Piifotoniikan vallankumous – valonnopea teknologia mullistaa tekoälyn, datakeskukset ja paljon muuta

• Piifotoniikka käyttää piipohjaisia fotonisia integroitupiirejä (PIC) valon manipulointiin tiedonkäsittelyssä ja viestinnässä, mahdollistaen sirun sisäiset ja sirujen väliset yhteydet nopeuksilla kuten 100 Gb/s ja 400 Gb/s.
• Sormenpään kokoinen piifotoniikkasiru voi sisältää kymmeniä laserkanavia ja tiheän aallonpituuskanavoinnin avulla siirtää terabittejä dataa.
• Datakeskusten yhteydet hyötyvät optisista linkeistä, jotka kuluttavat vähemmän energiaa ja tarjoavat suuremman tiheyden; prototyyppeinä on esitelty esimerkiksi 51,2 Tb/s kytkinsiruja integroidulla optisella I/O:lla.
• Vuonna 2024 Ayar Labs esitteli optisen chipletin, joka tarjoaa 8 Tbps kaistanleveyttä 16 aallonpituudella, ja myöhään vuonna 2024 Series D -rahoituskierros keräsi 155 miljoonaa dollaria Nvidian, AMD:n ja Intelin osallistuessa, nostaen yhtiön arvon yli miljardiin dollariin.
• Intel ulkoisti piifotoniikkatransceiverien valmistuksensa Jabilille loppuvuodesta 2023 toimitettuaan yli 8 miljoonaa fotonista transceiver-sirua vuodesta 2016 lähtien.
• InnoLight esitteli 1,6 Tbps optisen transceiver-prototyypin loppuvuodesta 2023, ja 3,2 Tbps moduulien odotetaan valmistuvan vuoteen 2026 mennessä, kun moniterabittiset yhteydet lähestyvät.
• Amerikkalainen AIM Photonics -instituutti sai 321 miljoonan dollarin seitsemän vuoden ohjelman vuoteen 2028 asti edistääkseen integroidun fotoniikan valmistusta Yhdysvalloissa, mahdollistaen New Yorkin piifotoniikkatehtaan ja pakkauslinjan.
• Vuonna 2023 Broadcom esitteli 25,6 Tbps ja 51,2 Tbps yhteispakattujen optisten kytkimien prototyyppejä integroiduilla laserfotonimoottoreilla.
• Lightmatter keräsi 400 miljoonaa dollaria vuoden 2024 Series D -rahoituskierroksella rahoittaakseen optista tekoälykiihdytinalustaansa, ja PsiQuantum julkisti vuonna 2024 suunnitelman häviötolerantin fotonisen kvanttitietokoneen rakentamiseksi Omega-sirullaan.
• Analyytikot ennustavat piifotoniikkamarkkinoiden kasvavan noin 54 miljardiin dollariin vuoteen 2035 mennessä, josta noin 11 miljardia tulee muista kuin datakeskussovelluksista, pääosin tekoälydatakeskusten tarpeiden vetämänä.

Mitä on piifotoniikka ja miten se toimii?

Piifotoniikka on teknologia, jossa käytetään piipohjaisia fotonisia integroitupiirejä (PIC) valon (fotonien) manipulointiin tiedonkäsittelyssä ja viestinnässä. Yksinkertaisesti sanottuna se tarkoittaa optisten laitteiden (kuten lasereiden, modulaattoreiden ja detektorien) rakentamista piisiruille samalla tavalla kuin elektronisia piirejä valmistetaan. Näillä piifotoniikkasiruilla voidaan lähettää ja vastaanottaa dataa valon avulla, mahdollistaen erittäin nopean tiedonsiirron suurella kaistanleveydellä ja pienellä energiahäviöllä ansys.com. Keskeisiä komponentteja ovat aaltoputket (pienet optiset ”johdot”, jotka ohjaavat valoa sirulla), modulaattorit (jotka koodaavat dataa valonsäteisiin), laserit (yleensä lisätään muista materiaaleista, koska pii ei itsessään emittoi valoa) ja fotodetektorit (muuntavat saapuvan valon takaisin sähköisiksi signaaleiksi) ansys.com. Näiden integrointi piialustalle mahdollistaa insinööreille hyväksi todetun puolijohdevalmistuksen (CMOS) hyödyntämisen fotonisten laitteiden massatuotannossa, yhdistäen valon nopeuden ja modernin siruvalmistuksen mittakaavan ansys.com.

