Siliziumphotonik-Revolution – Lichtgeschwindigkeitstechnologie transformiert KI, Rechenzentren & mehr

Silicon-Photonik verwendet siliziumbasierte photonische integrierte Schaltkreise (PICs), um Licht für die Datenverarbeitung und Kommunikation zu steuern. Dadurch werden On-Chip- und Chip-zu-Chip-Verbindungen mit Geschwindigkeiten wie 100 Gb/s und 400 Gb/s ermöglicht.
Ein siliziumphotonischer Chip in Fingernagelgröße kann Dutzende von Laserkanälen aufnehmen und mit dichter Wellenlängenmultiplexierung Terabits an Daten übertragen.
Rechenzentrumsverbindungen profitieren von optischen Verbindungen, die weniger Energie verbrauchen und eine höhere Dichte bieten. Prototypen wie 51,2 Tb/s-Switching-Chips mit integriertem optischem I/O wurden bereits demonstriert.
Im Jahr 2024 demonstrierte Ayar Labs ein optisches Chiplet mit 8 Tbps Bandbreite über 16 Wellenlängen, und eine Series D Ende 2024 brachte 155 Millionen US-Dollar ein, an der Nvidia, AMD und Intel beteiligt waren, wodurch die Bewertung auf über 1 Milliarde US-Dollar stieg.
Intel verlagerte die Fertigung seiner Silicon-Photonik-Transceiver Ende 2023 an Jabil, nachdem seit 2016 über 8 Millionen photonische Transceiver-Chips ausgeliefert wurden.
InnoLight präsentierte Ende 2023 einen optischen Transceiver-Prototyp mit 1,6 Tbps, wobei bis 2026 3,2 Tbps-Module erwartet werden, da Multi-Terabit-Verbindungen näher rücken.
Das amerikanische AIM Photonics-Institut erhielt ein siebenjähriges Programm über 321 Millionen US-Dollar bis 2028, um die Fertigung integrierter Photonik in den USA voranzutreiben, einschließlich einer Siliziumphotonik-Foundry und Verpackungslinie in New York.
Broadcom demonstrierte 2023 Prototypen von 25,6 Tbps- und 51,2 Tbps-Co-Packaged-Optics-Switches mit integrierten Laser-Photonik-Engines.
Lightmatter sammelte 2024 in einer Series D 400 Millionen US-Dollar für seine optische KI-Beschleunigerplattform ein, und PsiQuantum stellte 2024 öffentlich einen Weg zu einem verlusttoleranten photonischen Quantencomputer mit seinem Omega-Chip vor.
Analysten prognostizieren, dass der Markt für Silicon-Photonik bis 2035 etwa 54 Milliarden US-Dollar erreichen wird, davon rund 11 Milliarden US-Dollar aus Nicht-Daten-Anwendungen, hauptsächlich getrieben durch den Bedarf von KI-Rechenzentren.

Was ist Silicon Photonics und wie funktioniert es?

Silicon Photonics ist eine Technologie, die siliziumbasierte photonische integrierte Schaltkreise (PICs) verwendet, um Licht (Photonen) für Verarbeitung und Kommunikation zu steuern. Einfach gesagt bedeutet das, optische Bauteile (wie Laser, Modulatoren und Detektoren) auf Siliziumchips zu bauen – ähnlich wie elektronische Schaltungen hergestellt werden. Diese siliziumphotonischen Chips können Daten mit Licht senden und empfangen und ermöglichen ultraschnelle Datenübertragung mit hoher Bandbreite und geringem Energieverlust ansys.com. Zu den wichtigsten Komponenten gehören Wellenleiter (winzige optische „Drähte“, die das Licht auf dem Chip führen), Modulatoren (die Daten auf Lichtstrahlen codieren), Laser (meist aus anderen Materialien hinzugefügt, da Silizium selbst kein Licht emittieren kann) und Photodetektoren (um eingehendes Licht wieder in elektrische Signale umzuwandeln) ansys.com. Durch die Integration dieser Komponenten auf einer Siliziumplattform nutzen Ingenieure die etablierte Halbleiterfertigung (CMOS), um photonische Bauteile in großen Stückzahlen herzustellen und so die Lichtgeschwindigkeit mit der Skalierbarkeit moderner Chipfertigung zu verbinden ansys.com.

Wie funktioniert das? Anstelle von elektrischen Impulsen in Kupferdrähten verwenden siliziumphotonische Schaltkreise infrarotes Laserlicht, das durch wellenleiter im Mikrometerbereich geleitet wird. Silizium ist für infrarote Wellenlängen transparent, sodass Licht mit minimalem Verlust propagieren kann, wenn es von umgebenden Materialien wie Siliziumdioxid mit einem niedrigeren Brechungsindex eingeschlossen wird ansys.com ansys.com. Daten werden über Modulatoren auf diese Lichtwellen codiert, die die Intensität oder Phase des Lichts schnell verändern können. Am anderen Ende wandeln Photodetektoren auf dem Chip die optischen Signale wieder in elektrische Form um. Da Licht mit viel höheren Frequenzen schwingt als elektrische Signale, können optische Verbindungen massiv mehr Daten pro Sekunde übertragen als elektrische Leitungen. Eine einzelne winzige Faser oder ein Wellenleiter kann Dutzende oder Hunderte von Gigabit pro Sekunde übertragen, und durch die Nutzung mehrerer Lichtwellenlängen (Dense Wavelength Division Multiplexing) kann eine einzelne Faser Terabits an Daten transportieren. Praktisch ermöglicht Siliziumphotonik On-Chip- oder Chip-zu-Chip-Kommunikation mit Geschwindigkeiten wie 100 Gb/s, 400 Gb/s oder mehr, was sonst viele Kupferleitungen erfordern oder über längere Distanzen einfach nicht machbar wäre ansys.com optics.org.

Siliziumphotonische Bauelemente sind kompakt, schnell und energieeffizient. Licht kann mit sehr geringem Widerstand durch Wellenleiter reisen (keine elektrische Kapazität oder Hitzeprobleme wie bei Kupfer bei hohen Geschwindigkeiten), was potenziell einen geringeren Energieverbrauch für die Datenübertragung bedeutet. Eine Analyse stellt fest, dass optische Verbindungen Datenengpässe drastisch verringern und die Wärmeentwicklung in Hochleistungssystemen reduzieren können – „optische Verbindungen, ermöglicht durch Siliziumphotonik, sind der einzige skalierbare Weg nach vorn“, um den explodierenden Bandbreitenbedarf zu bewältigen laserfocusworld.com. Kurz gesagt, Siliziumphotonik verbindet die kostengünstige, massenproduzierbare Siliziumchip-Plattform mit der Physik des Lichts und schafft „Schaltkreise für Photonen“ auf einem Chip ansys.com. Diese Technologie ermöglicht es uns, Daten buchstäblich mit Lichtgeschwindigkeit zu übertragen, in Bereichen, in denen herkömmliche Elektronik an ihre Grenzen stößt.

Wichtige Anwendungen der Siliziumphotonik

Siliziumphotonik begann in der faseroptischen Kommunikation, ist heute aber eine vielseitige Plattform, die in vielen hochmodernen Bereichen eingesetzt wird. Aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeit und Energieeffizienz ist jedes Feld, das riesige Datenmengen bewegen (oder Licht präzise steuern) muss, ein Kandidat. Hier sind einige der wichtigsten Anwendungen:

Rechenzentren und Hochgeschwindigkeits-Cloud-Netzwerke

Eine der wichtigsten Anwendungen findet sich in Rechenzentren und Supercomputern, wo Siliziumphotonik den dringenden Bedarf an schnelleren, effizienteren Verbindungen adressiert. Moderne Cloud- und Hyperscale-Rechenzentren bewältigen enorme Datenströme zwischen Servern, Racks und über Campus-Netzwerke hinweg. Kupferkabel und herkömmliche elektrische Switches werden zunehmend zum Engpass – sie verbrauchen zu viel Energie und lassen sich über bestimmte Distanzen oder Geschwindigkeiten hinaus nicht skalieren (zum Beispiel funktionieren 100-Gb/s-Kupferverbindungen nur über wenige Meter). Siliziumphotonische Verbindungen lösen dieses Problem, indem sie Glasfasern und optische On-Board-Engines nutzen, um Server und Switches mit sehr hohen Geschwindigkeiten und minimalem Verlust zu verbinden. Optische Transceiver auf Basis von Siliziumphotonik ersetzen oder ergänzen bereits elektrische Verbindungen für die Kommunikation von Rack zu Rack und sogar innerhalb eines Racks tanaka-preciousmetals.com.

Cisco und Intel waren hier Vorreiter: Cisco entwickelt inzwischen hochgeschwindigkeitsfähige steckbare optische Transceiver mit Siliziumphotonik, um Netzwerkgeräte zu verbinden expertmarketresearch.com. Auch Intel hat Siliziumphotonik genutzt, um die Konnektivität in Rechenzentren zu verbessern, hat Millionen von 100G-optischen Transceiver-Chips ausgeliefert und bringt nun 200G-, 400G- und testweise 800G-Module auf den Markt tanaka-preciousmetals.com. Die Motivation ist klar – wenn sich die Datenraten von 100G auf 200G und 400G verdoppeln, sinkt die Reichweite von Kupfer dramatisch. „Wenn Sie heute ein Rechenzentrum betreten, sehen Sie 100-Gb/s-Kupferkabel, die Server mit dem Top-of-Rack-Switch verbinden… Diese Kabel sind für etwa vier Meter ausreichend. Aber alles, was über das Rack hinausgeht, nutzt bereits Optik“, bemerkt Robert Blum, Intels Senior Director of Photonics, und fügt hinzu, dass „wenn wir die Datenraten auf 200 oder 400 Gb/s erhöhen, die Reichweite von Kupfer deutlich kürzer wird und wir diesen Trend sehen, dass Optik bis zum Server reicht.“ tanaka-preciousmetals.com In Hochleistungsrechner-Clustern (HPC) und KI-Supercomputern, wo Tausende Prozessoren Verbindungen mit niedriger Latenz benötigen, bieten optische Verbindungen die Bandbreite, um all diese Chips mit Daten zu versorgen ansys.com, laserfocusworld.com. Indem Photonik auf den Switch und sogar in Prozessorpakete (sogenannte Co-Packaged Optics) gebracht wird, werden zukünftige Rechenzentrumsnetzwerke deutlich höhere Durchsätze erreichen. Tatsächlich sind 51,2-Tb/s-Switching-Chips mit integriertem optischem I/O in Sicht, und Prototypen wurden bereits demonstriert tanaka-preciousmetals.com.

Die Vorteile für Rechenzentren sind erheblich: geringerer Stromverbrauch (optische Verbindungen verschwenden weit weniger Energie als Wärme im Vergleich zum Transport von Elektronen durch Kupfer bei Dutzenden von GHz), höhere Dichte (viele optische Kanäle können ohne Bedenken hinsichtlich elektromagnetischer Störungen multiplexiert werden), und größere Reichweite (optische Signale können bei Bedarf Kilometer weit übertragen werden). Das bedeutet, dass Siliziumphotonik Rechenzentren hilft, die Leistung zu skalieren, ohne durch Interconnect-Grenzen ausgebremst zu werden. Ein Marktanalyst stellte fest, dass KI-zentrierte Rechenzentren eine beispiellose Nachfrage nach Hochleistungs-Optik-Transceivern antreiben, und betonte, dass „Siliziumphotonik und PICs an der Spitze dieser Revolution stehen, da sie Daten mit Geschwindigkeiten von 1,6 Tbps und mehr übertragen können.“ optics.org Praktisch gesehen kann ein einzelner photonischer Chip von der Größe eines Fingernagels Dutzende von Lasernkanälen enthalten, die zusammen Terabits an Daten übertragen – entscheidend für die Cloud-Infrastruktur der nächsten Generation.

KI- und Machine-Learning-Beschleunigung

Die Explosion von KI- und Machine-Learning-Workloads ist ein besonderer Fall der Rechenzentrumsanwendung – sie verdient eine eigene Erwähnung, da KI einige einzigartige Anforderungen stellt und neue Einsatzmöglichkeiten für Siliziumphotonik geschaffen hat. Das Training fortschrittlicher KI-Modelle (wie großer Sprachmodelle, die Chatbots antreiben) umfasst massive parallele Berechnungen, die auf viele GPUs oder spezialisierte KI-Beschleuniger verteilt sind. Diese Chips müssen enorme Datenmengen austauschen, etwa beim Modelltraining, und stoßen dabei oft an die Grenzen herkömmlicher elektrischer Verbindungen. Siliziumphotonik bietet der KI einen doppelten Vorteil: Hochbandbreiten-Interconnects und sogar das Potenzial für optische Berechnungen.

