs de switches ou chips de processadores para eliminar quase toda a distância de transmissão elétrica. Em 2023, várias empresas demonstraram óptica co-embalada em switches (por exemplo, os protótipos de switches de 25,6 Tb/s e 51,2 Tb/s da Broadcom com motores fotônicos a laser integrados). Os roteiros da indústria sugerem que chips de switches Ethernet de 51,2 Tb/s com fotônica de silício co-embalada devem chegar ao mercado no próximo ano ou dois tanaka-preciousmetals.com, e que por volta de 2026–2027, provavelmente veremos os primeiros CPUs/GPUs que utilizam E/S óptica diretamente nextplatform.com. Em outras palavras, a era óptica das interconexões está prestes a nascer em sistemas práticos. Empresas como Intel, Nvidia e Cisco estão todas desenvolvendo ativamente soluções de CPO. Na verdade, o projeto Tomambe da Intel e outros já demonstraram motores fotônicos de 1,6 Tb/s integrados a chips de switches tanaka-preciousmetals.com. O consenso geral: após anos de pesquisa, a óptica co-embalada está passando de protótipo para produto, visando reduzir o consumo de energia por bit ao aproximar as fontes de luz da fonte de dados (economia de 30% de energia em relação aos pluggables, em uma estimativa laserfocusworld.com).
Aumento de Investimentos e Atividade de Startups: Nos últimos anos, houve investimentos e financiamentos significativos em empresas de fotônica de silício. Isso reflete a confiança que a indústria tem no futuro da tecnologia. Por exemplo, no final de 2024, a Ayar Labs levantou uma rodada Série D de US$ 155 milhões (alçando-a ao status de “unicórnio” com avaliação superior a US$ 1 bilhão) para expandir suas soluções ópticas de I/O; notavelmente, essa rodada incluiu investimentos estratégicos da própria Nvidia, AMD e Intel nextplatform.com. Da mesma forma, a startup de computação fotônica Lightmatter garantiu US$ 400 milhões em financiamento em 2024 para avançar sua plataforma óptica de acelerador de IA nextplatform.com. Outra startup, Celestial AI, que foca em interconexões ópticas para IA, não apenas levantou US$ 175 milhões no início de 2024, mas também adquiriu o portfólio de propriedade intelectual de fotônica de silício da Rockley Photonics (uma empresa de fotônica anteriormente focada em sensores) por US$ 20 milhões em outubro de 2024 datacenterdynamics.com. Essa aquisição deu à Celestial AI mais de 200 patentes em fotônica de silício e sinaliza uma certa consolidação no setor – empresas menores com tecnologia fotônica valiosa (a Rockley havia desenvolvido moduladores avançados e óptica integrada para wearables) estão sendo absorvidas por companhias que miram os mercados de data center e IA. Também vimos HyperLight e Lightium, duas startups especializadas em chips fotônicos de nióbio de lítio em filme fino, atraírem um investimento combinado de US$ 44 milhões em 2023 optics.org, destacando o interesse em novos materiais para aprimorar a fotônica de silício (moduladores TFLN podem oferecer velocidades mais altas e baixa perda). No geral, o financiamento de capital de risco e o apoio corporativo para empresas de fotônica de silício estão em seu nível mais alto, refletindo a percepção de que a tecnologia óptica é fundamental para os semicondutores do futuro.
Maturação da Tecnologia e Crescimento do Ecossistema: Outra tendência é a maturação do ecossistema de fotônica de silício. Mais foundries e fornecedores agora estão participando. No passado, apenas alguns players (como Intel ou Luxtera) tinham capacidades de ponta a ponta. Agora, grandes foundries de semicondutores como GlobalFoundries, TSMC e até mesmo STMicroelectronics oferecem linhas de processo de fotônica de silício ou PDKs fotônicos padronizados (Process Design Kits) para clientes ansys.com. Essa padronização significa que startups ou empresas menores podem projetar circuitos fotônicos e mandá-los fabricar sem precisar construir sua própria fábrica – de forma análoga ao funcionamento das empresas fabless de chips eletrônicos. Existem rodadas regulares de wafer multiprojeto (MPW) para chips fotônicos, onde vários projetos compartilham uma rodada de wafer, reduzindo drasticamente o custo de prototipagem. Grupos da indústria estão trabalhando em soluções padronizadas de encapsulamento (interfaces ópticas de I/O, métodos de fixação de fibra) para que chips fotônicos possam ser integrados mais facilmente em produtos. O estabelecimento do American Institute for Manufacturing Integrated Photonics (AIM Photonics) foi um grande impulso: este consórcio público-privado montou uma foundry e linha de encapsulamento de fotônica de silício em Nova York e foi recentemente premiado com um programa de US$ 321 milhões por 7 anos (até 2028) para avançar a manufatura de fotônica integrada nos EUA. nsf.gov. Da mesma forma, na Europa, institutos de pesquisa como o IMEC na Bélgica e o CEA-Leti na França estão fornecendo plataformas de fotônica de silício e fomentaram um cluster de startups de fotônica. Na China, a fotônica de silício também está aquecendo, com empresas como InnoLight e Huawei investindo em capacidades domésticas de chips fotônicos optics.org optics.org. Todos esses desenvolvimentos indicam que a fotônica de silício não é mais uma tecnologia experimental – está se tornando uma parte padrão da caixa de ferramentas dos semicondutores.
Velocidades mais altas e novos materiais: Do ponto de vista tecnológico, estamos vendo um progresso rápido no aumento do desempenho dos dispositivos fotônicos de silício. Transceptores ópticos de 800G já estão em fase de amostragem, módulos de 1,6 Tb/s já foram demonstrados optics.org, e módulos plugáveis de 3,2 Tb/s são esperados até 2026 optics.org. Para alcançar essas velocidades, engenheiros estão empregando desde multiplexação por comprimento de onda de 16 canais até formatos avançados de modulação – basicamente aproveitando o domínio óptico para embutir mais bits. No nível do dispositivo, novos materiais estão sendo integrados à fotônica de silício para superar as limitações do silício. Um exemplo principal é o lítio nióbato em filme fino (TFLN) sobre silício, que fornece moduladores de efeito Pockels muito rápidos e com baixa perda. Isso pode permitir moduladores que suportam larguras de banda de modulação acima de 100 GHz, adequados para futuros links de 1,6T e 3,2T ou até mesmo para aplicações quânticas optics.org. Startups como a HyperLight estão comercializando esses chips híbridos de LiNbO3/Si. Outros materiais em pesquisa e desenvolvimento incluem moduladores eletro-ópticos de titanato de bário (BTO) e materiais dopados com terras raras para lasers/amplificadores integrados optics.org. Também há trabalho contínuo na integração de semicondutores III-V (InP, GaAs) ao silício para lasers e amplificadores ópticos melhores – por exemplo, lasers de pontos quânticos cultivados diretamente sobre silício avançaram muito, resolvendo problemas de confiabilidade que prejudicaram tentativas anteriores nature.com nature.com. Em resumo, a paleta de materiais para fotônica de silício está se ampliando, o que resultará em maior desempenho e novas funcionalidades. Já estamos vendo até microcombs (fontes de pente de frequência óptica) baseados em fotônica de silício sendo usados para aplicações como transmissão de dados ultrarrápida e espectroscopia precisa, algo que pareceria improvável há uma década.
Aplicações e Produtos Emergentes: Junto com as aplicações principais, alguns novos casos de uso estão surgindo em 2025. Um deles é a computação óptica para IA (discutida anteriormente), que está passando de demonstrações de pesquisa para os primeiros produtos – por exemplo, a Lightelligence lançou um hardware de computação fotônica para acelerar a inferência de IA. Outro é o link óptico chip-a-chip em encapsulamento avançado: à medida que as empresas exploram módulos multichip e chiplets, links ópticos podem conectar esses chiplets em alta velocidade através de um encapsulamento ou interposer. Padrões como o UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express) estão até considerando extensões ópticas de PHY. Também estamos vendo interesse governamental: a DARPA e outras agências têm programas para usar interconexões fotônicas em sistemas de defesa (para processamento de alto desempenho e roteamento de sinais RF). E no espaço de consumo, há especulações de que, em alguns anos, E/S óptica pode aparecer em dispositivos de consumo – por exemplo, um headset AR/VR usando um chip fotônico de silício para links de sensores de alta largura de banda, ou um cabo Thunderbolt óptico para óculos AR. Embora ainda não estejam disponíveis, essas ideias já estão no papel.