Miten se toimii? Kuparijohtimissa kulkevien sähköpulssien sijaan piifotoniikkapiirit käyttävät infrapunalaserin valoa, joka kulkee mikrometrin kokoisissa aaltoputkissa. Pii on läpinäkyvää infrapuna-aallonpituuksille, mikä mahdollistaa valon etenemisen hyvin pienillä häviöillä, kun sitä ympäröivät materiaalit, kuten piidioksidi, joilla on alhaisempi taitekerroin ansys.comansys.com. Data koodataan näihin valoaalloihin moduloijilla, jotka voivat nopeasti muuttaa valon intensiteettiä tai vaihetta. Toisessa päässä sirun fotodetektorit muuttavat optiset signaalit takaisin sähköiseen muotoon. Koska valo värähtelee paljon korkeammilla taajuuksilla kuin sähköiset signaalit, optiset liitännät voivat siirtää valtavasti enemmän dataa sekunnissa kuin sähköjohdot. Yksi pieni kuitu tai aaltoputki voi siirtää kymmeniä tai satoja gigabittejä sekunnissa, ja käyttämällä useita valon aallonpituuksia (tiheä aallonpituusjakoinen multipleksointi) yksi kuitu voi siirtää terabittejä dataa. Käytännössä piifotoniikka mahdollistaa sirun sisäiset tai sirujen väliset yhteydet nopeuksilla, kuten 100 Gb/s, 400 Gb/s tai enemmän, mikä muuten vaatisi useita kuparikanavia tai olisi yksinkertaisesti mahdotonta pidemmillä etäisyyksillä ansys.comoptics.org.

Piifotoniikkalaitteet ovat kompaktteja, nopeita ja energiatehokkaita. Valo voi kulkea aaltoputkissa hyvin pienellä vastuksella (ei sähköistä kapasitanssia tai kuumenemisongelmia, joita kuparilla esiintyy suurilla nopeuksilla), mikä tarkoittaa mahdollisesti pienempää virrankulutusta datansiirrossa. Erään analyysin mukaan optiset liitännät voivat merkittävästi helpottaa datan pullonkauloja ja vähentää lämpöä suorituskykyisissä järjestelmissä – “optiset liitännät, joita piifotoniikka mahdollistaa, ovat ainoa skaalautuva tie eteenpäin” kasvavien kaistanleveysvaatimusten hallitsemiseksi laserfocusworld.com. Yhteenvetona piifotoniikka yhdistää edullisen, massatuotantoon soveltuvan piisirualustan valon fysiikkaan, luoden “piirejä fotoneille” sirulle ansys.com. Tämä teknologia mahdollistaa datan siirtämisen kirjaimellisesti valon nopeudella tilanteissa, joissa perinteinen elektroniikka kohtaa rajojaan.

Piifotoniikan keskeiset sovellukset

Piifotoniikka sai alkunsa kuituoptisessa viestinnässä, mutta nykyään se on monipuolinen alusta, joka löytää käyttöä monilla huipputeknologian aloilla. Nopeutensa ja energiatehokkuutensa ansiosta mikä tahansa ala, joka tarvitsee siirtää valtavia määriä dataa (tai hallita valoa tarkasti), on mahdollinen sovelluskohde. Tässä joitakin keskeisiä sovelluksia:

Datakeskukset ja nopeat pilviverkot

Yksi tärkeimmistä sovelluksista on datakeskuksissa ja supertietokoneissa, joissa piifotoniikka vastaa kiireelliseen tarpeeseen nopeammista ja tehokkaammista liitännöistä. Nykyaikaiset pilvi- ja hyperskaala-datakeskukset käsittelevät valtavia tietovirtoja palvelimien, räkien ja kampusverkkojen välillä. Kuparikaapelit ja perinteiset sähköiset kytkimet muodostavat yhä useammin pullonkaulan – ne kuluttavat liikaa energiaa eivätkä skaalaudu tiettyjen etäisyyksien tai nopeuksien yli (esimerkiksi 100 Gb/s kupariyhteydet toimivat vain muutaman metrin matkoilla). Piifotoniikkapohjaiset liitännät ratkaisevat tämän käyttämällä optisia kuituja ja piirilevylle integroituja optisia moottoreita, jotka yhdistävät palvelimet ja kytkimet erittäin suurilla nopeuksilla ja minimaalisella häviöllä. Optiset transceiverit, jotka perustuvat piifotoniikkaan, korvaavat tai täydentävät jo sähköisiä yhteyksiä räkien välillä ja jopa räkien sisäisessä viestinnässä tanaka-preciousmetals.com.