Auf der Seite der Verbindungen werden optische Verbindungen entwickelt, um KI-Beschleunigerchips oder Speicher direkt mit Licht zu verbinden (manchmal als optisches I/O bezeichnet). Durch den Ersatz der herkömmlichen Server-Backplane oder der GPU-zu-GPU-Kommunikation durch Glasfaser können KI-Systeme die Kommunikationslatenz und den Energieverbrauch erheblich reduzieren. Start-ups wie Ayar Labs entwickeln beispielsweise optische I/O-Chiplets, die neben Prozessoren sitzen und Daten mit Licht ein- und ausstrahlen, wodurch die dichten Bündel von Kupferleitungen, die sonst benötigt würden, entfallen. Im Jahr 2024 demonstrierte Ayar Labs ein optisches Chiplet mit einer Bandbreite von 8 Tbps, das 16 Lichtwellenlängen nutzt – ein Hinweis darauf, wie die nächste Generation von KI-Verbindungen aussehen könnte businesswire.com. Große Chiphersteller sind aufmerksam geworden: Nvidia, AMD und Intel haben jeweils in Ayar Labs im Rahmen einer Finanzierungsrunde über 155 Millionen Dollar investiert, in der Annahme, dass optische Verbindungen der Schlüssel zur Skalierung zukünftiger KI-Hardware sein werden nextplatform.com. Wie ein Journalist spöttisch bemerkte: Wenn man nicht genug Geschwindigkeit erreichen kann, indem man Chips einfach schneller macht, „ist das nächstbeste, worin man investieren sollte, wahrscheinlich irgendeine Form von optischem I/O.“ nextplatform.com

Über die Datenübertragung zwischen KI-Chips hinaus ermöglicht Siliziumphotonik auch optisches Rechnen für KI. Das bedeutet, dass bestimmte Berechnungen (wie Matrixmultiplikationen in neuronalen Netzen) mit Licht statt mit Elektrizität durchgeführt werden, was einige der Geschwindigkeits- und Energiebegrenzungen heutiger elektronischer KI-Beschleuniger umgehen könnte. Unternehmen wie Lightmatter und Lightelligence haben Prototypen von photonischen Prozessoren gebaut, die Interferenzen von Licht in Siliziumwellenleitern nutzen, um Ergebnisse parallel zu berechnen. Ende 2024 sammelte Lightmatter bemerkenswerte 400 Millionen Dollar in einer Series-D-Finanzierungsrunde ein (was die Bewertung auf 4,4 Milliarden Dollar brachte), um seine optische Rechentechnologie weiterzuentwickeln nextplatform.com. Obwohl sie sich noch in der Entwicklung befinden, versprechen diese photonischen KI-Beschleuniger eine ultraschnelle, latenzarme Ausführung neuronaler Netze bei deutlich geringerem Stromverbrauch, da Photonen im Vergleich zu Milliarden von Transistorschaltvorgängen kaum Wärme erzeugen.

Insgesamt wird Siliziumphotonik als „Paradigmenwechsel“ angesehen, da KI-Modelle in Größe und Komplexität wachsen (und Cluster von zehntausenden Chips erfordern) und so die Kommunikationsengpässe in der KI-Infrastruktur überwinden können laserfocusworld.com. Sie bietet eine Möglichkeit, die Bandbreite zwischen Prozessoren linear mit dem Bedarf zu skalieren, was bei elektrischen Verbindungen schwierig ist. Branchenbeobachter sagen voraus, dass optische Technologien (wie Co-Packaged Optics, optische Chip-zu-Chip-Verbindungen und möglicherweise photonische Rechenelemente) in den kommenden Jahren zum Standard in KI-Systemen werden – und nicht nur ein Nischenexperiment bleiben. Tatsächlich wird laut einer Schätzung das Wachstum von KI-Rechenzentren so schnell sein (50 % jährliche Wachstumsrate beim Stromverbrauch), dass sie bis 2030 mit bestehender elektrischer I/O nicht mehr nachhaltig wären, wodurch Siliziumphotonik „ein unverzichtbarer Bestandteil unserer zukünftigen Infrastruktur“ wird, um KI skalierbar zu halten laserfocusworld.com.

Telekommunikation und Netzwerke

Die Siliziumphotonik hat ihren Ursprung in der Telekommunikation und revolutioniert weiterhin, wie wir Daten über große Entfernungen übertragen. In faseroptischen Telekommunikationsnetzen – sei es das Internet-Backbone, Unterseekabel oder Metro- und Zugangsnetze – wird integrierte Photonik eingesetzt, um optische Transceiver kleiner, schneller und günstiger zu machen. Traditionelle optische Kommunikationssysteme setzten oft auf diskrete Komponenten (Laser, Modulatoren, Detektoren, die einzeln montiert werden), aber die Integration der Siliziumphotonik kann viele dieser Komponenten auf einem Chip vereinen, was die Zuverlässigkeit erhöht und die Montagekosten senkt tanaka-preciousmetals.com.

Heutzutage sind optische Transceivermodule, die Siliziumphotonik nutzen, in Data-Center-Interconnects weit verbreitet und werden zunehmend in der Telekommunikationsinfrastruktur für 100G, 400G und darüber hinaus eingesetzt. Beispielsweise haben Unternehmen wie Infinera und Cisco (Acacia) kohärente optische Transceiver mit Siliziumphotonik für 400G- und 800G-Verbindungen in Telekommunikationsnetzen entwickelt. Auch Breitband- & 5G/6G-Mobilfunknetze profitieren davon – die Glasfaserverbindungen, die Mobilfunkmasten verbinden oder Fronthaul-/Backhaul-Daten übertragen, können mit Siliziumphotonik effizienter gestaltet werden. Intel hat hervorgehoben, dass Siliziumphotonik eine Rolle spielen wird bei „5G-Implementierungen der nächsten Generation mit kleineren Formfaktoren und höheren Geschwindigkeiten, von heute 100G bis morgen 400G und mehr“ expertmarketresearch.com. Die Fähigkeit, Dutzende von Laserwellenlängen auf einem Chip zu integrieren, ist nützlich für Dense Wavelength-Division Multiplexing (DWDM)-Systeme, die von Telekommunikationsanbietern verwendet werden, um mehr Kanäle auf jede Faser zu bringen. Im Jahr 2023 demonstrierte ein chinesisches Unternehmen, InnoLight, sogar einen 1,6 Tb/s optischen Transceiver (unter Verwendung mehrerer Wellenlängen und fortschrittlicher Modulation) – ein Zeichen dafür, dass Multi-Terabit-Optikverbindungen in naher Zukunft Realität werden könnten optics.org.

Eine weitere Netzwerkanwendung findet sich in der Kern-Routing- und Switching-Ausrüstung. Hochwertige Router und optische Switching-Plattformen beginnen, Siliziumphotonik-Schaltkreise für Funktionen wie optisches Switching, Signalrouting und sogar Wellenlängenfilterung auf dem Chip zu verwenden. Beispielsweise wurden große Siliziumphotonik-Switch-Fabrics prototypisiert, die Silizium-MEMS oder thermooptische Effekte nutzen, um Lichtpfade schnell zu schalten, was potenziell ein vollständig optisches Circuit Switching ermöglicht. Diese könnten schließlich in Rechenzentrumsnetzwerken eingesetzt werden, um Verbindungen optisch dynamisch umzuschalten (Google hat angedeutet, in einigen seiner KI-Cluster optische Switches einzusetzen) nextplatform.com.

In der Telekommunikation sind die Ziele insgesamt höhere Kapazität und geringere Kosten pro Bit. Siliziumphotonik trägt dazu bei, indem sie die Kapazität der Glasfaserübertragung skaliert (100G → 400G → 800G und 1,6T pro Wellenlänge) und die Herstellungskosten durch CMOS-Fertigungsprozesse senkt. Bemerkenswert ist, dass Intels Siliziumphotonik-Sparte, bevor sie umstrukturiert wurde, von 2016 bis 2023 über 8 Millionen photonische Transceiver-Chips für Rechenzentren und Netzwerkanwendungen ausgeliefert hat optics.org. Und die Zusammenarbeit in der Branche nimmt zu: So kündigte Intel Ende 2023 an, die Transceiver-Produktion an Jabil (einen Auftragsfertiger) zu übertragen, um die Produktion weiter zu skalieren optics.org. Gleichzeitig investieren optische Komponentenriesen wie Coherent (ehemals II-VI) und traditionelle Telekommunikationsanbieter (Nokia, Ciena usw.) alle in Siliziumphotonik für optische Module der nächsten Generation optics.org. Die Technologie wird zu einem Grundpfeiler sowohl der physischen Infrastruktur des Internets als auch des sich schnell entwickelnden 5G/6G-Kommunikations-Ökosystems.

Sensorik und LiDAR

Siliziumphotonik ist nicht nur für die Kommunikation relevant – sie ermöglicht auch neue Arten von Sensoren, indem sie die präzise Steuerung von Licht auf dem Chip nutzt. Ein spannendes Anwendungsfeld ist die biochemische und Umwelt-Sensorik. Siliziumphotonische Sensoren können kleinste Änderungen des Brechungsindex oder der Absorption erkennen, wenn eine Probe (wie ein Blutstropfen oder ein chemischer Dampf) mit einem geführten Lichtstrahl interagiert. Beispielsweise könnte ein Siliziumphotonik-Chip einen winzigen Ringresonator oder Interferometer enthalten, der seine Frequenz ändert, wenn bestimmte Moleküle daran binden. Dies ermöglicht Lab-on-a-Chip-ähnliche Sensorik von Biomarkern – Proteinen, DNA, Gasen usw. – mit hoher Empfindlichkeit und potenziell zu niedrigen Kosten. Solche photonischen Biosensoren könnten für medizinische Diagnostik, Umweltüberwachung oder sogar „künstliche Nasen“-Anwendungen eingesetzt werden optics.org optics.org. Die Vorteile der Miniaturisierung und Integration sind entscheidend: Ein einziger Siliziumphotonik-Sensorchip könnte Lichtquellen, Sensorelemente und Photodetektoren integrieren und so einen kompakten, robusten Sensor anstelle von sperriger optischer Laborausrüstung bieten. Die Forschung an Siliziumnitrid-Photonik (eine Variante, die besser für sichtbare Wellenlängen geeignet ist) eröffnet noch mehr Sensoranwendungen, da SiN sichtbares Licht für die Erkennung von z. B. Fluoreszenz- oder Raman-Signalen führen kann, was reines Silizium nicht kann.

Eine weitere boomende Anwendung ist LiDAR (Light Detection and Ranging) für autonome Fahrzeuge, Drohnen und Robotik. LiDAR-Systeme senden Laserimpulse aus und messen das reflektierte Licht, um Entfernungen zu kartieren – im Wesentlichen eine „3D-Laser-Vision“. Herkömmliche LiDAR-Einheiten basieren oft auf mechanischem Scannen und einzelnen Lasern/Detektoren, was sie teuer und etwas sperrig macht. Siliziumphotonik bietet die Möglichkeit, LiDAR auf einem Chip zu realisieren: Strahlsteuerungselemente, Splitter, Modulatoren und Detektoren werden monolithisch integriert. Ein siliziumphotonisches LiDAR kann eine festkörperbasierte Strahlsteuerung (zum Beispiel optische Phased-Arrays) nutzen, um die Umgebung ohne bewegliche Teile zu scannen. Dies verringert die Größe und die Kosten der LiDAR-Einheiten drastisch. Tatsächlich hat Intels Mobileye angekündigt, dass es siliziumphotonische integrierte Schaltkreise in seinen LiDAR-Sensoren der nächsten Generation für autonomes Fahren um 2025 einsetzen wird tanaka-preciousmetals.com. Eine solche Integration könnte die LiDAR-Kosten senken und den Masseneinsatz in Autos ermöglichen. Siliziumphotonik-basiertes LiDAR kann durch die Nutzung mehrerer Wellenlängen oder kohärenter Detektionstechniken, die auf dem Chip integriert sind, auch schnelleres Scannen und höhere Auflösung erreichen. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass diese integrierten Lösungen in der Regel weniger Energie verbrauchen – ein wichtiger Faktor für Elektrofahrzeuge.

Laut Ansys „sind siliziumphotonik-basierte LiDAR-Lösungen kompakter, verbrauchen weniger Energie und sind günstiger in der Herstellung als Systeme, die aus diskreten Komponenten aufgebaut sind.“ ansys.com Das bringt auf den Punkt, warum Unternehmen von Start-ups bis zu Technologiekonzernen daran arbeiten, photonisches LiDAR zu entwickeln. Bereits heute sehen wir Prototypen von FMCW LiDAR (frequency-modulated continuous wave LiDAR), das empfindliche photonische Schaltkreise wie abstimmbare Laser und Interferometer benötigt. Siliziumphotonik ist hierfür eine natürliche Plattform, und Experten sagen voraus, dass integrierte Photonik entscheidend sein wird, um FMCW LiDAR im großen Maßstab realisierbar zu machen (aufgrund seiner großen Reichweite und Störungsresistenz) optics.org optics.org. In naher Zukunft werden Autos und Drohnen mit kleinen, chipbasierten LiDAR-Einheiten mit hoher Leistung ausgestattet sein – ein direktes Ergebnis der Innovationen in der Siliziumphotonik.

Über LiDAR hinaus gibt es weitere Anwendungen im Bereich Sensorik, darunter Gyroskope und Inertialsensoren (Ringlasergyroskope auf dem Chip für Navigation) sowie Spektrometer (integrierte optische Spektrometer für chemische Analysen). Der gemeinsame Nenner ist, dass Siliziumphotonik die Präzision optischer Messungen in ein miniaturisiertes, herstellbares Format bringt. Das eröffnet neue Möglichkeiten in der Unterhaltungselektronik (man denke an einen optischen Gesundheitssensor in einer Smartwatch), der industriellen Überwachung und wissenschaftlichen Instrumenten.