Em resumo, 2025 encontra a fotônica de silício em um ponto de inflexão: produtos comerciais significativos estão sendo lançados (especialmente em redes), grandes investimentos estão sendo feitos e o ecossistema está amadurecendo. Está cada vez mais claro que a óptica terá um papel fundamental na computação e conectividade daqui para frente. Como disse um comentarista do setor, na segunda metade desta década muitos esperam que a E/S óptica passe de linhas piloto para produção em larga escala – “a geração de motores de computação de 2025 pode não ter fotônica de silício, mas a geração de 2026 pode ter e a de 2027 quase certamente terá”, porque, no fim das contas, não temos escolha – “o tempo do cobre acabou.” nextplatform.com

Desafios e Limitações

Apesar de toda a empolgação, a fotônica de silício enfrenta diversos desafios e limitações que pesquisadores e engenheiros estão trabalhando ativamente para superar. É uma tecnologia transformadora, mas não uma solução mágica – pelo menos ainda não. Aqui estão os principais obstáculos:

Integrando Fontes de Luz: Talvez a limitação mais infame seja que o silício não é bom para gerar luz. O silício possui uma banda proibida indireta, o que significa que ele não pode atuar como um laser ou LED eficiente. Como o pioneiro em fotônica John Bowers afirma de forma direta, “O silício é incrivelmente ruim como emissor de luz.” nature.com Sua eficiência interna é quase zero – cerca de um em um milhão de elétrons no silício produzirá um fóton – enquanto semicondutores III-V como fosfeto de índio ou arseneto de gálio podem emitir luz com eficiência próxima de 100% nature.com. Isso significa que, para ter lasers em um chip fotônico de silício, normalmente é necessário introduzir outros materiais. Isso pode ser feito por integração híbrida (colando uma peça de wafer de InP com diodos laser sobre o wafer de silício) ou por técnicas mais recentes, como o crescimento direto de lasers III-V nanoestruturados sobre o silício. O progresso nessa área tem sido promissor: empresas e laboratórios (Intel, UCSB, etc.) já demonstraram lasers integrados híbridos em escala, e recentemente até lasers de pontos quânticos cultivados em wafers de silício de 300 mm com boa confiabilidade nature.com nature.com. Ainda assim, integrar lasers adiciona complexidade e custo. Se o laser estiver fora do chip (em um módulo de laser separado acoplado via fibra), você então enfrenta o desafio de acoplar essa luz de forma eficiente nas minúsculas guias de onda do chip. Em resumo, colocar luz no chip é uma tarefa nada trivial. A indústria está explorando soluções como integração heterogênea (múltiplos materiais em um chip) e até abordagens inovadoras como lasers de Germânio-Silício bombeados eletricamente ou lasers Raman em silício, mas essas ainda estão surgindo. Em 2025, a maioria dos sistemas de fotônica de silício utiliza lasers híbridos ou lasers externos acoplados. Esta é uma das principais áreas de pesquisa em andamento.
Fabricação e Rendimento: Circuitos fotônicos de silício podem ser fabricados em fábricas existentes, mas eles têm requisitos diferentes dos chips eletrônicos. Por exemplo, a óptica exige um controle muito preciso das dimensões – variações de apenas alguns nanômetros na largura ou espaçamento das guias de onda podem alterar o comprimento de onda dos ressonadores ou a fase da luz. Alcançar alto rendimento (ou seja, desempenho consistente em muitos chips) é um desafio. Além disso, integrar vários tipos de materiais (silício, nitreto de silício, III-Vs, metais) em um único fluxo de processo pode introduzir complexidade. Acoplar fibras ao chip também é um desafio de rendimento e fabricação; alinhar fibras ópticas minúsculas a facetas de guias de onda em escala micrométrica atualmente muitas vezes envolve alinhamento ativo caro. Algumas dessas etapas ainda são semi-manuais na fabricação, o que não escala bem. Há muito trabalho em melhorar técnicas de encapsulamento, como o uso de unidades padronizadas de fixação de fibra ou a incorporação de acopladores de grade que permitem que as fibras acoplem luz por cima do chip com mais facilidade. O encapsulamento de chips combinados eletrônicos + fotônicos também é complicado – por exemplo, se você tem um die fotônico e um ASIC eletrônico no mesmo pacote, é preciso alinhá-los e também gerenciar o calor (já que eletrônicos funcionando quentes podem perturbar a fotônica). A Ansys observa que, se eletrônica e fotônica compartilham um chip, a abordagem de fabricação deve equilibrar as necessidades de cada um, e se forem chips separados, é necessário um encapsulamento avançado – “a geração de calor na eletrônica pode impactar a fotônica.” ansys.com O ajuste térmico é outro problema: muitos filtros e moduladores fotônicos de silício dependem de efeitos térmicos, então mudanças de temperatura podem desafinar circuitos, exigindo energia para estabilizar. Tudo isso complica a fabricação e aumenta o custo.
Custo e Volume: Falando de custo – enquanto a fotônica de silício promete baixo custo ao aproveitar fábricas de silício de alto volume, a realidade atual é que esses dispositivos ainda são relativamente nichados e caros. A indústria envia milhões de unidades (como transceptores em data centers), mas para realmente reduzir os custos, provavelmente seria necessário enviar bilhões de unidades anualmente ansys.com. Em outras palavras, ainda não atingiu a escala da eletrônica de commodities. Os dispositivos também costumam exigir encapsulamento especializado (como mencionado) e testes, o que adiciona custo. Um transceptor fotônico de silício atual para data centers pode custar centenas ou milhares de dólares, o que é aceitável para esse mercado, mas alto demais para mercados de consumo. A economia é um pouco incerta em escala muito grande – como um relatório apontou, grandes compradores de nuvem se preocupam com a confiabilidade e estrutura de custos caso adotem amplamente a fotônica de silício, já que a tecnologia ainda não atingiu a curva de aprendizado de fabricação do silício convencional nextplatform.com. No entanto, os custos estão melhorando gradualmente, e esforços como PDKs padronizados de fundição e automação estão ajudando. Nos próximos anos, à medida que o volume aumentar (impulsionado por IA e data centers), devemos ver os custos caírem, o que por sua vez abrirá mais mercados (é um ciclo virtuoso quando começa). Ainda assim, em 2025 o custo por dispositivo pode ser um fator limitante para a adoção da fotônica de silício em aplicações sensíveis a custo.
Consumo de Energia e Eficiência: Embora a fotônica de silício possa reduzir o consumo de energia para transferência de dados em altíssimas velocidades, os próprios dispositivos ainda consomem energia – por exemplo, moduladores frequentemente usam ajuste térmico ou junções PN que consomem corrente, e lasers obviamente consomem energia. Há uma sobrecarga na conversão de sinais eletrônicos para ópticos e vice-versa. Para realmente economizar energia no nível do sistema, essas sobrecargas precisam ser menores do que as economias obtidas ao eliminar longos links elétricos. Os transceptores fotônicos de silício atuais são bastante eficientes em termos de energia (na ordem de alguns picojoules por bit para a conversão óptica), mas há uma pressão para reduzir ainda mais, especialmente se a E/S óptica for usada no chip ou em barramentos de memória onde a eficiência precisa ser muito alta. Uma abordagem promissora é usar materiais eletro-ópticos (como LiNbO3 ou BTO) que podem modular a luz com voltagem muito baixa (e, portanto, menor consumo de energia) em vez de ajuste térmico. Além disso, integrar fontes de luz mais eficientes (como lasers de pontos quânticos) pode reduzir o desperdício de energia dos lasers (os lasers atuais de feedback distribuído frequentemente desperdiçam muita energia como calor). Portanto, enquanto a fotônica de silício resolve o problema de energia dos interconectores em macroescala, em microescala os engenheiros ainda estão otimizando o consumo de energia dispositivo a dispositivo. A boa notícia: mesmo com a tecnologia atual, óptica co-embalada pode reduzir o consumo total de energia dos interconectores em ~30% em relação aos pluggables tradicionais laserfocusworld.com, e melhorias futuras provavelmente aumentarão esses ganhos.
Design e Ferramentas de Design: Este é um desafio menos óbvio, mas importante: projetar circuitos fotônicos é uma nova competência, e as EDA (Electronic Design Automation) tools para fotônica não são tão maduras quanto as de eletrônica. Simular circuitos ópticos, especialmente grandes com muitos componentes, pode ser complexo. A variabilidade na fabricação precisa ser considerada no projeto (pode ser necessário usar sintonizadores térmicos para corrigir pequenos erros). Há necessidade de melhores ferramentas de design que possam co-otimizar as partes eletrônicas e fotônicas do circuito, frequentemente chamadas de EPDA (Electronic Photonic Design Automation). O ecossistema está se atualizando – empresas como Synopsys, Cadence e Lumerical (Ansys) possuem ferramentas para design fotônico – mas ainda é um campo em evolução. Uma questão relacionada é a falta de padrões em algumas áreas: embora muitas foundries ofereçam PDKs, cada uma pode ter diferentes bibliotecas de componentes e parâmetros. Isso pode tornar os projetos menos portáveis do que os eletrônicos. A indústria está caminhando para padrões comuns (por exemplo, o formato de troca de layout para circuitos fotônicos, ou modelos de componentes padronizados), mas ainda é necessário mais trabalho para simplificar o fluxo de design. Construir uma cadeia de talentos robusta também é crucial: são necessários engenheiros que entendam tanto o design analógico em estilo RF/micro-ondas quanto a física óptica, e eles são escassos (embora muitas universidades agora estejam formando graduados nessa interdisciplinaridade).
Limitações de Desempenho: Embora a fotônica em silício melhore drasticamente certos parâmetros, ela possui suas próprias limitações físicas. Perda óptica em guias de onda, embora baixa (~dB/cm), se acumula em circuitos grandes, e curvas fechadas ou recursos pequenos podem aumentar a perda. Também há a perda de acoplamento fibra-chip a ser minimizada. Sensibilidade térmica do silício (o índice de refração muda com a temperatura) significa que muitos circuitos fotônicos de silício precisam de estabilização ou calibração. Limitações de largura de banda podem surgir em moduladores ou detectores – por exemplo, moduladores de anel de silício têm largura de banda finita e podem ser sensíveis à temperatura, enquanto moduladores Mach-Zehnder precisam de engenharia cuidadosa para atingir velocidades muito altas sem distorção. Dispersão cromática em guias de onda pode limitar aplicações de comprimento de onda muito amplo (embora geralmente não seja um problema nas curtas distâncias do chip). Outro ponto sutil: a integração eletrônico-fotônica significa que muitas vezes é preciso co-projetar a eletrônica (como amplificadores de driver, TIAs para detectores) com a fotônica. A interface entre eles pode limitar o desempenho geral (por exemplo, se um modulador precisa de uma determinada amplitude de tensão, é necessário um driver que possa fornecer isso rapidamente). Assim, a engenharia de sistema é complexa. Além disso, nem todas as aplicações justificam a fotônica – para links muito curtos e de baixa velocidade, a solução elétrica pode ainda ser mais barata e simples. Portanto, saber onde implantar a fotônica em silício para obter o máximo benefício é, por si só, uma consideração.