Cisco ja Intel ovat olleet edelläkävijöitä tällä alalla: Cisco suunnittelee nyt nopeita liitettäviä optisia lähetin-vastaanottimia käyttäen piifotoniikkaa yhdistämään verkkolaitteita expertmarketresearch.com. Myös Intel on hyödyntänyt piifotoniikkaa parantaakseen datakeskusten yhteyksiä, toimittaen miljoonia 100G optisia lähetin-vastaanotinsiruja ja nyt kasvattaen 200G, 400G sekä näytteistäen 800G optisia moduuleja tanaka-preciousmetals.com. Motivaatio on selvä – kun datanopeudet kaksinkertaistuvat 100G:stä 200G:hen ja 400G:hen, kuparin kantama pienenee dramaattisesti. “Kun astut datakeskukseen tänä päivänä, näet 100 Gb/s kuparikaapeleita yhdistämässä palvelimia yläkaappikytkimeen… Nuo kaapelit toimivat noin neljän metrin matkalla. Mutta kaikki, mikä on kaapin ulkopuolella, käyttää jo optiikkaa,” toteaa Robert Blum, Intelin fotoniikan vanhempi johtaja, lisäten että “kun nostamme datanopeudet 200 tai 400 Gb/s:iin, kuparin kantama lyhenee huomattavasti ja alamme nähdä trendin, jossa optiikka ulottuu aina palvelimelle asti.” tanaka-preciousmetals.com Suorituskykyisissä laskentaklustereissa (HPC) ja tekoälysuperkoneissa, joissa tuhannet prosessorit tarvitsevat matalaviiveisiä yhteyksiä, optiset liitännät tarjoavat kaistanleveyden, jolla kaikki sirut saavat tarvitsemansa datan ansys.com, laserfocusworld.com. Tuomalla fotoniikkaa kytkimeen ja jopa prosessoripaketteihin (ns. yhteispakatut optiikat), tulevaisuuden datakeskusverkot saavuttavat huomattavasti suuremmat läpimenot. Itse asiassa 51,2 Tb/s kytkinsirut integroidulla optisella I/O:lla ovat jo näköpiirissä, ja prototyyppejä on jo esitelty tanaka-preciousmetals.com.

Hyödyt datakeskuksille ovat merkittäviä: alhaisempi virrankulutus (optiset yhteydet hukkaavat paljon vähemmän energiaa lämpönä kuin elektronien kuljettaminen kuparissa kymmenien GHz:n taajuuksilla), suurempi tiheys (monia optisia kanavia voidaan multipleksoida ilman huolta sähkömagneettisesta häiriöstä), ja pidempi kantama (optiset signaalit voivat kulkea kilometrejä tarvittaessa). Tämä tarkoittaa, että piifotoniikka auttaa datakeskuksia skaalaamaan suorituskykyä ilman, että yhteyksien rajoitukset kuristavat kehitystä. Eräs markkina-analyytikko totesi, että tekoälykeskeiset datakeskukset ajavat ennennäkemätöntä kysyntää huippuluokan optisille transceivereille, ja totesi, että “piifotoniikka ja PICit ovat tämän vallankumouksen eturintamassa, koska ne kykenevät siirtämään dataa nopeuksilla 1,6 Tbps ja enemmän.” optics.org Käytännössä yksi kynnenkokoinen fotonipiiri voi sisältää kymmeniä laserkanavia, jotka yhdessä siirtävät terabittejä dataa – mikä on kriittistä seuraavan sukupolven pilvi-infrastruktuurille.

Tekoälyn ja koneoppimisen kiihdytys

Tekoälyn ja koneoppimisen työkuormien räjähdysmäinen kasvu on erityistapaus datakeskussovelluksista – se ansaitsee oman mainintansa, koska tekoäly asettaa ainutlaatuisia vaatimuksia ja on vauhdittanut uusia piifotoniikan käyttötapoja. Kehittyneiden tekoälymallien koulutus (kuten suurten kielimallien, jotka pyörittävät keskustelubotteja) vaatii valtavia rinnakkaislaskentoja, jotka on jaettu monien GPU:iden tai erikoistuneiden tekoälykiihdyttimien kesken. Näiden piirien täytyy vaihtaa valtavia määriä dataa esimerkiksi mallin koulutuksessa, mikä usein kuormittaa perinteiset sähköiset yhteydet äärimmilleen. Piifotoniikka tarjoaa tekoälylle kaksinkertaisen edun: suuren kaistanleveyden yhteydet ja jopa mahdollisuuden optiseen laskentaan.