Quantencomputing und photonische Quantentechnologien

Im Streben nach Quantencomputern spielen Photonen (Lichtteilchen) eine einzigartige Rolle. Im Gegensatz zu Elektronen können Photonen große Entfernungen zurücklegen, ohne mit der Umgebung zu interagieren (nützlich für die Übertragung von Quanteninformationen), und bestimmte Quantencomputing-Schemata verwenden Photonen selbst als Qubits. Siliziumphotonik hat sich als führende Plattform für die Forschung an Quantencomputern und -netzwerken herauskristallisiert.

Mehrere Start-ups und Forschungsgruppen arbeiten an photonischen Quantencomputern, die siliziumbasierte photonische Schaltkreise nutzen, um Qubits, die im Licht codiert sind, zu erzeugen und zu manipulieren. Zum Beispiel arbeitet PsiQuantum, ein stark finanziertes Start-up, mit einer Halbleiterfabrik zusammen, um einen groß angelegten Quantencomputer mit Tausenden von siliziumphotonischen Qubit-Kanälen zu bauen. Die Idee ist, Geräte wie Einzelphotonenquellen, Strahlteiler, Phasenschieber und Photonendetektoren auf einem Chip zu integrieren, um Quantenlogik mit Photonen durchzuführen. Der Vorteil der Siliziumphotonik liegt hier in der Skalierbarkeit – da sie auf der CMOS-Fertigung aufbaut, kann man (theoretisch) sehr komplexe photonische Quantenschaltkreise mit Hunderten oder Tausenden von Komponenten erstellen, was bei anderen Quantenhardware-Ansätzen viel schwieriger ist. Tatsächlich haben Forscher kürzlich siliziumphotonische Chips mit Tausenden von Komponenten demonstriert, die gemeinsam zur Manipulation von Quantenlicht arbeiten nature.com.

Siliziumphotonik ermöglicht auch Quanten-Netzwerke – sichere Kommunikation mittels Quanten-Schlüsselverteilung (QKD) und verschränkten Photonen – indem sie eine Plattform für kompakte, stabile optische Quanten-Sender und -Empfänger bietet. Darüber hinaus können bestimmte Quantensensor-Technologien (wie optische Quanten-Gyroskope oder Einzelphotonen-LiDAR) Siliziumphotonik-Chips als Kern verwenden.

Eine große Herausforderung beim photonischen Quantencomputing ist die Erzeugung von Einzelphotonen auf Abruf und deren verlustarme Führung. Interessanterweise gelten für die Quantenphotonik die gleichen Einschränkungen (und Lösungen) wie für die klassische Siliziumphotonik: Silizium lasert nicht von Natur aus, daher verwenden photonische Quantenchips oft integrierte nichtlineare Prozesse oder Quantenpunktquellen zur Erzeugung von Einzelphotonen oder sie integrieren spezielle Materialien hybrid. Die Vorteile sind jedoch ähnlich – hohe Präzision und Miniaturisierung. Wie im Ansys-Bericht erwähnt, verwenden Quantencomputer Photonen für Berechnungen, und das Management dieser Photonen mit integrierter Photonik bringt Vorteile bei Geschwindigkeit, Genauigkeit und Kosten ansys.com. In der Praxis kann Siliziumphotonik die Stabilität und Herstellbarkeit bieten, die erforderlich sind, um Quantensysteme von Laborexperimenten auf reale Maschinen zu skalieren.

Abgesehen von der Datenverarbeitung sind quantenphotonic Sensoren (wie Interferometer, die Quantenzustände für zusätzliche Empfindlichkeit nutzen) und quantum random number generators weitere Bereiche, in denen Siliziumphotonik einen Einfluss hat. Während die photonische Quanteninformatik noch in der Entwicklung ist und wahrscheinlich noch einige Jahre von der Reife entfernt ist, unterstreicht die starke Investition in dieses Feld ihr Potenzial. Im Jahr 2022 betonte ein führender Forscher, Prof. John Bowers, dass die Siliziumphotonik sich rasant weiterentwickelt, mit vielen neuen Anwendungen, einschließlich Quanten, am Horizont nature.com. Es ist absehbar, dass die ersten large-scale quantum computers tatsächlich optische Computer sein könnten, die auf Siliziumphotonik-Chips basieren – ein faszinierender Kreis, in dem eine ursprünglich für die Telekommunikation entwickelte Technologie den nächsten Sprung in der Datenverarbeitung ermöglichen könnte.

Aktuelle Trends und Entwicklungen (2025)

Im Jahr 2025 gewinnt die Siliziumphotonik enorm an Dynamik. Eine Reihe von Trends hat sich vereint, um diese Technologie aus den Labors und Nischenanwendungen in den Mainstream der Technologiebranche zu bringen:

Daten-Engpass und Co-Packaged Optics: Die unersättliche Nachfrage nach Daten (insbesondere durch KI- und Cloud-Dienste) hat elektrische Verbindungen zu einem ernsthaften Engpass gemacht. Wir sind an dem Punkt, an dem man jedes Mal, wenn man die Bandbreite einer Verbindung verdoppelt, die Kupferkabellänge halbieren muss, um die Signalqualität zu erhalten nextplatform.com – ein nicht nachhaltiger Kompromiss. Diese Dringlichkeit hat Ansätze wie Co-Packaged Optics (CPO) in den Fokus gerückt, bei denen optische Engines direkt neben Switch-ASICs oder Prozessorchips platziert werden, um nahezu jede elektrische Übertragungsstrecke zu eliminieren. Im Jahr 2023 haben mehrere Unternehmen Co-Packaged Optics in Switches demonstriert (z. B. Broadcoms 25,6 Tb/s und 51,2 Tb/s Switch-Prototypen mit integrierten Laser-Photonik-Engines). Branchen-Roadmaps deuten darauf hin, dass 51,2 Tb/s Ethernet-Switch-Chips mit Co-Packaged Silizium-Photonik in den nächsten ein bis zwei Jahren auf den Markt kommen sollten tanaka-preciousmetals.com, und dass wir etwa 2026–2027 wahrscheinlich die ersten CPUs/GPUs sehen werden, die optische I/O direkt nutzen nextplatform.com. Mit anderen Worten: Das optische Zeitalter der Verbindungen steht in praktischen Systemen kurz bevor. Unternehmen wie Intel, Nvidia und Cisco entwickeln alle aktiv CPO-Lösungen. Tatsächlich haben Intels Tomambe-Projekt und andere bereits 1,6 Tb/s Photonik-Engines gezeigt, die mit Switch-Chips integriert sind tanaka-preciousmetals.com. Der allgemeine Konsens: Nach Jahren der Forschung geht Co-Packaged Optics vom Prototyp zum Produkt über und zielt darauf ab, den Energieverbrauch pro Bit zu senken, indem Lichtquellen näher an die Datenquelle gebracht werden (30 % Energieeinsparung gegenüber steckbaren Modulen, laut einer Schätzung laserfocusworld.com).
Anstieg von Investitionen und Startup-Aktivitäten: In den letzten Jahren gab es große Investitionen und Finanzierungen in Unternehmen der Siliziumphotonik. Dies spiegelt das Vertrauen wider, das die Branche in die Zukunft der Technologie hat. So sammelte Ayar Labs Ende 2024 in einer Series-D-Finanzierungsrunde 155 Millionen US-Dollar ein (und erreichte damit den „Unicorn“-Status mit einer Bewertung von über 1 Milliarde US-Dollar), um seine optischen I/O-Lösungen zu skalieren; bemerkenswert ist, dass diese Runde strategische Investitionen von Nvidia, AMD und Intel selbst enthielt nextplatform.com. Ebenso sicherte sich das Photonic-Computing-Startup Lightmatter 400 Millionen US-Dollar an Finanzierung im Jahr 2024, um seine optische KI-Beschleunigerplattform weiterzuentwickeln nextplatform.com. Ein weiteres Startup, Celestial AI, das sich auf optische Interconnects für KI konzentriert, sammelte Anfang 2024 nicht nur 175 Millionen US-Dollar ein, sondern übernahm auch das Siliziumphotonik-IP-Portfolio von Rockley Photonics (einem ehemals auf Sensorik fokussierten Photonikunternehmen) für 20 Millionen US-Dollar im Oktober 2024 datacenterdynamics.com. Durch diese Übernahme erhielt Celestial AI über 200 Patente im Bereich Siliziumphotonik und dies signalisiert eine gewisse Konsolidierung in der Branche – kleinere Akteure mit wertvoller Photonik-Technologie (Rockley hatte fortschrittliche Modulatoren und integrierte Optik für Wearables entwickelt) werden von Unternehmen übernommen, die sich auf Rechenzentren und KI-Märkte konzentrieren. Wir sahen außerdem, dass HyperLight und Lightium, zwei Startups, die sich auf dünnschichtige Lithium-Niobat-Photonikchips spezialisieren, 2023 gemeinsam 44 Millionen US-Dollar an Investitionen erhielten optics.org, was das Interesse an neuen Materialien zur Verbesserung der Siliziumphotonik unterstreicht (TFLN-Modulatoren können höhere Geschwindigkeiten und geringe Verluste bieten). Insgesamt befinden sich VC-Finanzierungen und Unternehmensunterstützung für Siliziumphotonik-Unternehmen auf einem Allzeithoch, was die Erkenntnis widerspiegelt, dass optische Technologie für zukünftige Halbleiter entscheidend ist.
Technologiereifung und Wachstum des Ökosystems: Ein weiterer Trend ist die Reifung des Siliziumphotonik-Ökosystems. Immer mehr Foundries und Zulieferer sind jetzt im Spiel. Früher hatten nur wenige Akteure (wie Intel oder Luxtera) End-to-End-Fähigkeiten. Jetzt bieten große Halbleiter-Foundries wie GlobalFoundries, TSMC und sogar STMicroelectronics Siliziumphotonik-Prozesslinien oder standardisierte photonic PDKs (Process Design Kits) für Kunden an ansys.com. Diese Standardisierung bedeutet, dass Start-ups oder kleinere Unternehmen photonische Schaltkreise entwerfen und fertigen lassen können, ohne eine eigene Fabrik bauen zu müssen – analog dazu, wie fabless Elektronik-Chip-Unternehmen arbeiten. Es gibt regelmäßige Multi-Project-Wafer-(MPW)-Shuttles für photonische Chips, bei denen mehrere Designs sich einen Wafer-Lauf teilen, was die Prototyping-Kosten drastisch senkt. Industriegruppen arbeiten an standardisierten Verpackungslösungen (optische I/O-Schnittstellen, Methoden zur Faseranbindung), damit photonische Chips leichter in Produkte integriert werden können. Die Gründung des American Institute for Manufacturing Integrated Photonics (AIM Photonics) war ein großer Schub: Dieses öffentlich-private Konsortium hat eine Siliziumphotonik-Foundry und Verpackungslinie in New York eingerichtet und wurde kürzlich mit einem 321-Millionen-Dollar-Programm über 7 Jahre (bis 2028) ausgezeichnet, um die Fertigung integrierter Photonik in den USA voranzutreiben nsf.gov. Ähnlich bieten in Europa Forschungsinstitute wie IMEC in Belgien und CEA-Leti in Frankreich Siliziumphotonik-Plattformen an und haben ein Cluster von Photonik-Start-ups gefördert. In China nimmt die Siliziumphotonik ebenfalls Fahrt auf, mit Unternehmen wie InnoLight und Huawei, die in inländische photonische Chip-Kapazitäten investieren optics.org optics.org. All diese Entwicklungen zeigen, dass Siliziumphotonik keine experimentelle Technologie mehr ist – sie wird zu einem Standardbestandteil des Halbleiter-Werkzeugkastens.
Höhere Geschwindigkeiten und neue Materialien: Technologisch sehen wir rasante Fortschritte bei der Leistungssteigerung von Silizium-Photonik-Bauteilen. 800G optische Transceiver sind jetzt als Muster verfügbar, 1,6-Tb/s-Module wurden demonstriert optics.org, und 3,2-Tb/s-steckbare Module werden bis 2026 erwartet optics.org. Um diese Geschwindigkeiten zu erreichen, setzen Ingenieure alles ein – von 16-Kanal-Wellenlängenmultiplexing bis hin zu fortschrittlichen Modulationsformaten – und nutzen im Wesentlichen den optischen Bereich, um mehr Bits zu übertragen. Auf Bauteilebene werden neue Materialien in die Silizium-Photonik integriert, um die Grenzen von Silizium zu überwinden. Ein herausragendes Beispiel ist dünnschichtiges Lithiumniobat (TFLN) auf Silizium, das sehr schnelle Pockels-Effekt-Modulatoren mit geringer Dämpfung ermöglicht. Dies könnte Modulatoren ermöglichen, die Modulationsbandbreiten von über 100 GHz bewältigen – geeignet für zukünftige 1,6T- und 3,2T-Verbindungen oder sogar für Quantenanwendungen optics.org. Start-ups wie HyperLight vermarkten diese hybriden LiNbO3/Si-Chips. Weitere Materialien in der Forschung und Entwicklung sind Bariumtitanat (BTO)-elektrooptische Modulatoren und mit Seltenerdmetallen dotierte Materialien für On-Chip-Laser/Verstärker optics.org. Es wird auch weiterhin daran gearbeitet, III-V-Halbleiter (InP, GaAs) auf Silizium zu integrieren, um bessere Laser und optische Verstärker zu erhalten – zum Beispiel wurden Quantenpunktlaser, die direkt auf Silizium gewachsen sind, stark verbessert und beheben Zuverlässigkeitsprobleme, die frühere Versuche behinderten nature.com nature.com. Kurz gesagt, die Materialpalette für Silizium-Photonik wird breiter, was zu höherer Leistung und neuen Funktionen führen wird. Wir sehen sogar, dass auf Silizium-Photonik basierende Mikrokämme (optische Frequenzkammquellen) für Anwendungen wie ultraschnelle Datenübertragung und präzise Spektroskopie eingesetzt werden – etwas, das vor einem Jahrzehnt noch undenkbar schien.
Neue Anwendungen & Produkte: Neben den Kernanwendungen entstehen 2025 einige neue Anwendungsfälle. Einer davon ist optisches Computing für KI (zuvor besprochen), das sich von Forschungsdemonstrationen zu ersten Produkten entwickelt – zum Beispiel hat Lightelligence eine photonische Computing-Hardware zur Beschleunigung von KI-Inferenz vorgestellt. Ein weiterer Bereich sind Chip-zu-Chip-Optikverbindungen im Advanced Packaging: Während Unternehmen Multichip-Module und Chiplets erforschen, können optische Verbindungen diese Chiplets mit hoher Geschwindigkeit über ein Package oder einen Interposer verbinden. Standards wie UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express) erwägen sogar optische PHY-Erweiterungen. Auch von Regierungsseite gibt es Interesse: DARPA und andere Behörden haben Programme, um photonische Interconnects in Verteidigungssystemen einzusetzen (für High-End-Processing und HF-Signalführung). Und im Consumer-Bereich wird spekuliert, dass in wenigen Jahren optische I/O in Endgeräten auftauchen könnte – etwa ein AR/VR-Headset mit einem Siliziumphotonik-Chip für hochbandbreitige Sensorverbindungen oder ein optisches Thunderbolt-Kabel für AR-Brillen. Auch wenn das noch nicht Realität ist, stehen diese Ideen bereits auf dem Reißbrett.