Em resumo, embora nenhum desses desafios seja impeditivo, eles, coletivamente, significam que a fotônica de silício ainda tem um caminho de evolução pela frente. Muitas das mentes mais brilhantes em fotônica e eletrônica estão ativamente enfrentando esses problemas: integrando lasers melhores, aprimorando o empacotamento, escalando a produção e expandindo as capacidades de design. O progresso, mesmo nos últimos anos, é animador. Como observou o Prof. Bowers, desafios como integrar lasers III-V ao CMOS, melhorar os rendimentos e a conexão com fibras, e reduzir custos estão todos sendo enfrentados com “progresso… muito rápido.” nature.com A cada ano surgem melhorias, e a distância entre o protótipo de laboratório e a produção em massa fica um pouco menor. Vale lembrar que os CIs eletrônicos tiveram décadas de esforço intenso para chegar à escala atual – a fotônica de silício, em comparação, está em uma fase muito mais inicial de sua trajetória, mas está avançando rapidamente.

Principais Empresas e Instituições na Área

A fotônica de silício tornou-se um esforço global, com muitas empresas (de startups a gigantes da tecnologia) e instituições de pesquisa impulsionando o campo. Segundo pesquisas de mercado, os principais players no mercado de fotônica de silício (em 2025) incluem grandes nomes da indústria como Cisco, Intel e IBM, ao lado de especialistas como NeoPhotonics (Lumentum), Hamamatsu Photonics e STMicroelectronics expertmarketresearch.com. Aqui está uma visão geral de alguns dos principais contribuintes:

Intel Corporation (EUA): Pioneira em fotônica de silício, a Intel investiu cedo e pesadamente na tecnologia. Ela introduziu um dos primeiros transceptores fotônicos de silício de 100G em 2016 e já enviou milhões de dispositivos desde então optics.org. A Intel utiliza fotônica de silício em transceptores ópticos de alta velocidade e está impulsionando seu uso em futuras CPUs de servidores e aplicações de edge. A visão da empresa é “permitir o crescimento futuro da largura de banda dos data centers” com fotônica, escalando de 100G para 400G e além, e integrar óptica com processadores para aplicações como 5G e veículos autônomos expertmarketresearch.com, tanaka-preciousmetals.com. A divisão de Fotônica de Silício da Intel recentemente fez parceria com a Jabil para fabricação, indicando uma maturação rumo à produção em grande escala optics.org. A Intel também está pesquisando óptica co-embalada para switches e tem participação em várias startups de fotônica (como a Ayar Labs).
Cisco Systems (EUA): A Cisco, gigante de redes, entrou na fotônica de silício por meio de aquisições (por exemplo, adquirindo a Luxtera em 2019) e agora é uma das principais fornecedoras de transceptores ópticos fotônicos de silício para data centers e telecom. A Cisco utiliza sua tecnologia fotônica em produtos que vão de módulos plugáveis de 100G/400G até futuros switches ópticos co-embalados. As soluções da Cisco se beneficiam do design interno de CIs fotônicos que alcançam alta densidade e eficiência energética. Ao aproveitar a fotônica de silício, a Cisco oferece aos clientes interconexões de alta velocidade com formatos menores. Em 2025, a Cisco é uma das líderes de mercado enviando fotônica de silício em volume expertmarketresearch.com.
IBM Corporation (EUA): A IBM tem uma longa história em pesquisa de interconexão óptica. Sua equipe de Fotônica de Silício, com mais de uma década de P&D, desenvolveu tecnologia de link óptico de alta velocidade voltada para interconexões em nível de placa e processador expertmarketresearch.com. A pesquisa da IBM produziu avanços em moduladores microrresonadores de silício, multiplexação por comprimento de onda e encapsulamento. Embora a IBM não venda transceptores como a Intel ou a Cisco, ela frequentemente colabora em protótipos (por exemplo, IBM e Mellanox apresentaram uma interconexão óptica para servidores em 2015). O foco da IBM é usar a fotônica para resolver gargalos de computação (por exemplo, o processador POWER10 usa links fotônicos para sinalização off-chip via parcerias). A IBM também contribui para padrões e pesquisa aberta; seu trabalho frequentemente aparece em conferências como OFC e CLEO.
NeoPhotonics/Lumentum (EUA): A NeoPhotonics (agora parte da Lumentum desde 2022) é especializada em lasers e componentes fotônicos para telecomunicações e data centers. Eles desenvolveram lasers de luz ultrapurificada sintonizáveis e moduladores de alta velocidade. Notavelmente, a NeoPhotonics introduziu subconjuntos ópticos coerentes fotônicos de silício (COSAs) para comunicações de 400G por comprimento de onda, e estava pesquisando 800G e além expertmarketresearch.com. Como parte da Lumentum (um grande player da indústria óptica), essa expertise está contribuindo para transceptores coerentes e pluggables de próxima geração para telecomunicações. A propriedade da Lumentum significa que esses produtos de fotônica de silício podem ser integrados ao portfólio fotônico já existente da Lumentum (por exemplo, seus moduladores e amplificadores de fosfeto de índio).
Hamamatsu Photonics (Japão): Líder em componentes optoeletrônicos, a Hamamatsu fabrica uma ampla gama de dispositivos fotônicos (fotodiodos, fotomultiplicadores, sensores de imagem, etc.). A Hamamatsu adotou processos de silício para produzir itens como matrizes de fotodiodos de silício e sensores ópticos baseados em silício expertmarketresearch.com. Embora não seja tão focada em transceptores de alta velocidade, o trabalho da Hamamatsu em fotônica de silício é crucial em sensoriamento e instrumentação científica. Eles fornecem fotodiodos PIN de silício, APDs e chips de sensores ópticos que são fundamentais para receptores de comunicação óptica e detectores LiDAR. Sua expertise em fotônica de baixa emissão de ruído e alta sensibilidade complementa o lado das comunicações digitais da fotônica de silício.
STMicroelectronics (Suíça/Europa): A STMicro é uma grande fabricante de semicondutores que desenvolveu sua própria capacidade em fotônica de silício. O foco da STMicro tem sido em soluções integradas de imagem e sensoriamento – por exemplo, eles produziram chips fotônicos de silício para giroscópios de fibra óptica e trabalharam em P&D de interconexão óptica em consórcios europeus. As fábricas avançadas e a capacidade em MEMS da STMicro a posicionam bem para fotônica de silício que requer integração com outros sensores ou eletrônicos expertmarketresearch.com. Países como França e Itália (onde a ST tem grandes operações) apoiam a fotônica por meio de iniciativas, e a ST frequentemente é parceira nessas ações. Também há rumores de que fornecem alguns componentes fotônicos de silício para sistemas industriais e automotivos.
GlobalFoundries (EUA) e TSMC (Taiwan): Esses fabricantes de chips por contrato estabeleceram cada um suas ofertas em fotônica de silício. A GlobalFoundries possui um processo de fotônica de silício de 45 nm bem conhecido (GF 45CLO) e fez parcerias com startups como a Ayar Labs para fabricar chips de I/O óptico. A TSMC tem sido mais secreta, mas supostamente está trabalhando com grandes empresas de tecnologia para construir chips integrados fotônicos (por exemplo, alguns rumores sobre a Apple sugerem envolvimento da TSMC em sensores fotônicos). Ambas são fundamentais para escalar a produção – ter grandes foundries envolvidas significa que qualquer empresa fabless pode obter protótipos e produção em volume de chips fotônicos com mais facilidade. De fato, o envolvimento de foundries como essas é um forte indicativo de que a fotônica de silício está se tornando mainstream.
Infinera (EUA) e Coherent/II-VI (EUA): A Infinera é uma fabricante de equipamentos de telecomunicações que, desde cedo, defendeu os circuitos integrados fotônicos (embora em fosfeto de índio). Desde então, eles também passaram a usar fotônica de silício em alguns produtos ou para co-empacotamento com seus PICs de InP. A Coherent (que adquiriu a Finisar e depois adotou o nome Coherent) está profundamente envolvida em componentes ópticos; eles possuem suas próprias fábricas de InP, mas também desenvolvem transceptores fotônicos de silício para data centers optics.org. Essas empresas trazem um foco de nível telecom em confiabilidade e desempenho, impulsionando a fotônica de silício a atender aos requisitos de classe operadora (por exemplo, módulos 400ZR para links coerentes de longa distância).
Ayar Labs, Lightmatter e Startups: Uma onda de startups inovadoras está impulsionando a fotônica de silício para novas áreas. Discutimos Ayar Labs (I/O óptico para IA/HPC) e Lightmatter (computação óptica). Outros exemplos incluem Lightelligence (outra startup de chip de IA óptica), Luminous Computing (integrando fotônica e eletrônica para IA), Celestial AI (rede óptica para clusters de computação), OpenLight (uma joint venture oferecendo uma plataforma fotônica aberta com lasers integrados) e Rockley Photonics (focada em sensores de saúde, agora em sua maioria adquirida pela Celestial). Essas startups se destacam por suas abordagens ambiciosas – por exemplo, o núcleo tensor fotônico 3D-integrado da Lightmatter ou a tentativa da Luminous de construir um computador fotônico full-stack. Elas frequentemente colaboram com grandes empresas (por exemplo, a HPE fez parceria com a Ayar Labs para usar interconexões ópticas em uma malha de interconexão de supercomputador nextplatform.com). O cenário de startups é vibrante, e sua presença fez com que as empresas estabelecidas se movessem mais rápido. Um observador da indústria observou que, junto com a Ayar, empresas como Lightmatter e Celestial AI “todas têm chance de avançar à medida que a fotônica de silício faz a ponte entre motores de computação e interconexões.” nextplatform.com
Instituições Acadêmicas e de Pesquisa: Do lado institucional, as principais universidades e laboratórios nacionais são cruciais para o avanço da fotônica de silício. A Universidade da Califórnia, Santa Barbara (UCSB), sob o comando do Prof. John Bowers, tem sido uma potência, pioneira em lasers híbridos de silício e lasers de pontos quânticos em silício. MIT, Stanford, Columbia (com o grupo da Prof. Michal Lipson) e Caltech são outros polos de pesquisa em fotônica de silício nos EUA, trabalhando em tudo, desde novas físicas de moduladores até arquiteturas de computação fotônica. Na Europa, o IMEC, na Bélgica, conduz um programa proeminente de fotônica de silício e um serviço de wafer multiprojeto (iSiPP), e a Universidade de Southampton, TU Eindhoven, EPFL e outras possuem grupos fortes. O AIM Photonics institute nos EUA (mencionado acima) reúne muitas dessas universidades e empresas para colaborar e oferece uma capacidade nacional de fundição. Laboratórios governamentais como o MIT Lincoln Lab e o IMEC já demonstraram fotônica integrada sofisticada para defesa (por exemplo, matrizes de fases ópticas para LiDAR). Além disso, colaborações e conferências internacionais (como a Optical Fiber Conference, ISSCC, reuniões da IEEE Photonics Society) permitem que essas instituições compartilhem avanços. O campo se beneficia de um saudável fluxo academia-indústria: muitos fundadores de startups e líderes do setor foram treinados nesses laboratórios de pesquisa, e a pesquisa acadêmica contínua continua a expandir os limites (por exemplo, integração de novos materiais ou fotônica quântica, como mencionado).