Yhdysliitäntöjen puolella kehitetään optisia linkkejä, joilla AI-kiihdytinpiirit tai muisti voidaan yhdistää suoraan valon avulla (joskus kutsutaan optiseksi I/O:ksi). Korvaamalla perinteinen palvelimen taustalevy tai GPU:n välinen viestintä optisella kuidulla, AI-järjestelmät voivat merkittävästi vähentää viiveitä ja virrankulutusta. Esimerkiksi startupit kuten Ayar Labs kehittävät optisia I/O-siruja, jotka sijaitsevat prosessorien vieressä ja siirtävät dataa sisään ja ulos valon avulla, poistaen tarpeen tiheille kuparijohdoille. Vuonna 2024 Ayar Labs esitteli optisen sirun, joka tarjoaa 8 Tbps kaistanleveyttä 16 valon aallonpituudella – osoitus siitä, miltä seuraavan sukupolven AI-yhdysliitännät voivat näyttää businesswire.com. Suuret siruvalmistajat ovat kiinnostuneita: Nvidia, AMD ja Intel sijoittivat kukin Ayar Labs -yhtiöön osana 155 miljoonan dollarin rahoituskierrosta, uskoen että optiset yhdysliitännät ovat avain tulevaisuuden AI-laitteiston skaalaamiseen nextplatform.com. Kuten eräs toimittaja vitsaili, jos nopeutta ei saada lisäämällä sirujen kellotaajuutta, “seuraavaksi paras sijoituskohde on todennäköisesti jonkinlainen optinen I/O.” nextplatform.com

Datan siirtämisen lisäksi AI-piirien välillä, piifotoniikka mahdollistaa myös optisen laskennan tekoälylle. Tämä tarkoittaa, että tiettyjä laskutoimituksia (kuten matriisikertolaskuja neuroverkoissa) voidaan suorittaa valolla sähkön sijaan, mikä voi ohittaa osan nykyisten elektronisten AI-kiihdyttimien nopeus- ja energiarajoitteista. Yritykset kuten Lightmatter ja Lightelligence ovat rakentaneet prototyyppisiä fotonisia prosessoreita, jotka käyttävät valon interferenssiä piiaaltoputkissa rinnakkaislaskentaan. Vuoden 2024 lopulla Lightmatter keräsi vaikuttavat 400 miljoonan dollarin Series D -rahoituksen (nostaen yhtiön arvon 4,4 miljardiin dollariin) kehittääkseen optista laskentateknologiaansa nextplatform.com. Vaikka nämä fotoniset AI-kiihdyttimet ovat vielä kehitysvaiheessa, ne lupaavat erittäin nopeaa, matalaviiveistä neuroverkkojen suorittamista huomattavasti pienemmällä virrankulutuksella, sillä fotonit tuottavat vain vähän lämpöä verrattuna miljardien transistorien kytkentätapahtumiin.

Kaiken kaikkiaan, kun tekoälymallit kasvavat kooltaan ja monimutkaisuudeltaan (ja vaativat kymmenien tuhansien sirujen klustereita), piifotoniikkaa pidetään ”paradigman muutoksena”, joka voi voittaa viestintäpullonkaulat tekoälyinfrastruktuurissa laserfocusworld.com. Se tarjoaa tavan kasvattaa kaistanleveyttä prosessorien välillä lineaarisesti tarpeen mukaan, mikä on sähköisille yhteyksille haastavaa. Alan tarkkailijat ennustavat, että optiset teknologiat (kuten yhteispakatut optiikat, optiset siru-siru-yhteydet ja mahdollisesti fotoniset laskentaelementit) tulevat seuraavina vuosina vakiintumaan tekoälyjärjestelmissä – eivätkä jää vain marginaalisiksi kokeiluiksi. Itse asiassa erään arvion mukaan tekoälykeskukset kasvavat niin nopeasti (50 %:n vuotuinen kasvu energiankulutuksessa), että vuoteen 2030 mennessä ne voivat olla kestämättömiä nykyisillä sähköisillä I/O-ratkaisuilla, mikä tekee piifotoniikasta ”välttämättömän osan tulevaa infrastruktuuriamme” tekoälyn skaalautuvuuden turvaamiseksi laserfocusworld.com.