Zusammenfassend lässt sich sagen: 2025 befindet sich die Siliziumphotonik an einem Wendepunkt: Bedeutende kommerzielle Produkte kommen auf den Markt (vor allem im Netzwerkbereich), enorme Investitionen fließen, und das Ökosystem reift. Es wird immer deutlicher, dass Optik künftig eine grundlegende Rolle in Computing und Konnektivität spielen wird. Wie ein Branchenkommentator sagte, erwarten viele, dass optische I/O in der zweiten Hälfte dieses Jahrzehnts von Pilotlinien in die Massenproduktion übergeht – „die Compute-Engines der Generation 2025 haben vielleicht noch keine Siliziumphotonik, aber die Generation 2026 könnte sie haben und die Generation 2027 wird sie fast sicher haben“, weil wir letztlich keine Wahl haben – „die Zeit des Kupfers ist abgelaufen.“ nextplatform.com

Herausforderungen und Einschränkungen

Trotz aller Begeisterung steht die Siliziumphotonik vor mehreren Herausforderungen und Einschränkungen, die Forscher und Ingenieure aktiv zu überwinden versuchen. Es ist eine transformative Technologie, aber kein Allheilmittel – zumindest noch nicht. Hier sind die wichtigsten Hürden:

Integration von Lichtquellen: Vielleicht die berüchtigtste Einschränkung ist, dass Silizium nicht gut darin ist, Licht zu erzeugen. Silizium hat eine indirekte Bandlücke, was bedeutet, dass es weder als Laser noch als effiziente LED fungieren kann. Wie der Photonik-Pionier John Bowers unverblümt sagt: „Silizium ist unglaublich schlecht als Lichtemitter.“ nature.com Seine interne Effizienz ist nahezu null – etwa einer von einer Million Elektronen in Silizium erzeugt ein Photon – während III-V-Halbleiter wie Indiumphosphid oder Galliumarsenid Licht mit nahezu 100% Effizienz emittieren können nature.com. Das bedeutet, dass man für Laser auf einem Silizium-Photonik-Chip typischerweise andere Materialien einbringen muss. Dies kann durch hybride Integration (Verbindung eines InP-Wafers mit Laserdioden auf den Siliziumwafer) oder neuere Techniken wie das direkte Wachstum nanostrukturierter III-V-Laser auf Silizium geschehen. Die Fortschritte in diesem Bereich sind vielversprechend: Unternehmen und Labore (Intel, UCSB usw.) haben hybrid integrierte Laser im großen Maßstab demonstriert und kürzlich sogar Quantenpunkt-Laser, die auf 300-mm-Siliziumwafern mit guter Zuverlässigkeit gewachsen wurden nature.com nature.com. Dennoch erhöht die Integration von Lasern die Komplexität und die Kosten. Befindet sich der Laser außerhalb des Chips (in einem separaten Lasermodul, das über eine Faser gekoppelt ist), steht man vor der Herausforderung, dieses Licht effizient in die winzigen Wellenleiter auf dem Chip einzukoppeln. Kurz gesagt, Licht auf den Chip zu bringen ist keine triviale Aufgabe. Die Branche erforscht Lösungen wie heterogene Integration (mehrere Materialien auf einem Chip) und sogar neuartige Ansätze wie elektrisch gepumpte Germanium-Silizium-Laser oder Raman-Laser auf Silizium, aber diese befinden sich noch in der Entwicklung. Stand 2025 verwenden die meisten Silizium-Photonik-Systeme entweder Hybridlaser oder extern gekoppelte Laser. Dies ist ein zentrales Feld laufender Forschung.
Herstellung und Ausbeute: Siliziumphotonik-Schaltkreise können in bestehenden Fertigungsanlagen hergestellt werden, haben jedoch andere Anforderungen als elektronische Chips. Optik erfordert zum Beispiel eine sehr präzise Kontrolle der Abmessungen – Abweichungen von nur wenigen Nanometern in der Wellenleiterbreite oder im Abstand können die Wellenlänge von Resonatoren oder die Phase des Lichts verändern. Eine hohe Ausbeute (d. h. gleichbleibende Leistung über viele Chips hinweg) zu erreichen, ist eine Herausforderung. Darüber hinaus kann die Integration mehrerer Materialtypen (Silizium, Siliziumnitrid, III-V-Halbleiter, Metalle) in einem Prozessablauf die Komplexität erhöhen. Das Einkoppeln von Fasern in den Chip ist ebenfalls eine Herausforderung für Ausbeute und Fertigung; das Ausrichten winziger optischer Fasern an mikrometergroße Wellenleiterfacetten erfordert derzeit oft teure aktive Ausrichtung. Einige dieser Schritte sind in der Fertigung noch halbmanuell, was sich nicht gut skalieren lässt. Es gibt viele Bemühungen, Verpackungstechniken zu verbessern, etwa durch den Einsatz standardisierter Faseranschlusseinheiten oder durch die Integration von Gitterkopplern, die es ermöglichen, Licht von oben leichter in den Chip einzukoppeln. Die Verpackung von kombinierten elektronischen + photonischen Chips ist ebenfalls schwierig – zum Beispiel, wenn sich ein photonischer Chip und ein elektronischer ASIC im selben Gehäuse befinden, müssen sie ausgerichtet werden und auch das Wärmemanagement muss stimmen (da heiße Elektronik die Photonik stören kann). Ansys merkt an, dass, wenn Elektronik und Photonik sich einen Chip teilen, der Fertigungsansatz die Anforderungen beider ausbalancieren muss, und wenn es sich um separate Chips handelt, fortschrittliche Verpackung erforderlich ist – „die Wärmeentwicklung in der Elektronik kann die Photonik beeinflussen.“ ansys.com Thermisches Tuning ist ein weiteres Problem: Viele siliziumphotonische Filter und Modulatoren beruhen auf thermischen Effekten, sodass Temperaturänderungen die Schaltkreise verstimmen können und Energie zur Stabilisierung benötigt wird. All dies erschwert die Fertigung und treibt die Kosten in die Höhe.
Kosten und Volumen: Apropos Kosten – während Siliziumphotonik geringe Kosten verspricht, indem sie auf hochvolumige Silizium-Fabs zurückgreift, ist die heutige Realität, dass diese Geräte immer noch relativ nischig und teuer sind. Die Branche liefert Millionen von Einheiten aus (als Transceiver in Rechenzentren), aber um die Kosten wirklich zu senken, müssten wahrscheinlich Milliarden von Einheiten jährlich ausgeliefert werden ansys.com. Mit anderen Worten: Sie hat noch nicht das Niveau von Massenware-Elektronik erreicht. Die Geräte erfordern oft auch spezielle Verpackungen (wie erwähnt) und Tests, was zusätzliche Kosten verursacht. Ein aktueller Siliziumphotonik-Transceiver für Rechenzentren kann Hunderte oder Tausende Dollar kosten, was für diesen Markt akzeptabel, aber für Verbrauchermärkte zu hoch ist. Die Wirtschaftlichkeit ist im sehr großen Maßstab etwas unsicher – wie ein Bericht feststellte, machen sich große Cloud-Käufer Sorgen um Zuverlässigkeit und Kostenstruktur, falls sie Siliziumphotonik breit einsetzen würden, da die Technologie die Fertigungserfahrungskurve von Mainstream-Silizium noch nicht erreicht hat nextplatform.com. Allerdings verbessern sich die Kosten stetig, und Initiativen wie Foundry-Standard-PDKs und Automatisierung helfen dabei. In den nächsten Jahren, wenn das Volumen steigt (angetrieben durch KI und Rechenzentren), sollten die Kosten sinken, was wiederum weitere Märkte erschließt (es ist ein positiver Kreislauf, sobald er in Gang kommt). Dennoch kann im Jahr 2025 der Gerätepreis ein begrenzender Faktor für die Einführung von Siliziumphotonik in kostenempfindlichen Anwendungen sein.
Stromverbrauch und Effizienz: Während Siliziumphotonik den Energieverbrauch für Datenübertragung bei sehr hohen Geschwindigkeiten senken kann, verbrauchen die Geräte selbst weiterhin Strom – z. B. verwenden Modulatoren oft thermisches Tuning oder PN-Übergänge, die Strom ziehen, und Laser verbrauchen natürlich ebenfalls Energie. Es gibt einen Overhead für die Umwandlung elektronischer Signale in optische und zurück. Damit auf Systemebene tatsächlich Energie gespart wird, müssen diese Overheads kleiner sein als die Einsparungen durch den Wegfall langer elektrischer Leitungen. Die heutigen Siliziumphotonik-Transceiver sind ziemlich energieeffizient (im Bereich von wenigen Pikojoule pro Bit für die optische Umwandlung), aber es gibt Bestrebungen, noch niedriger zu kommen, besonders wenn optische I/O auf dem Chip oder in Speicherbussen eingesetzt wird, wo die Effizienz sehr hoch sein muss. Ein vielversprechender Ansatz ist die Verwendung von elektro-optischen Materialien (wie LiNbO3 oder BTO), die Licht mit sehr niedriger Spannung (und damit geringerem Stromverbrauch) modulieren können, anstatt thermisches Tuning zu nutzen. Auch die Integration effizienterer Lichtquellen (wie Quantenpunkt-Lasern) könnte den Laserenergieverlust verringern (aktuelle DFB-Laser verschwenden oft viel Energie als Wärme). Während Siliziumphotonik also das Interconnect-Stromproblem auf Makroebene adressiert, optimieren Ingenieure auf Mikroebene weiterhin den Stromverbrauch einzelner Bauteile. Die gute Nachricht: Selbst mit aktueller Technologie können Co-Packaged Optics den gesamten Interconnect-Stromverbrauch um ~30 % gegenüber traditionellen Pluggables senken laserfocusworld.com, und zukünftige Verbesserungen werden diese Einsparungen wahrscheinlich noch erhöhen.
Design und Design-Tools: Dies ist eine weniger offensichtliche, aber wichtige Herausforderung: Das Entwerfen photonischer Schaltungen erfordert neue Fähigkeiten, und die EDA (Electronic Design Automation)-Tools für Photonik sind nicht so ausgereift wie die für Elektronik. Die Simulation optischer Schaltungen, insbesondere großer mit vielen Komponenten, kann komplex sein. Die Variabilität in der Fertigung muss im Design berücksichtigt werden (man benötigt eventuell thermische Tuner, um kleine Fehler zu korrigieren). Es besteht Bedarf an besseren Design-Tools, die elektronische und photonische Schaltungsteile gemeinsam optimieren können, oft als EPDA (Electronic Photonic Design Automation) bezeichnet. Das Ökosystem holt auf – Unternehmen wie Synopsys, Cadence und Lumerical (Ansys) bieten Tools für das photonic Design an – aber es ist immer noch ein sich entwickelndes Feld. Ein verwandtes Problem ist der Mangel an Standards in einigen Bereichen: Während viele Foundries PDKs anbieten, haben sie möglicherweise jeweils unterschiedliche Komponentenbibliotheken und Parameter. Das kann Designs weniger portabel machen als elektronische Designs. Die Branche bewegt sich in Richtung gemeinsamer Standards (zum Beispiel das Layout-Austauschformat für photonische Schaltungen oder standardisierte Komponentenmodelle), aber es ist noch mehr Arbeit nötig, um den Design-Flow zu optimieren. Auch der Aufbau eines robusten Talentpools ist entscheidend: Es werden Ingenieure benötigt, die sowohl das RF/Mikrowellen-Analogdesign als auch die optische Physik verstehen, und diese sind rar (obwohl viele Universitäten inzwischen Absolventen in diesem interdisziplinären Bereich hervorbringen).
Leistungsbegrenzungen: Auch wenn Siliziumphotonik bestimmte Kennzahlen dramatisch verbessert, hat sie ihre eigenen physikalischen Grenzen. Optische Verluste in Wellenleitern, obwohl gering (~dB/cm-Bereich), summieren sich in großen Schaltungen, und enge Biegungen oder kleine Strukturen können die Verluste erhöhen. Auch der Faser-zu-Chip-Kopplungsverlust muss minimiert werden. Thermische Empfindlichkeit von Silizium (Brechungsindex ändert sich mit der Temperatur) bedeutet, dass viele photonische Siliziumschaltungen stabilisiert oder kalibriert werden müssen. Bandbreitenbegrenzungen können bei Modulatoren oder Detektoren auftreten – zum Beispiel haben Silizium-Ringmodulatoren eine endliche Bandbreite und können temperaturempfindlich sein, während Mach-Zehnder-Modulatoren sorgfältig konstruiert werden müssen, um sehr hohe Geschwindigkeiten ohne Verzerrung zu erreichen. Chromatische Dispersion in Wellenleitern kann sehr breite Wellenlängenanwendungen begrenzen (ist aber meist kein Problem auf den kurzen Distanzen auf dem Chip). Ein weiterer subtiler Punkt: Die elektronische-photonische Integration bedeutet, dass man oft die Elektronik mit den Photonik-Komponenten gemeinsam entwickeln muss (wie Treiberverstärker, TIAs für Detektoren). Die Schnittstelle zwischen ihnen kann die Gesamtleistung begrenzen (z. B. wenn ein Modulator einen bestimmten Spannungshub benötigt, braucht man einen Treiber, der diesen schnell liefern kann). Das System-Engineering ist also komplex. Außerdem sind nicht alle Anwendungen für Photonik geeignet – für sehr kurze, langsame Verbindungen kann Elektronik immer noch günstiger und einfacher sein. Zu wissen, wo Siliziumphotonik den größten Nutzen bringt, ist also selbst eine Überlegung wert.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass keine dieser Herausforderungen unüberwindbar ist, sie aber in ihrer Gesamtheit bedeuten, dass die Siliziumphotonik noch Entwicklungspotenzial hat. Viele der klügsten Köpfe aus der Photonik und Elektronik arbeiten aktiv an diesen Problemen: bessere Laser integrieren, das Packaging verbessern, die Produktion skalieren und die Designmöglichkeiten erweitern. Die Fortschritte allein in den letzten Jahren sind ermutigend. Wie Prof. Bowers anmerkte, werden Herausforderungen wie die Integration von III-V-Lasern in CMOS, die Verbesserung der Ausbeute und des Faseranschlusses sowie die Senkung der Kosten mit „sehr schnellen Fortschritten“ nature.com angegangen. Jedes Jahr bringt Verbesserungen, und die Lücke zwischen Laborprototyp und Massenproduktion wird etwas kleiner. Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass elektronische ICs Jahrzehnte intensiver Arbeit benötigten, um die heutige Skalierung zu erreichen – die Siliziumphotonik befindet sich im Vergleich dazu noch in einer viel früheren Phase ihrer Entwicklung, holt aber schnell auf.