Todos esses atores – grandes empresas de tecnologia, fabricantes especializados de componentes, startups ambiciosas e laboratórios de pesquisa de ponta – formam um ecossistema rico que impulsiona coletivamente a fotônica de silício. A competição e a colaboração entre eles estão acelerando a inovação. Notavelmente, até mesmo a geopolítica desempenha um papel: há uma percepção de uma corrida entre os EUA, Europa e China para ver quem liderará as tecnologias fotônicas csis.org, dada sua importância estratégica para comunicações e computação. Isso levou a um aumento dos investimentos públicos (por exemplo, o PhotonHub da UE e as iniciativas nacionais de fotônica da China). Para o entusiasta de tecnologia em geral, a lição é que muitas pessoas inteligentes e recursos significativos em todo o mundo estão sendo direcionados para fazer com que nossos futuros chips se comuniquem com luz.

Perspectivas e Citações de Especialistas

Ao longo da ascensão da fotônica de silício, especialistas da área ofereceram perspectivas que ajudam a contextualizar seu impacto. Aqui estão algumas percepções notáveis:

Sobre a Mudança de Paradigma da Fotônica de Silício: “Costumo descrever a fotônica de silício como mais do que uma melhoria incremental — é uma mudança de paradigma”, diz René Jonker, executivo da Soitec, enfatizando que, ao contrário dos interconectores de cobre que estão chegando ao limite, os enlaces ópticos oferecem uma forma sustentável de lidar com a crescente demanda por dados. Embora ainda existam desafios para reduzir custos e ampliar a fabricação, os benefícios – “maior largura de banda, menor latência e menor consumo de energia” – tornam a fotônica de silício “uma parte indispensável da nossa infraestrutura futura.” laserfocusworld.com
Sobre Energia e Óptica em Data Centers: Um comentário da Laser Focus World de 2025 destacou a urgência nos data centers: até o final da década, os data centers poderiam consumir 8% da eletricidade dos EUA se as tendências continuarem, o que é “insustentável com os interconectores elétricos existentes.” O autor concluiu que “os interconectores ópticos, viabilizados pela fotônica de silício, são o único caminho escalável para o futuro.” laserfocusworld.com Em outras palavras, para evitar uma crise de energia e largura de banda, migrar para enlaces ópticos não é apenas uma opção – é necessário.
Sobre os Desafios de Integração: O professor John Bowers (UCSB), uma referência em fotônica, comentou sobre o maior desafio: “O grande desafio é a integração de materiais III–V no CMOS de silício… Ainda há questões de altos rendimentos, alta confiabilidade, redução de custos e conexão de fibras. A embalagem de eletrônica e fotônica juntas é um desafio… Mas o progresso é muito rápido.” nature.com Isso ressalta que, embora integrar lasers (materiais III–V) e alcançar rendimentos perfeitos seja difícil, líderes da indústria como a Intel estão avançando rapidamente e soluções estão a caminho.
Sobre Emissão de Luz em Silício: Na mesma entrevista, Bowers deu uma explicação clara de por que os lasers precisam de algo além do silício: “O silício é incrivelmente ruim como emissor de luz. Sua eficiência quântica interna é de cerca de uma parte em um milhão, enquanto a eficiência de um III–V de gap direto é essencialmente 100%. Eu sabia desde o início que precisávamos de um semicondutor de gap direto…” nature.com. Essa avaliação direta explica por que sua equipe buscou lasers híbridos (ligando InP ao Si) desde cedo – uma abordagem que deu resultado com o laser híbrido de silício da Intel em 2007 e depois.
Ao Alcançar o Servidor com Óptica: O Diretor Sênior de Fotônica da Intel, Robert Blum, ilustrou como a óptica está avançando nos data centers: “Quando você entra em um data center hoje, verá cabos de cobre de 100 Gb/s… adequados para quatro metros. Mas tudo além do rack já está usando óptica. À medida que aumentamos para 200 ou 400 Gb/s, [o] alcance do cobre se torna muito menor e começamos a ver essa tendência em que a óptica vai até o servidor.” tanaka-preciousmetals.com Esta citação captura vividamente a transição em andamento – a óptica está substituindo gradualmente o cobre do núcleo da rede até as bordas.
Sobre o Crescimento do Mercado e IA: “A ascensão da IA impulsionou uma demanda sem precedentes por transceptores de alto desempenho… A fotônica de silício e os PICs estão na vanguarda dessa revolução,” observa Sam Dale, analista de tecnologia da IDTechX, destacando a capacidade da fotônica de silício de entregar “velocidades de 1,6 Tbps e além.” optics.org Seu relatório prevê que o mercado de circuitos integrados fotônicos pode crescer quase dez vezes até 2035 (para US$ 54 bilhões), impulsionado principalmente pelas necessidades de data centers de IA optics.org.
Sobre o Futuro da Computação: Analistas do The Next Platform preveem que a E/S óptica chegará aos sistemas HPC em breve. Eles observam que até 2026–2027, provavelmente veremos CPUs/GPUs convencionais com interfaces ópticas, porque “no curto prazo, não temos escolha.” Em sua expressão colorida, “O tempo do cobre acabou.” nextplatform.com Isso resume um sentimento comum na indústria: conexões elétricas não serão suficientes para a próxima era da computação, e a fotônica deve assumir para evitar um impasse.

Essas percepções dos especialistas destacam tanto as promessas quanto os desafios da fotônica de silício. Há um tema consistente: a fotônica de silício é transformadora – permitindo um salto necessário em desempenho – mas vem acompanhada de sérios desafios tecnológicos que estão sendo rapidamente enfrentados. Os especialistas destacam uma mistura de otimismo (a mudança de paradigma, futuro indispensável) e realismo (questões de integração, preocupações com custo e escala). Suas perspectivas ajudam o público geral a entender por que tantas empresas e pesquisadores estão entusiasmados com a fotônica de silício, e também por que levou algumas décadas para essa tecnologia decolar. Ouvir das vozes daqueles que estão na linha de frente – seja um pesquisador veterano ou um gerente de produto – dá contexto de que este é um campo onde física, engenharia e forças de mercado se cruzam de maneiras fascinantes.