Telekommunikaatio ja verkottuminen

Piifotoniikalla on juurensa telekommunikaatiossa, ja se jatkaa vallankumousta tavassamme siirtää dataa pitkiä matkoja. Kuituoptisissa telekommunikaatioverkoissa – olipa kyseessä internetin runkoverkko, merikaapelit tai kaupunki- ja lähiverkot – integroitua fotoniikkaa käytetään tekemään optisia lähetin-vastaanottimia, jotka ovat pienempiä, nopeampia ja edullisempia. Perinteiset optiset viestintäjärjestelmät perustuivat usein erillisiin komponentteihin (laserit, modulaattorit, detektorit koottuna yksittäin), mutta piifotoniikan integrointi voi sijoittaa monet näistä komponenteista yhdelle sirulle, mikä parantaa luotettavuutta ja alentaa kokoonpanokustannuksia tanaka-preciousmetals.com.

Nykyään piifotoniikkaa hyödyntävät optiset lähetin-vastaanotinmoduulit ovat yleisiä datakeskusten yhteyksissä ja niitä otetaan yhä enemmän käyttöön teleinfrastruktuurissa 100G-, 400G- ja sitä suuremmissa yhteyksissä. Esimerkiksi yritykset kuten Infinera ja Cisco (Acacia) ovat kehittäneet koherentteja optisia lähetin-vastaanottimia, jotka hyödyntävät piifotoniikkaa 400G- ja 800G-yhteyksissä televerkoissa. Myös laajakaista- ja 5G/6G-langattomat verkot hyötyvät – kuituyhteyksistä, jotka yhdistävät tukiasemia tai kuljettavat fronthaul/backhaul-dataa, voidaan tehdä tehokkaampia piifotoniikan avulla. Intel on korostanut, että piifotoniikalla on rooli ”seuraavan sukupolven 5G-toteutuksissa, joissa käytetään pienempiä muotoja ja suurempia nopeuksia, 100G:stä tänään 400G:hen ja siitä eteenpäin” expertmarketresearch.com. Kyky integroida kymmeniä laseraaltoja yhdelle sirulle on hyödyllistä tiheän aallonpituuskanavoinnin (DWDM) järjestelmissä, joita teleoperaattorit käyttävät saadakseen enemmän kanavia jokaiseen kuituun. Vuonna 2023 kiinalainen yritys InnoLight jopa esitteli 1,6 Tb/s optisen lähetin-vastaanottimen (käyttäen useita aallonpituuksia ja kehittynyttä modulaatiota) – merkki siitä, että moniterabitin optiset yhteydet ovat aivan nurkan takana optics.org.

Toinen verkkosovellus on ydinreititys- ja kytkinlaitteissa. Huippuluokan reitittimet ja optiset kytkinalustat alkavat käyttää piifotoniikkapiirejä esimerkiksi optiseen kytkentään, signaalin reititykseen ja jopa aallonpituussuodatukseen sirulla. Esimerkiksi suuria piifotoniikkakytkinmatriiseja on prototyypattu, joissa käytetään piipohjaisia MEMS- tai termisesti ohjattuja optisia ilmiöitä valopolkujen nopeaan kytkemiseen, mikä mahdollistaa mahdollisesti täysin optisen piirikytkennän. Näitä voitaisiin tulevaisuudessa käyttää datakeskusverkoissa optiseen yhteyksien uudelleenkonfigurointiin lennossa (Google on vihjannut käyttävänsä optisia kytkimiä joissakin AI-klustereissaan) nextplatform.com.

Yleisesti ottaen televiestinnässä tavoitteena on suurempi kapasiteetti ja alhaisempi bittikohtainen kustannus. Piifotoniikka auttaa skaalaamalla kuituoptista kapasiteettia (100G → 400G → 800G ja 1,6T per aallonpituus) sekä alentamalla valmistuskustannuksia CMOS-puolijohdetehtaiden prosessien avulla. On kuvaavaa, että Intelin piifotoniikkaosasto, ennen uudelleenjärjestelyään, toimitti yli 8 miljoonaa fotonista transceiver-sirua vuosina 2016–2023 datakeskus- ja verkkokäyttöön optics.org. Ja alan yhteistyö lisääntyy: esimerkiksi Intel ilmoitti loppuvuodesta 2023 siirtävänsä transceiver-valmistuksensa Jabilille (sopimusvalmistaja) tuotannon skaalaamiseksi entisestään optics.org. Samaan aikaan optisten komponenttien jättiläiset kuten Coherent (entinen II-VI) ja perinteiset teleoperaattoritoimittajat (Nokia, Ciena jne.) investoivat kaikki piifotoniikkaan seuraavan sukupolven optisia moduuleja varten optics.org. Teknologiasta on tulossa sekä internetin fyysisen infrastruktuurin että nopeasti kehittyvän 5G/6G-viestintäekosysteemin kulmakivi.