Führende Unternehmen und Institutionen auf diesem Gebiet

Die Siliziumphotonik ist zu einem globalen Unterfangen geworden, bei dem viele Unternehmen (von Start-ups bis zu Technologiegiganten) und Forschungseinrichtungen das Feld vorantreiben. Laut Marktforschung gehören zu den führenden Akteuren auf dem Siliziumphotonik-Markt (Stand 2025) Branchengrößen wie Cisco, Intel und IBM, neben Spezialisten wie NeoPhotonics (Lumentum), Hamamatsu Photonics und STMicroelectronics expertmarketresearch.com. Hier ein Überblick über einige wichtige Mitwirkende:

Intel Corporation (USA): Als Pionier in der Siliziumphotonik hat Intel früh und umfangreich in die Technologie investiert. Das Unternehmen brachte 2016 einen der ersten 100G-Siliziumphotonik-Transceiver auf den Markt und hat seitdem Millionen von Geräten ausgeliefert optics.org. Intel setzt Siliziumphotonik in Hochgeschwindigkeits-Optik-Transceivern ein und treibt deren Einsatz in zukünftigen Server-CPUs und Edge-Anwendungen voran. Die Vision des Unternehmens ist es, „künftiges Bandbreitenwachstum im Rechenzentrum zu ermöglichen“ durch Photonik, von 100G auf 400G und darüber hinaus zu skalieren und Optik mit Prozessoren für Anwendungen wie 5G und autonome Fahrzeuge zu integrieren expertmarketresearch.com, tanaka-preciousmetals.com. Die Silicon Photonics-Sparte von Intel ist kürzlich eine Partnerschaft mit Jabil für die Fertigung eingegangen, was auf eine Reifung hin zur Massenproduktion hindeutet optics.org. Intel forscht außerdem an co-packaged Optics für Switches und ist an zahlreichen Photonik-Startups beteiligt (wie Ayar Labs).
Cisco Systems (USA): Cisco, ein Netzwerk-Gigant, ist durch Übernahmen (z. B. Übernahme von Luxtera im Jahr 2019) in die Siliziumphotonik eingestiegen und ist heute ein führender Anbieter von silicon photonic optical transceivers für Rechenzentren und Telekommunikation. Cisco setzt seine Photonik-Technologie in Produkten von 100G/400G steckbaren Modulen bis hin zu zukünftigen co-packaged optischen Switches ein. Ciscos Lösungen profitieren vom hausinternen Design photonischer ICs, die hohe Dichte und Energieeffizienz erreichen. Durch den Einsatz von Siliziumphotonik bietet Cisco seinen Kunden Hochgeschwindigkeitsverbindungen mit kleineren Formfaktoren. Im Jahr 2025 ist Cisco einer der Marktführer, die Siliziumphotonik in großen Stückzahlen ausliefern expertmarketresearch.com.
IBM Corporation (USA): IBM verfügt über eine lange Geschichte in der Forschung zu optischen Verbindungen. Das Silicon Photonics-Team, mit über einem Jahrzehnt F&E, hat Hochgeschwindigkeits-Optikverbindungstechnologien für Board- und Prozessor-Interconnects entwickelt expertmarketresearch.com. Die Forschung von IBM hat Fortschritte bei Silizium-Mikroringmodulatoren, Wellenlängenmultiplexing und Packaging hervorgebracht. Während IBM keine Transceiver wie Intel oder Cisco verkauft, arbeitet das Unternehmen häufig an Prototypen mit (zum Beispiel zeigten IBM und Mellanox 2015 eine optische Verbindung für Server). Der Schwerpunkt von IBM liegt darauf, mit Photonik Engpässe in der Datenverarbeitung zu lösen (z. B. nutzt der POWER10-Prozessor photonische Verbindungen für Off-Chip-Signale über Partnerschaften). IBM trägt auch zu Standards und offener Forschung bei; die Arbeiten erscheinen häufig auf Konferenzen wie OFC und CLEO.
NeoPhotonics/Lumentum (USA): NeoPhotonics (seit 2022 Teil von Lumentum) ist auf Laser und photonische Komponenten für Telekommunikation und Rechenzentren spezialisiert. Sie haben ultrareine, abstimmbare Laser und Hochgeschwindigkeitsmodulatoren entwickelt. Bemerkenswert ist, dass NeoPhotonics siliziumphotonische kohärente optische Subbaugruppen (COSAs) für 400G pro Wellenlänge Kommunikation eingeführt hat und an 800G und darüber hinaus forschte expertmarketresearch.com. Als Teil von Lumentum (einem wichtigen Akteur der optischen Industrie) trägt diese Expertise zur Entwicklung der nächsten Generation kohärenter Transceiver und steckbarer Module für die Telekommunikation bei. Die Zugehörigkeit zu Lumentum bedeutet, dass diese Siliziumphotonik-Produkte mit dem bestehenden Photonik-Portfolio von Lumentum (z. B. deren Indiumphosphid-Modulatoren und -Verstärker) integriert werden können.
Hamamatsu Photonics (Japan): Als führender Anbieter von optoelektronischen Komponenten stellt Hamamatsu eine breite Palette photonischer Geräte her (Photodioden, Photomultiplier, Bildsensoren usw.). Hamamatsu nutzt Siliziumprozesse zur Herstellung von beispielsweise Silizium-Photodioden-Arrays und siliziumbasierten optischen Sensoren expertmarketresearch.com. Obwohl der Fokus nicht so stark auf Hochgeschwindigkeitstransceivern liegt, ist Hamamatsus Arbeit im Bereich Siliziumphotonik entscheidend für Sensorik und wissenschaftliche Instrumentierung. Sie bieten Silizium-PIN-Photodioden, APDs und optische Sensorschips an, die grundlegend für optische Kommunikations-Empfänger und LiDAR-Detektoren sind. Ihre Expertise in rauscharmer, hochempfindlicher Photonik ergänzt die digitale Kommunikationsseite der Siliziumphotonik.
STMicroelectronics (Schweiz/Europa): STMicro ist ein großer Halbleiterhersteller, der eigene Siliziumphotonik-Kapazitäten entwickelt hat. Der Fokus von STMicro liegt auf integrierten Bildverarbeitungs- und Sensortechnologien – zum Beispiel haben sie siliziumphotonische Chips für faseroptische Kreisel produziert und an F&E für optische Verbindungen in europäischen Konsortien gearbeitet. Die fortschrittlichen Fertigungsstätten und MEMS-Fähigkeiten von STMicro positionieren das Unternehmen gut für Siliziumphotonik, die eine Integration mit anderen Sensoren oder Elektronik erfordert expertmarketresearch.com. Länder wie Frankreich und Italien (wo ST große Standorte hat) unterstützen Photonik durch Initiativen, und ST ist oft Partner dabei. Es wird auch gemunkelt, dass sie einige siliziumphotonische Komponenten für Industrie- und Automobilsysteme liefern.
GlobalFoundries (USA) und TSMC (Taiwan): Diese Auftragsfertiger für Chips haben jeweils Siliziumphotonik-Angebote etabliert. GlobalFoundries verfügt über einen bekannten 45-nm-Siliziumphotonik-Prozess (GF 45CLO) und hat mit Start-ups wie Ayar Labs zusammengearbeitet, um optische I/O-Chips herzustellen. TSMC ist zurückhaltender, arbeitet Berichten zufolge aber mit großen Technologiefirmen an photonisch integrierten Chips (zum Beispiel deuten einige Apple-Gerüchte auf eine Beteiligung von TSMC an photonischen Sensoren hin). Beide sind entscheidend für die Skalierung der Produktion – wenn große Foundries beteiligt sind, können fabless Unternehmen Prototypen und Serienfertigung photonischer Chips leichter erhalten. Tatsächlich ist die Beteiligung solcher Foundries ein starkes Indiz dafür, dass Siliziumphotonik zum Mainstream wird.
Infinera (USA) und Coherent/II-VI (USA): Infinera ist ein Telekommunikationsausrüster, der sich früh für photonisch integrierte Schaltkreise (allerdings auf Indiumphosphid-Basis) eingesetzt hat. Inzwischen nutzen sie auch Siliziumphotonik in einigen Produkten oder für das Co-Packaging mit ihren InP-PICs. Coherent (das Finisar übernommen hat und später den Namen Coherent annahm) ist stark im Bereich optischer Komponenten engagiert; sie verfügen über eigene InP-Fabs, entwickeln aber auch siliziumphotonische Transceiver für Rechenzentren optics.org. Diese Unternehmen bringen einen Telekommunikations-Fokus auf Zuverlässigkeit und Leistung ein und treiben die Siliziumphotonik dazu, Carrier-Class-Anforderungen zu erfüllen (z. B. 400ZR-Module für kohärente Verbindungen über größere Entfernungen).
Ayar Labs, Lightmatter und Startups: Eine Welle von innovativen Startups treibt die Siliziumphotonik in neue Bereiche. Wir haben Ayar Labs (optisches I/O für KI/HPC) und Lightmatter (optisches Computing) besprochen. Weitere sind Lightelligence (ein weiteres optisches KI-Chip-Startup), Luminous Computing (Integration von Photonik und Elektronik für KI), Celestial AI (optische Netzwerke für Compute-Cluster), OpenLight (ein Joint Venture, das eine offene photonische Plattform mit integrierten Lasern anbietet) und Rockley Photonics (fokussiert auf Gesundheitssensoren, inzwischen größtenteils von Celestial übernommen). Diese Startups sind bemerkenswert für ihre ambitionierten Ansätze – z. B. Lightmatters 3D-integrierter photonischer Tensor-Core oder Luminous’ Versuch, einen Full-Stack-photonischen Computer zu bauen. Sie arbeiten oft mit großen Unternehmen zusammen (zum Beispiel hat HPE mit Ayar Labs kooperiert, um optische Interconnects in einem Supercomputer-Interconnect-Fabric zu nutzen nextplatform.com). Die Startup-Szene ist lebendig, und ihre Präsenz hat die etablierten Unternehmen zu schnellerem Handeln gezwungen. Ein Branchenbeobachter bemerkte, dass neben Ayar auch Unternehmen wie Lightmatter und Celestial AI „alle eine Chance haben, Fortschritte zu machen, da Siliziumphotonik die Brücke zwischen Compute-Engines und Interconnects schlägt.“ nextplatform.com
Akademische und Forschungseinrichtungen: Auf der institutionellen Seite sind führende Universitäten und nationale Labore entscheidend für den Fortschritt der Siliziumphotonik. Die University of California, Santa Barbara (UCSB) unter Prof. John Bowers ist ein Kraftzentrum und hat hybride Siliziumlaser und Quantenpunktlaser auf Silizium maßgeblich vorangetrieben. MIT, Stanford, Columbia (mit der Gruppe von Prof. Michal Lipson) und Caltech sind weitere US-Zentren der Siliziumphotonik-Forschung und arbeiten an allem, von neuer Modulatorphysik bis zu photonischen Computerarchitekturen. In Europa betreibt IMEC in Belgien ein bedeutendes Siliziumphotonik-Programm und einen Multi-Projekt-Wafer-Service (iSiPP), und die University of Southampton, TU Eindhoven, EPFL und andere verfügen über starke Forschungsgruppen. Das AIM Photonics-Institut in den USA (oben erwähnt) vereint viele dieser Universitäten und Unternehmen zur Zusammenarbeit und bietet eine nationale Foundry-Kapazität. Staatliche Labore wie das MIT Lincoln Lab und IMEC haben sogar fortschrittliche integrierte Photonik für die Verteidigung demonstriert (z. B. optische Phased-Arrays für LiDAR). Darüber hinaus ermöglichen internationale Kooperationen und Konferenzen (wie die Optical Fiber Conference, ISSCC, IEEE Photonics Society Meetings) diesen Institutionen, Durchbrüche zu teilen. Das Feld profitiert von einer gesunden Akademie-Industrie-Pipeline: Viele Gründer von Startups und Branchenführer wurden in diesen Forschungslaboren ausgebildet, und laufende akademische Forschung treibt die Entwicklung weiter voran (zum Beispiel neue Materialintegration oder Quantenphotonik, wie erwähnt).