Notícias Recentes e Marcos

O cenário da fotônica de silício é muito dinâmico. Aqui estão alguns destaques de notícias recentes e marcos (do último ano ou mais) que ilustram o rápido progresso do campo:

Celestial AI adquire propriedade intelectual da Rockley Photonics (out 2024): A Celestial AI, uma startup que desenvolve interconexões ópticas Photonic Fabric™ para IA, anunciou que adquiriu o portfólio de patentes de fotônica de silício da Rockley Photonics por US$ 20 milhões datacenterdynamics.com. A Rockley havia desenvolvido sensores fotônicos de silício avançados e havia mudado o foco para wearables de saúde antes de enfrentar a falência. Este acordo deu à Celestial AI mais de 200 patentes, incluindo tecnologia para moduladores eletro-ópticos e comutação óptica útil em aplicações de data center datacenterdynamics.com. É uma consolidação significativa, indicando o quão valiosa a propriedade intelectual em fotônica se tornou no espaço de IA/data center. As inovações da Rockley (como lasers de banda larga para detecção) podem ganhar nova vida integradas às soluções de interconexão óptica da Celestial.
Grande financiamento para startups – Ayar Labs & Lightmatter (final de 2024): Duas startups dos EUA conseguiram grandes rodadas de financiamento. Ayar Labs fechou uma rodada Série D de US$ 155 milhões em dez 2024, com participação de líderes da indústria de semicondutores (Nvidia, Intel, AMD participaram junto com VCs) nextplatform.com. Esta rodada elevou a avaliação da Ayar para mais de US$ 1 bilhão, sinalizando confiança em sua tecnologia óptica de I/O integrada ao pacote, que visa substituir o I/O elétrico em futuros processadores. Poucas semanas antes, a Lightmatter levantou US$ 400 milhões em Série D (out 2024), dobrando seu financiamento total e avaliando-a em US$ 4,4 bilhões nextplatform.com. A Lightmatter vem desenvolvendo chips de computação fotônica e tecnologia de interposer óptico para aceleração de IA. Investimentos tão grandes são notáveis – mostram que investidores (e parceiros estratégicos) acreditam que essas startups podem resolver problemas críticos em IA e computação com tecnologia óptica. Isso também significa que podemos esperar que essas empresas passem de protótipos para produtos; de fato, a Lightmatter já está implantando sistemas de teste e os chiplets ópticos da Ayar estão previstos para uso piloto em sistemas HPC.
Intel terceiriza transceptores para a Jabil (final de 2023): Em uma reviravolta interessante, a Intel no final de 2023 decidiu transferir seu negócio de transceptores fotônicos de silício de alto volume para a Jabil, uma parceira de manufatura optics.org. A Intel já havia enviado mais de 8 milhões de chips de transceptores fotônicos desde 2016 optics.org – estes são usados para conectividade de 100G/200G em data centers. Ao repassar a produção para a Jabil (uma fabricante contratada), a Intel sinalizou uma mudança estratégica: vai focar na integração da fotônica com suas plataformas principais (como óptica co-embalada e fotônica no processador), enquanto deixa para a parceira o mercado de transceptores já comoditizado. Esse movimento também reflete a maturidade do setor – o que era tecnologia de ponta há alguns anos (pluggables de 100G) agora já é rotineiro o suficiente para ser terceirizado. A Jabil, por sua vez, está expandindo a fabricação óptica, o que pode potencialmente atender outros clientes também. A colaboração entre Intel e Jabil foi destacada como um desenvolvimento chave do setor por analistas optics.org, sendo vista como parte da evolução do ecossistema.
InnoLight apresenta módulo de 1,6 Tb/s (final de 2023): Na corrida por velocidades mais altas, a InnoLight, uma empresa chinesa de transceptores ópticos, anunciou que alcançou um protótipo de transceptor óptico de 1,6 terabits por segundo optics.org. Isso provavelmente envolve múltiplos comprimentos de onda (por exemplo, 16×100G ou 8×200G canais) em uma plataforma fotônica de silício. Alcançar 1,6 Tb/s em um único módulo um ano antes de alguns concorrentes mostra a crescente competência da China em fotônica de silício. O módulo da InnoLight pode ser usado para uplinks de switches top-of-rack ou para conectar sistemas de IA. Também é um indício de que módulos de 3,2 Tb/s (que usariam, por exemplo, 8 comprimentos de onda de 400G cada) não estão longe – de fato, a IDTechX prevê módulos de 3,2 Tb/s até 2026 optics.org. Este foi um recorde de destaque que evidencia a intensa competição global; a Coherent (EUA) e outros também estão trabalhando em projetos de 1,6T e 3,2T optics.org.
Progresso do Chip Quântico Fotônico da PsiQuantum (2024): No campo quântico, a PsiQuantum (que é sigilosa, mas conhecida por trabalhar com a GlobalFoundries) publicou um estudo delineando um caminho para um computador quântico fotônico tolerante a perdas, e anunciou um chip chamado “Omega” para sua arquitetura quântica fotônica thequantuminsider.com. Embora ainda não seja um produto comercial, isso mostra que o hardware de computação quântica fotônica está avançando – com a fotônica de silício em seu núcleo. A abordagem da PsiQuantum exige a integração de milhares de fontes e detectores de fótons únicos. A novidade aqui é a validação da fabricabilidade: um artigo na Nature em 2022 demonstrou componentes-chave (fontes, filtros, detectores) em um único chip fotônico de silício que poderia ser escalado nature.com. Isso sugere que eles estão no caminho para um marco entre meados da década de 2020 e início da década de 2030 para um protótipo de computador quântico óptico de um milhão de qubits (seu objetivo de longo prazo). Tais desenvolvimentos, embora de nicho, são acompanhados de perto, pois podem redefinir a computação de alto desempenho.
Startups de Fotônica com Nióbio de Lítio Recebem Investimento (2023): Como mencionado, duas startups focadas em integrar LiNbO₃ com fotônica de silício, HyperLight (EUA) e Lightium (Suíça), levantaram juntas US$ 44 milhões em 2023 optics.org. A notícia do financiamento foi notável porque destaca uma tendência: adicionar novos materiais à fotônica de silício para superar barreiras de desempenho. Essas empresas promovem moduladores que podem operar com maior linearidade e em uma ampla faixa de comprimentos de onda (do visível ao médio IR) com perdas muito baixas optics.org. A aplicação imediata pode ser moduladores ultrarrápidos para comunicações ou dispositivos especiais para fotônica quântica e de RF. O ponto mais amplo é que a comunidade de investimentos também está apoiando a inovação em materiais na fotônica, não apenas as startups de transceptores mais óbvias. É um sinal de que até mesmo avanços em ciência dos materiais (como TFLN em isolante) podem rapidamente se transformar em startups e produtos neste campo.
Atualizações de Padrões e Consórcios (2024–25): Houve avanços na frente de padronização. O Continuous-Wave WDM MSA (um consórcio que define módulos padrão de fontes de luz para óptica co-embalada) entregou especificações iniciais para fontes de laser comuns que podem alimentar múltiplos chips fotônicos. Isso é importante para garantir a compatibilidade entre vários fornecedores para óptica co-embalada. Além disso, o consórcio UCIe (para interconexão de chiplets) formou um grupo de trabalho óptico para considerar como os links ópticos de chiplets podem ser padronizados. Enquanto isso, organizações como COBO (Consortium for On-Board Optics) e CPO Alliance têm realizado cúpulas (por exemplo, na OFC 2024) discutindo melhores práticas para óptica co-embalada ansys.com. Tudo isso para dizer que a indústria reconhece a necessidade de harmonizar interfaces e evitar uma fragmentação que poderia desacelerar a adoção. Notícias recentes do IEEE também indicaram progresso nos padrões Ethernet de 1.6T e padrões de interface óptica relacionados que assumem o uso de tecnologias fotônicas de silício.
Lançamentos de Produtos: Do lado dos produtos, estamos vendo hardware real sendo lançado:
- Módulos Plugáveis 800G: Vários fornecedores (Intel, Marvell/Inphi, etc.) começaram a amostrar módulos 800G QSFP-DD e OSFP em 2024 que usam fotônica de silício internamente. Estes provavelmente serão implantados em switches e redes em 2025.
- Kits de Demonstração CPO: Empresas como Ranovus e IBM demonstraram kits de desenvolvimento de óptica co-embalada – um precursor dos produtos CPO comerciais. Por exemplo, o protótipo de pesquisa de um switch co-embalado da IBM foi mostrado funcionando, e a Ranovus tem um módulo CPO com 8×100G comprimentos de onda.
- Produtos de Lidar Fotônico de Silício: Innovusion (China) e Voyant Photonics (EUA) anunciaram avanços em seus LiDARs fotônicos de silício. O mais recente LiDAR da Innovusion para veículos usa alguns componentes fotônicos de silício para alcançar FMCW a um custo competitivo. A Voyant, uma startup originada de pesquisas da Universidade de Columbia, está realmente vendendo um pequeno módulo LiDAR de estado sólido baseado em fotônica de silício para uso em drones e robôs.
- Chiplets de I/O Óptico: Até meados de 2025, a Ayar Labs planeja ter seu TeraPHY optical I/O chiplet e SuperNova laser source em testes iniciais com clientes, entregando um link óptico de 8 Tbps para sistemas HPC. Se isso se mantiver no cronograma, pode ser uma das primeiras implementações de I/O óptico em um sistema computacional (provavelmente em um laboratório governamental ou supercomputador piloto entre 2025–26).