All diese Akteure – große Tech-Unternehmen, spezialisierte Komponentenhersteller, ambitionierte Startups und führende Forschungslabore – bilden ein reichhaltiges Ökosystem, das gemeinsam die Siliziumphotonik vorantreibt. Der Wettbewerb und die Zusammenarbeit zwischen ihnen beschleunigen die Innovation. Bemerkenswert ist, dass sogar die Geopolitik eine Rolle spielt: Es gibt ein Bewusstsein für ein Rennen zwischen den USA, Europa und China darum, wer bei photonischen Technologien führend sein wird csis.org, angesichts ihrer strategischen Bedeutung für Kommunikation und Computing. Dies hat zu erhöhten öffentlichen Investitionen geführt (z. B. das PhotonHub der EU und Chinas nationale Photonik-Initiativen). Für den allgemeinen Technikinteressierten ist die Quintessenz, dass weltweit viele kluge Köpfe und erhebliche Ressourcen darauf verwendet werden, unsere zukünftigen Chips mit Licht kommunizieren zu lassen.

Expertenmeinungen und Zitate

Im Zuge des Aufstiegs der Siliziumphotonik haben Experten auf diesem Gebiet Perspektiven angeboten, die helfen, ihre Auswirkungen einzuordnen. Hier sind einige bemerkenswerte Einblicke:

Zum Paradigmenwechsel in der Siliziumphotonik: „Ich habe Siliziumphotonik oft als mehr als nur eine inkrementelle Verbesserung beschrieben – es ist ein Paradigmenwechsel“, sagt René Jonker, ein Manager bei Soitec, und betont, dass im Gegensatz zu Kupferverbindungen, die an ihre Grenzen stoßen, optische Verbindungen eine nachhaltige Möglichkeit bieten, den steigenden Datenbedarf zu bewältigen. Auch wenn noch Herausforderungen bestehen, die Kosten zu senken und die Fertigung zu skalieren, machen die Vorteile – „höhere Bandbreite, geringere Latenz und niedrigerer Stromverbrauch“ – die Siliziumphotonik „zu einem unverzichtbaren Bestandteil unserer zukünftigen Infrastruktur.“ laserfocusworld.com
Zu Energieverbrauch und Optik im Rechenzentrum: Ein Kommentar in Laser Focus World 2025 hob die Dringlichkeit in Rechenzentren hervor: Bis zum Ende des Jahrzehnts könnten Rechenzentren 8 % des US-Stroms verbrauchen, wenn der Trend anhält, was „mit bestehenden elektrischen Verbindungen nicht nachhaltig ist.“ Der Autor kam zu dem Schluss, dass „optische Verbindungen, ermöglicht durch Siliziumphotonik, der einzige skalierbare Weg nach vorn sind.“ laserfocusworld.com Anders gesagt: Um eine Energie- und Bandbreitenkrise zu vermeiden, ist der Umstieg auf optische Verbindungen nicht nur eine Option – sondern notwendig.
Zu Integrationsherausforderungen: Professor John Bowers (UCSB), eine Koryphäe der Photonik, äußerte sich zur größten Herausforderung: „Die größte Herausforderung ist die Integration von III-V-Materialien in Silizium-CMOS… Es gibt noch Probleme bei hohen Ausbeuten, hoher Zuverlässigkeit, Kostenreduktion und Faseranbindung. Das Packaging von Elektronik und Photonik zusammen ist eine Herausforderung… Aber der Fortschritt ist sehr schnell.“ nature.com Das unterstreicht: Auch wenn die Integration von Lasern (III-V-Materialien) und perfekte Ausbeuten schwierig sind, machen Branchenführer wie Intel stetige Fortschritte und Lösungen sind in Sicht.
Zur Lichterzeugung in Silizium: Im selben Interview gab Bowers eine anschauliche Erklärung, warum Laser etwas anderes als Silizium brauchen: „Silizium ist ein unglaublich schlechter Lichtemitter. Seine interne Quanteneffizienz liegt bei etwa einem Teil pro Million, während die Effizienz eines direkten Bandlücken-III-Vs praktisch 100 % beträgt. Ich wusste von Anfang an, dass wir einen direkten Bandlücken-Halbleiter brauchen…“ nature.com. Diese offene Einschätzung erklärt, warum sein Team früh auf Hybridlaser (Verbindung von InP mit Si) setzte – ein Ansatz, der sich mit Intels Hybrid-Siliziumlaser 2007 und darüber hinaus auszahlte.
Beim Erreichen des Servers mit Optik: Intels Senior Director of Photonics, Robert Blum, veranschaulichte, wie sich Optik in Rechenzentren immer weiter nach innen bewegt: „Wenn Sie heute ein Rechenzentrum betreten, sehen Sie 100-Gb/s-Kupferkabel… das reicht für vier Meter. Aber alles außerhalb des Racks nutzt bereits Optik. Wenn wir auf 200 oder 400 Gb/s erhöhen, wird die Reichweite von Kupfer deutlich kürzer und wir sehen diesen Trend, dass Optik bis zum Server reicht.“ tanaka-preciousmetals.com Dieses Zitat veranschaulicht den laufenden Wandel sehr anschaulich – Optik ersetzt Kupfer stetig vom Kern des Netzwerks bis an die Ränder.
Zum Marktwachstum und KI: „Der Aufstieg der KI hat eine beispiellose Nachfrage nach Hochleistungs-Transceivern ausgelöst… Siliziumphotonik und PICs stehen an der Spitze dieser Revolution“, beobachtet Sam Dale, Tech-Analyst bei IDTechX, und verweist auf die Fähigkeit der Siliziumphotonik, „Geschwindigkeiten von 1,6 Tbps und mehr“ zu liefern. optics.org Sein Bericht prognostiziert, dass der Markt für photonisch integrierte Schaltkreise bis 2035 nahezu um das Zehnfache wachsen könnte (auf 54 Milliarden US-Dollar), was vor allem durch den Bedarf von KI-Rechenzentren optics.org angetrieben wird.
Zur Zukunft des Computing: Analysten von The Next Platform sehen optische I/O in naher Zukunft in HPC-Systemen. Sie merken an, dass wir bis 2026–2027 wahrscheinlich Mainstream-CPUs/GPUs mit optischen Schnittstellen sehen werden, weil „wir kurzfristig keine andere Wahl haben.“ In ihrer bildhaften Formulierung: „Die Zeit des Kupfers ist abgelaufen.“ nextplatform.com Das fasst ein weit verbreitetes Gefühl in der Branche zusammen: Elektrische Verbindungen reichen für die nächste Ära des Computing nicht mehr aus, und die Photonik muss übernehmen, um einen Stillstand zu vermeiden.

Diese Einblicke von Experten unterstreichen sowohl die Chancen als auch die Hürden der Siliziumphotonik. Es gibt ein durchgängiges Thema: Siliziumphotonik ist transformativ – sie ermöglicht einen notwendigen Leistungssprung – aber sie bringt ernsthafte technologische Herausforderungen mit sich, die derzeit rasch angegangen werden. Die Experten heben eine Mischung aus Optimismus (Paradigmenwechsel, unverzichtbare Zukunft) und Realismus (Integrationsprobleme, Kosten- und Skalierungsfragen) hervor. Ihre Perspektiven helfen einem breiten Publikum zu verstehen, warum so viele Unternehmen und Forscher von Siliziumphotonik begeistert sind und auch, warum es Jahrzehnte gedauert hat, bis diese Technologie in Schwung kam. Es aus dem Mund derjenigen zu hören, die an vorderster Front stehen – ob erfahrener Forscher oder Produktmanager – macht deutlich, dass dies ein Feld ist, in dem sich Physik, Ingenieurwesen und Marktkräfte auf faszinierende Weise überschneiden.

Aktuelle Nachrichten und Meilensteine

Das Feld der Siliziumphotonik ist sehr dynamisch. Hier sind einige aktuelle Nachrichten-Highlights und Meilensteine (aus dem letzten Jahr oder so), die den rasanten Fortschritt in diesem Bereich verdeutlichen:

Celestial AI übernimmt Rockley Photonics IP (Okt. 2024): Celestial AI, ein Startup, das Photonic Fabric™ optische Interconnects für KI entwickelt, gab bekannt, dass es das Siliziumphotonik-Patentportfolio von Rockley Photonics für 20 Millionen US-Dollar übernommen hat datacenterdynamics.com. Rockley hatte fortschrittliche Siliziumphotonik-Sensoren entwickelt und war vor der Insolvenz auf Gesundheits-Wearables umgestiegen. Durch diesen Deal erhielt Celestial AI über 200 Patente, darunter Technologien für elektro-optische Modulatoren und optische Schalter, die in Rechenzentrumsanwendungen nützlich sind datacenterdynamics.com. Es ist eine bedeutende Konsolidierung, die zeigt, wie wertvoll Photonik-IP im KI-/Rechenzentrumsbereich geworden ist. Rockleys Innovationen (wie Breitbandlaser für Sensorik) könnten in Celestials optische Interconnect-Lösungen integriert neues Leben finden.
Große Finanzierungsrunden für Startups – Ayar Labs & Lightmatter (Ende 2024): Zwei US-Startups erhielten große Finanzierungsrunden. Ayar Labs schloss im Dez. 2024 eine Serie-D-Finanzierung über 155 Millionen US-Dollar ab, mit Beteiligung von Branchenführern der Halbleiterindustrie (Nvidia, Intel, AMD beteiligten sich neben VCs) nextplatform.com. Diese Runde erhöhte Ayars Bewertung auf über 1 Milliarde US-Dollar und signalisiert Vertrauen in die In-Package-Optical-I/O-Technologie, die elektrische I/O in zukünftigen Prozessoren ersetzen soll. Nur wenige Wochen zuvor sammelte Lightmatter 400 Millionen US-Dollar in einer Serie D (Okt. 2024) ein, verdoppelte damit seine Gesamtfinanzierung und wurde mit 4,4 Milliarden US-Dollar bewertet nextplatform.com. Lightmatter entwickelt photonische Rechenchips und optische Interposer-Technologie zur KI-Beschleunigung. Solch große Investitionen sind bemerkenswert – sie zeigen, dass Investoren (und strategische Partner) glauben, dass diese Startups mit optischer Technologie kritische Probleme in KI und Computing lösen können. Es bedeutet auch, dass wir erwarten können, dass diese Unternehmen von Prototypen zu Produkten übergehen; tatsächlich setzt Lightmatter bereits Testsysteme ein und Ayars optische Chiplets sollen in HPC-Systemen pilotiert werden.
Intel lagert Transceiver an Jabil aus (Ende 2023): In einer interessanten Wendung entschied sich Intel Ende 2023, sein Geschäft mit Silizium-Photonik-Transceivern in hohen Stückzahlen an Jabil, einen Fertigungspartner, zu übertragen optics.org. Intel hatte seit 2016 über 8 Millionen photonische Transceiver-Chips ausgeliefert optics.org – diese werden für 100G/200G-Konnektivität in Rechenzentren verwendet. Durch die Übergabe der Produktion an Jabil (einen Auftragsfertiger) signalisierte Intel einen strategischen Wandel: Das Unternehmen wird sich darauf konzentrieren, Photonik mit seinen Kernplattformen zu integrieren (wie Co-Packaged Optics und On-Processor-Photonics), während ein Partner den commoditisierten Transceiver-Markt übernimmt. Dieser Schritt spiegelt auch eine reifende Branche wider – was vor ein paar Jahren noch Spitzentechnologie war (100G-Pluggables), ist nun alltäglich genug, um ausgelagert zu werden. Jabil seinerseits baut die optische Fertigung aus, was potenziell auch anderen Kunden dienen könnte. Die Zusammenarbeit zwischen Intel und Jabil wurde von Analysten als wichtige Branchenentwicklung hervorgehoben optics.org, und als Teil der Ökosystem-Entwicklung betrachtet.
InnoLight stellt 1,6-Tb/s-Modul vor (Ende 2023): Im Wettlauf um höhere Geschwindigkeiten gab InnoLight, ein chinesisches Unternehmen für optische Transceiver, bekannt, dass es einen Prototypen eines 1,6 Terabit pro Sekunde optischen Transceivers entwickelt hat optics.org. Dies beinhaltet wahrscheinlich mehrere Wellenlängen (z. B. 16×100G oder 8×200G Kanäle) auf einer Silizium-Photonik-Plattform. Die Erreichung von 1,6 Tb/s in einem einzigen Modul, ein Jahr vor einigen Wettbewerbern, zeigt Chinas wachsende Kompetenz in der Silizium-Photonik. Das Modul von InnoLight könnte für Top-of-Rack-Switch-Uplinks oder zur Verbindung von KI-Systemen verwendet werden. Es deutet auch darauf hin, dass 3,2 Tb/s-Module (die beispielsweise 8 Wellenlängen mit jeweils 400G nutzen würden) nicht mehr weit entfernt sind – tatsächlich prognostizierte IDTechX 3,2 Tb/s-Module bis 2026 optics.org. Dies war ein schlagzeilenträchtiger Rekord, der den intensiven globalen Wettbewerb unterstreicht; auch Coherent (USA) und andere arbeiten an 1,6T- und 3,2T-Designs optics.org.
Fortschritte bei PsiQuantums photonischem Quantenchip (2024): An der Quantenfront hat PsiQuantum (geheimnisumwoben, aber bekannt für die Zusammenarbeit mit GlobalFoundries) eine Studie veröffentlicht, die einen Weg zu einem verlusttoleranten photonischen Quantencomputer aufzeigt, und einen Chip namens „Omega“ für ihre photonische Quantenarchitektur angekündigt thequantuminsider.com. Auch wenn dies noch kein kommerzielles Produkt ist, zeigt es, dass photonische Quantencomputer-Hardware voranschreitet – mit Siliziumphotonik als Kern. Der Ansatz von PsiQuantum erfordert die Integration von Tausenden Einzelphotonenquellen und -detektoren. Die Neuigkeit hier ist die Validierung der Herstellbarkeit: Eine Nature-Veröffentlichung aus 2022 demonstrierte Schlüsselkomponenten (Quellen, Filter, Detektoren) auf einem einzigen Siliziumphotonik-Chip, der skalierbar ist nature.com. Das deutet darauf hin, dass sie auf Kurs für einen Meilenstein Mitte der 2020er bis Anfang der 2030er Jahre für einen Prototyp eines optischen Quantencomputers mit einer Million Qubits sind (ihr langfristiges Ziel). Solche Entwicklungen sind zwar Nischenerscheinungen, werden aber genau beobachtet, da sie Hochleistungsrechnen neu definieren könnten.
Startups für Lithium-Niobat-Photonik finanziert (2023): Wie erwähnt, haben zwei Startups, die sich auf die Integration von LiNbO₃ mit Siliziumphotonik konzentrieren, HyperLight (USA) und Lightium (Schweiz), 2023 zusammen 44 Millionen US-Dollar eingeworben optics.org. Die Finanzierungsnachricht war bemerkenswert, weil sie einen Trend hervorhebt: Neue Materialien werden zur Siliziumphotonik hinzugefügt, um Leistungsgrenzen zu überwinden. Diese Unternehmen werben mit Modulatoren, die mit höherer Linearität und über einen großen Wellenlängenbereich (sichtbar bis mittleres IR) bei sehr geringen Verlusten arbeiten können optics.org. Die unmittelbare Anwendung könnten ultraschnelle Modulatoren für die Kommunikation oder Spezialgeräte für Quanten- und RF-Photonik sein. Der breitere Punkt ist, dass auch die Investment-Community Materialinnovationen in der Photonik unterstützt, nicht nur die offensichtlicheren Transceiver-Startups. Es ist ein Zeichen dafür, dass sogar Fortschritte in der Materialwissenschaft (wie TFLN auf Isolator) schnell in Startups und Produkte in diesem Bereich übergehen können.
Standards und Konsortium-Updates (2024–25): Es gibt Fortschritte im Bereich der Standardisierung. Das Continuous-Wave WDM MSA (ein Konsortium, das Standard-Lichtquellenmodule für Co-Packaged Optics definiert) hat erste Spezifikationen für gemeinsame Laserquellen veröffentlicht, die mehrere photonische Chips versorgen können. Das ist wichtig, um die Kompatibilität zwischen verschiedenen Anbietern für Co-Packaged Optics zu gewährleisten. Außerdem hat das UCIe-Konsortium (für Chiplet-Interconnects) eine optische Arbeitsgruppe gegründet, um zu prüfen, wie optische Chiplet-Verbindungen standardisiert werden könnten. In der Zwischenzeit veranstalten Organisationen wie COBO (Consortium for On-Board Optics) und CPO Alliance Gipfeltreffen (z. B. auf der OFC 2024), bei denen Best Practices für Co-Packaged Optics diskutiert werden ansys.com. All dies zeigt, dass die Branche die Notwendigkeit erkennt, Schnittstellen zu harmonisieren und eine Fragmentierung zu vermeiden, die die Einführung verlangsamen könnte. Neueste Nachrichten vom IEEE deuten ebenfalls auf Fortschritte bei 1.6T-Ethernet-Standards und verwandten optischen Schnittstellenstandards hin, die den Einsatz von Siliziumphotonik-Technologien voraussetzen.
Produktveröffentlichungen: Auf der Produktseite sehen wir tatsächlich Hardware, die auf den Markt kommt:
- 800G Pluggable Module: Mehrere Anbieter (Intel, Marvell/Inphi usw.) haben 2024 mit der Auslieferung von 800G QSFP-DD- und OSFP-Modulen begonnen, die Siliziumphotonik verwenden. Diese werden voraussichtlich 2025 in Switches und Netzwerken eingesetzt.
- CPO-Demokits: Unternehmen wie Ranovus und IBM haben Co-Packaged Optics Entwicklungskits demonstriert – ein Vorläufer kommerzieller CPO-Produkte. Zum Beispiel wurde IBMs Forschungsprototyp eines Co-Packaged Switchs funktionsfähig gezeigt, und Ranovus hat ein CPO-Modul mit 8×100G Wellenlängen.
- Siliziumphotonik-Lidar-Produkte: Innovusion (China) und Voyant Photonics (USA) haben Fortschritte bei ihrem siliziumphotonischen LiDAR angekündigt. Das neueste LiDAR von Innovusion für Fahrzeuge verwendet einige siliziumphotonische Komponenten, um FMCW zu wettbewerbsfähigen Kosten zu erreichen. Voyant, ein Startup aus der Forschung der Columbia University, verkauft tatsächlich ein winziges, festkörperbasiertes LiDAR-Modul auf Basis von Siliziumphotonik für den Einsatz in Drohnen und Robotern.
- Optische I/O-Chiplets: Bis Mitte 2025 plant Ayar Labs, sein TeraPHY Optical I/O Chiplet und die SuperNova-Lichtquelle in ersten Kundentests zu haben und eine 8-Tbps-Optikverbindung für HPC-Systeme bereitzustellen. Wenn dies im Zeitplan bleibt, könnte es eine der ersten Anwendungen von optischem I/O in einem Computersystem sein (wahrscheinlich in einem staatlichen Labor oder einem Pilot-Supercomputer bis 2025–26).

Die Flut aktueller Nachrichten zeichnet das Bild eines Bereichs, der sich auf mehreren Ebenen rasant weiterentwickelt: von Durchbrüchen bei der Geschwindigkeit (1.6T Optik) über große strategische Schritte (Intel-Outsourcing, große Finanzierungsrunden) bis hin zu ersten Anwendungen (optische Engines für KI). Es ist eine spannende Zeit, denn diese Entwicklungen zeigen, dass Siliziumphotonik sich von einer vielversprechenden Technologie zu einer kommerziellen Realität mit wachsendem Einfluss auf Produkte und Branchen entwickelt.

Für ein allgemeines Publikum ist die wichtigste Erkenntnis aus all diesen Nachrichten, dass Siliziumphotonik kein fernes Versprechen ist – sie findet jetzt statt. Unternehmen investieren Geld und Ressourcen, es werden echte Produkte ausgeliefert, und jedes Quartal bringt neue Meilensteine, die bisherige Rekorde brechen. Es ist ein sich rasant entwickelndes Feld, und selbst technikaffine Leser könnten überrascht sein, wie schnell Dinge wie „optische Chiplets“ oder „1,6-Terabit-Module“ auf den Markt gekommen sind. Die Nachrichten zeigen auch, dass dies ein globales Wettrennen ist – mit bedeutenden Aktivitäten in den USA, Europa und Asien – und dass es von Deep-Tech-Startups bis zu den größten Chipherstellern und Netzwerkanbietern reicht.

Zukünftige Aussichten und Prognosen

Mit Blick auf die Zukunft erscheint die Siliziumphotonik äußerst vielversprechend, mit dem Potenzial, das Computing und die Kommunikation im nächsten Jahrzehnt neu zu definieren. Hier sind einige Prognosen und Erwartungen, was die Zukunft bringen könnte:

Weitverbreitete Einführung im Computing: Bis Ende der 2020er Jahre können wir erwarten, dass Siliziumphotonik ein Standardmerkmal in High-End-Computersystemen sein wird. Wie bereits erwähnt, sollten bis 2026–2027 die ersten CPUs, GPUs oder KI-Beschleuniger mit integriertem optischem I/O auf den Markt kommen nextplatform.com. Anfangs werden diese vielleicht in spezialisierten Märkten (Supercomputer, Hochfrequenzhandelssysteme, modernste KI-Cluster) eingesetzt, aber sie ebnen den Weg für eine breitere Einführung. Sobald die Technologie sich bewährt hat und die Stückzahlen steigen, könnte optisches I/O in den 2030er Jahren auch in Mainstream-Servern und -Geräten Einzug halten. Stellen Sie sich Rack-Server vor, bei denen jede CPU direkt auf dem Package optische Faseranschlüsse hat, die mit einem optischen Top-of-Rack-Switch verbunden sind; das könnte zur Normalität werden. Auch das Speicher-Engpass-Problem könnte durch optische Verbindungen gelöst werden – zum Beispiel, indem Speichermodule optisch mit Prozessoren verbunden werden, um größere Bandbreiten über größere Entfernungen zu ermöglichen (einige Forscher sprechen von „optischer Speicher-Disaggregation“ für große, gemeinsam genutzte Speicherpools). Zusammengefasst wird das Rechenzentrum der Zukunft (und damit auch die Cloud-Dienste der Zukunft) wahrscheinlich auf einem Geflecht optischer Verbindungen auf allen Ebenen basieren, ermöglicht durch Siliziumphotonik.
Terabit-Netzwerke für alle: Die Kapazität von Netzwerkverbindungen wird weiterhin sprunghaft ansteigen. Wir sprechen von 1,6 Tb/s, 3,2 Tb/s, sogar 6,4 Tb/s optischen Transceivern in einem einzigen Modul bis Anfang der 2030er Jahre. Diese Geschwindigkeiten sind atemberaubend – eine 3,2 Tb/s-Verbindung könnte einen 4K-Film in einem Bruchteil einer Millisekunde übertragen. Während diese Geschwindigkeiten in den Backbones von Rechenzentren und Telekommunikationsnetzen genutzt werden, profitieren Verbraucher indirekt davon (schnelleres Internet, robustere Cloud-Dienste). Bis 2035 prognostizieren Analysten, dass der Markt für photonisch integrierte Schaltkreise auf über 50 Milliarden Dollar anwachsen wird, hauptsächlich dank dieser Transceiver für KI und Rechenzentren optics.org. Wir könnten erleben, dass 800G und 1.6T das neue 100G werden, was bedeutet, dass sie die Arbeitspferde der Netzwerke sein werden. Und mit steigendem Volumen sinken die Kosten pro Bit, wodurch Hochgeschwindigkeitsverbindungen günstiger und allgegenwärtiger werden. Es ist denkbar, dass sogar Verbrauchergeräte (wie etwa ein VR-Headset, das eine sehr breitbandige Verbindung zu einem PC oder einer Konsole benötigt) ein optisches USB- oder optisches Thunderbolt-Kabel verwenden, um mehrere Dutzend oder Hunderte von Gigabit ohne Latenz oder Verlust zu übertragen.
Revolutionierung der Telekommunikation: In der Telekommunikation wird Siliziumphotonik dazu beitragen, volloptische Netzwerke mit deutlich höherer Effizienz zu realisieren. Kohärente optische Kommunikation mit integrierter Photonik wird wahrscheinlich auf über 1 Tb/s pro Wellenlänge skalieren (mit fortschrittlichen Konstellationen und vielleicht integrierten Transceiver-DSPs). Dies könnte Multi-Terabit-Optikkanäle wirtschaftlich machen und die Anzahl der benötigten Laser/Fasern reduzieren. Siliziumphotonik wird auch rekonfigurierbare optische Add-Drop-Multiplexer (ROADMs) und andere Netzwerktechnik kompakter und energieeffizienter machen, was wiederum den Ausbau von leistungsfähigeren 5G/6G-Netzen und besserer Glasfaserinfrastruktur bis ins Haus erleichtert. Ein spezieller Bereich, den man im Auge behalten sollte, sind integrierte Laser für Kabelfernsehen / Glasfaserzugang: Günstige, abstimmbare Laser auf Silizium könnten es beispielsweise ermöglichen, dass jedes Zuhause einen symmetrischen 100G-Glasfaseranschluss erhält. Durch die Integration optischer Funktionen können Telekommunikationsanbieter Zentralstellen und Head-Ends vereinfachen. Der Nettoeffekt werden also noch schnellere und zuverlässigere Internetdienste zu potenziell geringeren Kosten sein, im Hintergrund angetrieben von Siliziumphotonik-Chips.
KI-Computing und optische Engines: Im KI-Bereich könnten wir, wenn Unternehmen wie Lightmatter und Lightelligence Erfolg haben, die ersten optischen Coprozessoren in Rechenzentren erleben. Diese würden Matrixmultiplikationen oder Graphanalysen mit Licht beschleunigen und könnten so enorme Leistungssteigerungen pro Watt bieten. Es ist vorstellbar, dass innerhalb von 5 Jahren einige Rechenzentren Racks mit optischen KI-Beschleunigern neben GPUs haben, die spezialisierte Aufgaben extrem schnell erledigen (zum Beispiel ultraschnelles Inferencing für Echtzeitdienste). Selbst wenn volloptische Computer noch begrenzt bleiben, könnte der hybride elektro-optische Ansatz (Elektronik für Logiksteuerung, Photonik für massiven Datentransport und Multiply-Accumulate-Operationen) zu einer Schlüsselstrategie werden, um die KI-Leistungssteigerung aufrechtzuerhalten. Durch die Reduzierung von Hitze und Stromverbrauch kann Photonik dazu beitragen, KI-Training auch bei Modellen mit Billionen von Parametern praktikabel zu halten. Kurz gesagt, Siliziumphotonik könnte die Geheimzutat sein, die die nächste 1000-fache Steigerung der KI-Modellgröße/des Trainingsdatensatzes ermöglicht, ohne das Stromnetz zu überlasten.
Auswirkungen auf die Verbrauchertechnologie: Während ein Großteil der Siliziumphotonik derzeit im Bereich Big Iron (Rechenzentren, Netzwerke) eingesetzt wird, wird sie schließlich auf Verbrauchergeräte übergreifen. Ein offensichtlicher Kandidat sind AR/VR-Headsets (bei denen enorme Datenmengen an winzige Displays und Kameras übertragen werden müssen – optische Verbindungen könnten hier helfen). Ein weiterer Bereich sind LiDAR- oder Tiefensensoren für Verbraucher – zukünftige Smartphones oder Wearables könnten winzige Siliziumphotonik-Sensoren für die Gesundheitsüberwachung (wie es Rockley Photonics anstrebte) oder für das 3D-Scannen der Umgebung besitzen. Intels Mobileye hat bereits angekündigt, dass sein siliziumphotonischer LiDAR in Autos eingesetzt wird, sodass Ihr neues Auto Ende der 2020er Jahre möglicherweise einen integrierten photonischen Chip hat, der unauffällig die Sensoren für autonomes Fahren steuert tanaka-preciousmetals.com. Mit der Zeit, wenn die Kosten sinken, könnten mehr solcher Sensoren in Alltagsgeräten auftauchen (stellen Sie sich Smartwatches vor, die einen Siliziumphotonik-Sensor verwenden, um Glukose oder Blutwerte nicht-invasiv per optischer Spektroskopie am Handgelenk zu überwachen – an diesem Konzept wird tatsächlich gearbeitet). Selbst im High-End-Audio/Video-Bereich könnten optische Chips Kameras verbessern (LiDAR zum Fokussieren oder für 3D-Mapping in der Fotografie) oder holografische Displays ermöglichen, indem Licht im mikroskopischen Maßstab moduliert wird (etwas spekulativ, aber nicht unmöglich, da räumliche Lichtmodulatoren auf Silizium immer besser werden). In einem Jahrzehnt könnten Verbraucher also Siliziumphotonik in ihren Geräten nutzen, ohne es zu wissen – so wie wir heute überall MEMS-Sensoren verwenden, ohne darüber nachzudenken.
Photonik im Quantenbereich: Wenn wir weiter in die Zukunft blicken, könnten sich quantenphotonische Technologien weiterentwickeln. Wenn PsiQuantum oder andere erfolgreich sind, könnten wir einen photonischen Quantencomputer haben, der klassische Supercomputer bei bestimmten Aufgaben übertrifft – mit vielleicht Millionen von verschränkten Photonen, die auf dem Chip verarbeitet werden. Das wäre eine monumentale Errungenschaft, vermutlich so transformativ wie die ersten elektronischen Computer. Auch wenn das vielleicht erst nach 2030 Realität wird, könnte der Fortschritt in der Zwischenzeit Quantensimulatoren oder vernetzte Quantenkommunikationssysteme auf Basis von Siliziumphotonik hervorbringen. Beispielsweise könnten sichere Quantenkommunikationsverbindungen (QKD-Netzwerke) in stadtweiten Netzwerken mit standardisierten siliziumphotonischen QKD-Sendern in Rechenzentren eingesetzt werden. Es gibt auch das Potenzial für Quantensensoren auf dem Chip (wie optische Kreisel mit Quantensensitivität), die in der Navigation oder Wissenschaft Anwendung finden könnten.
Fortlaufende Forschung und neue Horizonte: Das Feld der Siliziumphotonik selbst wird sich weiterentwickeln. Forscher untersuchen bereits 3D-Integration – das Stapeln von photonischen Chips mit elektronischen für eine noch engere Kopplung (einige erforschen Mikrobump- oder Bonding-Techniken, um beispielsweise einen photonischen Interposer unter eine CPU zu setzen). Es gibt auch Überlegungen zu optischer Vernetzung auf dem Chip (ONoC), bei der Prozessoren anstelle von oder zusätzlich zu elektrischen Netzwerken auf dem Chip Licht zur Kommunikation zwischen den Kernen nutzen. Sollten viele Kern-CPUs eines Tages interne optische Netzwerke verwenden, könnten Engpässe bei der Bandbreite innerhalb des Chips beseitigt werden (das ist noch etwas weiter entfernt, wurde aber im Labor bereits konzeptionell bewiesen). Nano-Photonik könnte ebenfalls eine Rolle spielen: plasmonische oder nanoskalige optische Komponenten, die mit sehr hohen Geschwindigkeiten oder extrem kleinen Abmessungen arbeiten und möglicherweise für bestimmte Aufgaben mit Siliziumphotonik integriert werden (wie ultrakompakte Modulatoren). Und wer weiß, vielleicht gelingt es eines Tages jemandem, den heiligen Gral eines Siliziumlasers durch einen cleveren Materialtrick zu erreichen – was die photonische Integration wirklich vereinfachen würde.
Markt- und Branchenausblick: Wirtschaftlich gesehen werden wir wahrscheinlich einen Boom des Siliziumphotonik-Marktes erleben. Laut IDTechX wird bis 2035 ein Marktwert von etwa 54 Milliarden US-Dollar prognostiziert optics.org. Bemerkenswert ist, dass zwar die Datenkommunikation den Löwenanteil ausmachen wird, aber schätzungsweise ~11 Milliarden US-Dollar davon aus Nicht-Daten-Anwendungen stammen könnten (Telekommunikation, Lidar, Sensoren, Quanten, usw.) optics.org. Das bedeutet, dass die Vorteile der Technologie auf viele Sektoren verteilt werden. Wir könnten auch einige große Branchenumwälzungen oder Partnerschaften erleben: Zum Beispiel, könnte ein Technologieriese eines der Photonik-Einhorn-Startups übernehmen (stellen Sie sich vor, Nvidia kauft ein Ayar Labs oder Lightmatter, um sich einen Vorsprung im optischen Computing zu sichern)? Es ist möglich, da die Einsätze steigen. Darüber hinaus könnte der internationale Wettbewerb sich verschärfen – wir könnten bedeutende Investitionen von Regierungen sehen, um die Führungsrolle zu sichern (ähnlich wie die Halbleiterindustrie als strategisch betrachtet wird). Siliziumphotonik könnte ein zentraler Bestandteil nationaler Technologiestrategien werden, was die Finanzierung von Forschung und Entwicklung sowie Infrastruktur weiter ankurbeln kann.

In einem weiteren Sinne, wenn wir einen Schritt zurücktreten, ist die Zukunft mit Siliziumphotonik eine, in der die Grenzen zwischen Rechenleistung und Kommunikation verschwimmen. Entfernung wird weniger einschränkend – Daten könnten innerhalb eines Chips oder zwischen Städten mit gleicher Leichtigkeit auf optischen Leitungen reisen. Dies könnte Architekturen wie verteiltes Rechnen ermöglichen, bei denen der physische Standort der Ressourcen kaum eine Rolle spielt, weil optische Verbindungen die Latenz gering und die Bandbreite hoch machen. Wir könnten wirklich disaggregierte Rechenzentren sehen, in denen Rechenleistung, Speicher und Memory optisch wie LEGO-Bausteine verbunden sind. Die Energieeffizienzgewinne durch Photonik könnten auch zu einer umweltfreundlicheren IKT beitragen, was wichtig ist, da der Energiebedarf der digitalen Infrastruktur wächst.

Um die Worte eines Branchenveteranen zu leihen: „Die Reise zur Skalierung der Siliziumphotonik ist ebenso spannend wie herausfordernd.“ laserfocusworld.com Die kommenden Jahre werden zweifellos Hindernisse mit sich bringen, aber es gibt eine kollektive Entschlossenheit in Wissenschaft und Industrie, diese zu überwinden. Durch Zusammenarbeit und Innovation – die Abstimmung von Materialwissenschaft, Halbleitertechnik und Photonik – sind Experten zuversichtlich, dass wir diese Herausforderungen meistern und das volle Potenzial der Siliziumphotonik erschließen werden laserfocusworld.com. Die Zukunftsaussichten sind, dass diese Technologie von der Peripherie (wo sie unsere Geräte verbindet oder spezialisierte Systeme ergänzt) ins Zentrum des Computing und der Konnektivität rückt. Wir erleben im Grunde die Morgendämmerung einer neuen Ära – einer, in der Licht, nicht nur Elektronen, den Lebensnerv der Information durch die Geräte und Netzwerke trägt, die das moderne Leben untermauern. Und das ist wahrhaftig ein revolutionärer Wandel, der sich im nächsten Jahrzehnt und darüber hinaus entfalten wird.

Quellen: Definitionen und Vorteile der Siliziumphotonik ansys.com ansys.com; Anwendungen in Sensorik, LiDAR, Quanten ansys.com ansys.com; Trends in Rechenzentren und KI laserfocusworld.com, optics.org; Expertenzitate und Einblicke laserfocusworld.com, tanaka-preciousmetals.com, nature.com; Branchenführer expertmarketresearch.com; aktuelle Nachrichten und Investitionen datacenterdynamics.com, nextplatform.com, nextplatform.com; Zukunftsprognosen optics.org

The Future of Silicon Photonics: Transforming Data Centers

Dieses Video auf YouTube ansehen.

Siliziumphotonik-Revolution – Lichtgeschwindigkeitstechnologie transformiert KI, Rechenzentren & mehr

Was ist Silicon Photonics und wie funktioniert es?

Wichtige Anwendungen der Siliziumphotonik