A sequência de notícias recentes pinta um quadro de um campo que está avançando rapidamente em múltiplas frentes: desde avanços em velocidade (óptica 1.6T) até grandes movimentos estratégicos (terceirização da Intel, grandes rodadas de financiamento) e implantações inéditas (motores ópticos para IA). É um momento empolgante, pois esses desenvolvimentos indicam que a fotônica de silício está passando de uma tecnologia promissora para uma realidade comercial com impacto crescente em produtos e indústrias.

Para um público geral, a principal conclusão de todas essas notícias é que a fotônica de silício não é uma promessa distante – está acontecendo agora. Empresas estão investindo dinheiro e recursos nisso, produtos reais estão sendo lançados, e a cada trimestre surgem novos marcos que quebram recordes anteriores. É um campo que avança rapidamente, e até mesmo leitores familiarizados com tecnologia podem se surpreender com a rapidez com que coisas como “chiplets ópticos” ou “módulos de 1,6 terabit” chegaram. As notícias também destacam que esta é uma corrida global – com atividade significativa nos EUA, Europa e Ásia – e que abrange desde startups de tecnologia profunda até as maiores empresas de chips e provedores de rede.

Perspectivas Futuras e Previsões

Olhando para frente, o futuro da fotônica de silício parece extremamente promissor, com potencial para redefinir a computação e as comunicações na próxima década. Aqui estão algumas previsões e expectativas para o que o futuro reserva:

Adoção generalizada na computação: Até o final da década de 2020, podemos esperar que a fotônica de silício seja um recurso padrão em sistemas de computação de alto desempenho. Como mencionado, entre 2026–2027 devem surgir as primeiras CPUs, GPUs ou aceleradores de IA com I/O óptico integrado nextplatform.com. Inicialmente, isso pode ocorrer em mercados especializados (supercomputadores, sistemas de negociação de alta frequência, clusters de IA de ponta), mas abrirá caminho para uma adoção mais ampla. Uma vez que a tecnologia esteja comprovada e os volumes aumentem, o I/O óptico pode chegar a servidores e dispositivos mais convencionais na década de 2030. Imagine servidores em rack onde cada CPU tem portas de fibra óptica diretamente no pacote, conectando-se a um switch óptico no topo do rack; isso pode se tornar comum. O gargalo de memória também pode ser resolvido por links ópticos – por exemplo, conectando módulos de memória opticamente aos processadores para permitir maior largura de banda à distância (alguns pesquisadores falam em “desagregação óptica de memória” para grandes pools de memória compartilhada). Em resumo, o data center do futuro (e, por extensão, os serviços de nuvem do futuro) provavelmente será construído sobre uma malha de interconexões ópticas em todos os níveis, viabilizada pela fotônica de silício.
Rede Terabit para Todos: A capacidade dos links de rede continuará avançando rapidamente. Estamos falando de 1,6 Tb/s, 3,2 Tb/s, até mesmo 6,4 Tb/s em transceptores ópticos em um único módulo até o início da década de 2030. Essas velocidades são impressionantes – um link de 3,2 Tb/s poderia transferir um filme em 4K em uma fração de milissegundo. Embora essas velocidades sejam usadas em backbones de data centers e redes de telecomunicações, indiretamente beneficiam os consumidores (internet mais rápida, serviços em nuvem mais robustos). Até 2035, analistas preveem que o mercado de circuitos integrados fotônicos alcance mais de US$ 50 bilhões, impulsionado principalmente por esses transceptores para IA e data centers optics.org. Podemos ver 800G e 1.6T se tornando o novo 100G, ou seja, serão os links de trabalho das redes. E à medida que o volume aumenta, o custo por bit cairá, tornando a conectividade de alta velocidade mais barata e ubíqua. É plausível que até mesmo dispositivos de consumo (como, por exemplo, um headset de VR que precise de um link de altíssima largura de banda para um PC ou console) possam empregar um cabo óptico USB ou óptico Thunderbolt para transportar dezenas ou centenas de gigabits sem latência ou perda.
Revolucionando as Telecomunicações: Nas telecomunicações, a fotônica de silício ajudará a viabilizar redes totalmente ópticas com muito mais eficiência. A comunicação óptica coerente com fotônica integrada provavelmente escalará para além de 1 Tb/s por comprimento de onda (com constelações avançadas e talvez DSPs de transceptores integrados). Isso pode tornar canais ópticos multi-terabit econômicos, reduzindo o número de lasers/fibras necessários. A fotônica de silício também tornará multiplexadores ópticos reconfiguráveis (ROADMs) e outros equipamentos de rede mais compactos e eficientes em energia, o que, por sua vez, facilita a implantação de redes 5G/6G de maior capacidade e melhor infraestrutura de fibra até a residência. Uma área específica para observar é lasers integrados para TV a cabo / acesso por fibra: lasers sintonizáveis baratos em silício poderiam permitir que cada residência tivesse, por exemplo, um link de fibra simétrico de 100G. Ao integrar funções ópticas, as operadoras de telecomunicações podem simplificar centrais e head-ends. Assim, o efeito líquido será serviços de internet ainda mais rápidos e confiáveis a custos potencialmente menores, impulsionados nos bastidores por chips fotônicos de silício.
Computação de IA e Motores Ópticos: No campo da IA, se empresas como Lightmatter e Lightelligence tiverem sucesso, poderemos testemunhar os primeiros coprocessadores ópticos em data centers. Estes acelerariam multiplicações de matrizes ou análises de grafos usando luz, potencialmente oferecendo saltos de desempenho por watt. É concebível que, em até 5 anos, alguns data centers tenham racks de aceleradores ópticos de IA ao lado de GPUs, lidando com tarefas especializadas de forma extremamente rápida (por exemplo, inferência ultrarrápida para serviços em tempo real). Mesmo que computadores totalmente ópticos permaneçam um pouco limitados, a abordagem híbrida eletro-óptica (eletrônica para controle lógico, fotônica para movimentação pesada de dados e operações de multiplicação-acumulação) pode se tornar uma estratégia fundamental para sustentar a escalabilidade do desempenho da IA. Ao reduzir calor e consumo de energia, a fotônica pode ajudar a manter o treinamento de IA viável à medida que os modelos escalam para trilhões de parâmetros. Em resumo, a fotônica de silício pode ser o ingrediente secreto que permite o próximo aumento de 1000× no tamanho/modelo de IA e dados de treinamento sem sobrecarregar a rede elétrica.
Impacto na Tecnologia de Consumo: Embora grande parte da fotônica de silício esteja atualmente em grandes infraestruturas (data centers, redes), eventualmente ela chegará aos dispositivos de consumo. Um candidato óbvio são os headsets de AR/VR (onde é necessário transmitir enormes quantidades de dados para minúsculos displays e câmeras – interconexões ópticas poderiam ajudar). Outro exemplo são os sensores LiDAR ou sensores de profundidade para consumidores – futuros smartphones ou wearables podem ter minúsculos sensores fotônicos de silício para monitoramento de saúde (como a Rockley Photonics pretendia) ou para escaneamento 3D do ambiente. A Mobileye, da Intel, já indicou que seu LiDAR fotônico de silício estará em carros, então no final da década de 2020, seu novo carro pode ter um chip fotônico integrado guiando silenciosamente seus sensores de direção autônoma tanaka-preciousmetals.com. Com o tempo, à medida que os custos caírem, mais desses sensores poderão aparecer em dispositivos do dia a dia (imagine smartwatches que usam um sensor fotônico de silício para monitorar glicose ou análises sanguíneas de forma não invasiva via espectroscopia óptica no seu pulso – empresas já estão trabalhando nesse conceito). Mesmo em áudio/visual de alta qualidade, chips ópticos podem melhorar câmeras (LiDAR para foco ou mapeamento 3D em fotografia) ou possibilitar displays holográficos ao modular a luz em escala microscópica (um pouco especulativo, mas não impossível à medida que moduladores espaciais de luz em silício evoluem). Assim, em uma década, os consumidores podem estar usando fotônica de silício em seus gadgets sem perceber, assim como hoje usamos sensores MEMS em todo lugar sem pensar nisso.
Fotônica no Reino Quântico: Se olharmos ainda mais para o futuro, tecnologias fotônicas quânticas podem amadurecer. Se a PsiQuantum ou outras tiverem sucesso, poderemos ter um computador quântico fotônico que supera supercomputadores clássicos em certas tarefas – com talvez milhões de fótons emaranhados processados em um chip. Isso seria uma conquista monumental, possivelmente tão transformadora quanto os primeiros computadores eletrônicos. Embora isso possa estar além de 2030, o progresso nesse meio tempo pode resultar em simuladores quânticos ou sistemas de comunicação quântica em rede usando fotônica de silício. Por exemplo, links de comunicação quântica segura (redes QKD) podem ser implantados em redes urbanas usando transmissores QKD fotônicos de silício padronizados em data centers. Há também o potencial para sensores quânticos em chip (como giroscópios ópticos com sensibilidade em nível quântico) encontrarem aplicações em navegação ou ciência.
Pesquisa Contínua e Novos Horizontes: O campo da fotônica de silício continuará a evoluir. Pesquisadores já estão explorando integração 3D – empilhando chips fotônicos com eletrônicos para um acoplamento ainda mais estreito (alguns estão investigando micro-bumps ou técnicas de ligação para colocar um interposer fotônico sob uma CPU, por exemplo). Também se fala em rede óptica em chip (ONoC), onde, em vez de ou além das redes elétricas em chip, processadores usam luz para comunicar entre núcleos. Se algum dia CPUs com muitos núcleos usarem redes ópticas internas, isso pode eliminar gargalos de largura de banda intra-chip (isso está um pouco mais distante, mas já foi comprovado conceitualmente em laboratórios). Nano-fotônica também pode entrar em cena: componentes ópticos plasmônicos ou em escala nanométrica que operam em velocidades muito altas ou ocupam áreas extremamente pequenas, potencialmente integrados à fotônica de silício para certas tarefas (como moduladores ultracompactos). E quem sabe, talvez um dia alguém alcance o santo graal de um laser de silício através de algum truque engenhoso de material – o que realmente simplificaria a integração fotônica.
Perspectiva de Mercado e Indústria: Economicamente, provavelmente veremos o mercado de fotônica de silício explodir. Segundo a IDTechX, até 2035 cerca de US$ 54 bilhões de valor de mercado estão projetados optics.org. Notavelmente, enquanto as comunicações de dados formarão a maior parte, estima-se que cerca de ~US$ 11 bilhões disso possam vir de aplicações não relacionadas a dados (telecom, lidar, sensores, quântica, etc.) optics.org. Isso significa que os benefícios da tecnologia serão distribuídos por vários setores. Também podemos ver grandes mudanças ou parcerias na indústria: por exemplo, será que um gigante da tecnologia poderia adquirir uma das startups unicórnio de fotônica (imagine a Nvidia comprando uma Ayar Labs ou Lightmatter para garantir liderança em computação óptica)? É possível, à medida que as apostas aumentam. Além disso, a competição internacional pode se intensificar – podemos ver investimentos significativos de governos para garantir liderança (semelhante ao modo como a indústria de semicondutores é considerada estratégica). A fotônica de silício pode se tornar uma parte fundamental das estratégias nacionais de tecnologia, o que pode impulsionar ainda mais o financiamento de P&D e infraestrutura.

Em um sentido mais amplo, se olharmos de fora, o futuro com a fotônica de silício é aquele em que as fronteiras entre computação e comunicação se confundem. A distância se torna menos limitante – os dados podem viajar dentro de um chip ou entre cidades com igual facilidade em fios ópticos. Isso pode viabilizar arquiteturas como a computação distribuída, onde a localização física dos recursos importa pouco porque os links ópticos tornam a latência baixa e a largura de banda alta. Podemos ver data centers verdadeiramente desagregados, onde computação, armazenamento e memória são conectados opticamente como blocos de LEGO. Os ganhos de eficiência energética da fotônica também podem contribuir para uma TIC mais verde, o que é importante à medida que o apetite energético da infraestrutura digital cresce.

Para citar as palavras de um veterano da indústria, “a jornada para escalar a fotônica de silício é tão empolgante quanto desafiadora.” laserfocusworld.com Os próximos anos, sem dúvida, terão obstáculos, mas há uma determinação coletiva entre a academia e a indústria para superá-los. Por meio da colaboração e inovação – alinhando ciência dos materiais, engenharia de semicondutores e fotônica – especialistas estão confiantes de que enfrentaremos esses desafios e desbloquearemos todo o potencial da fotônica de silício laserfocusworld.com. A perspectiva futura é que essa tecnologia passará da periferia (conectando nossos dispositivos ou aumentando sistemas especializados) para o próprio coração da computação e conectividade. Estamos essencialmente testemunhando o início de uma nova era – uma em que a luz, e não apenas os elétrons, carrega o sangue vital da informação através dos dispositivos e redes que sustentam a vida moderna. E isso é realmente uma mudança revolucionária que se desenrolará na próxima década e além.

Fontes: Definições e vantagens da fotônica de silício ansys.com ansys.com; aplicações em sensoriamento, LiDAR, quântica ansys.com ansys.com; tendências em data centers e IA laserfocusworld.com, optics.org; citações e insights de especialistas laserfocusworld.com, tanaka-preciousmetals.com, nature.com; líderes da indústria expertmarketresearch.com; notícias recentes e investimentos datacenterdynamics.com, nextplatform.com, nextplatform.com; projeções futuras optics.org

The Future of Silicon Photonics: Transforming Data Centers

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