Tunnistus ja LiDAR

Piifotoniikka ei liity vain viestintään – se mahdollistaa myös uudenlaisia antureita hyödyntämällä valon tarkkaa ohjausta sirulla. Yksi jännittävä alue on biokemiallinen ja ympäristön tunnistus. Piifotoniikka-anturit voivat havaita pieniä muutoksia taitekertoimessa tai absorptiossa, kun näyte (esim. veripisara tai kemiallinen kaasu) vuorovaikuttaa ohjatun valonsäteen kanssa. Esimerkiksi piifotoniikkasiru voi sisältää pienen rengasresonaattorin tai interferometrin, jonka taajuus muuttuu, kun tietyt molekyylit sitoutuvat siihen. Tämä mahdollistaa laboratoriomaiset biomarkkerien – proteiinien, DNA:n, kaasujen jne. – tunnistuksen suurella herkkyydellä ja mahdollisesti edullisesti. Tällaisia fotonisia bioantureita voidaan käyttää lääketieteellisessä diagnostiikassa, ympäristön seurannassa tai jopa “keinotekoisena nenänä” optics.orgoptics.org. Minaturisointi ja integrointi ovat avainasemassa: yksi piifotoniikka-anturisiru voi sisältää valonlähteet, tunnistuselementit ja fotodetektorit, tarjoten kompaktin ja kestävän anturin perinteisten suurikokoisten optisten laboratoriolaitteiden sijaan. Piinitridi-fotoniikan tutkimus (variaatio, joka toimii paremmin näkyvillä aallonpituuksilla) avaa vielä enemmän tunnistussovelluksia, sillä SiN voi ohjata näkyvää valoa esimerkiksi fluoresenssin tai Raman-signaalien tunnistamiseen, mihin pelkkä pii ei kykene.

Toinen nopeasti kasvava sovellus on LiDAR (Light Detection and Ranging) autonomisille ajoneuvoille, droneille ja robotiikkaan. LiDAR-järjestelmät lähettävät lasersykäyksiä ja mittaavat heijastunutta valoa kartoittaakseen etäisyyksiä – käytännössä “3D-lasernäköä”. Perinteiset LiDAR-yksiköt perustuvat usein mekaaniseen skannaukseen ja erillisiin lasereihin/ilmaisimiin, mikä tekee niistä kalliita ja melko kookkaita. Piifotoniikka tarjoaa tavan rakentaa LiDAR sirulle: integroiden säteenohjaimet, jakajat, modulaattorit ja ilmaisimet monoliittisesti. Piifotoniikkapohjainen LiDAR voi käyttää kiinteän tilan säteenohjausta (esimerkiksi optisia vaihehiloja) ympäristön skannaamiseen ilman liikkuvia osia. Tämä vähentää huomattavasti LiDAR-yksiköiden kokoa ja hintaa. Itse asiassa Intelin Mobileye on ilmoittanut käyttävänsä piifotoniikkaintegroituja piirejä seuraavan sukupolven autonomisen ajon LiDAR-antureissaan noin vuonna 2025 tanaka-preciousmetals.com. Tällainen integrointi voi laskea LiDARin kustannuksia ja mahdollistaa niiden laajamittaisen käyttöönoton autoissa. Piifotoniikkapohjainen LiDAR voi myös saavuttaa nopeamman skannauksen ja korkeamman resoluution hyödyntämällä useita aallonpituuksia tai koherentteja detektiotekniikoita, jotka on rakennettu sirulle. Lisäetuna nämä integroidut ratkaisut kuluttavat yleensä vähemmän virtaa – tärkeä tekijä sähköajoneuvoille.

Ansysin mukaan “piifotoniikkaan perustuvat LiDAR-ratkaisut ovat kompaktimpia, kuluttavat vähemmän virtaa ja ovat edullisempia valmistaa kuin järjestelmät, jotka on rakennettu erillisistä komponenteista.” ansys.com Tämä tiivistää hyvin, miksi yritykset startupeista teknologiajätteihin kilpailevat fotonisen LiDARin kehittämisestä. Näemme jo prototyyppejä FMCW LiDARista (taajuusmoduloitu jatkuva-aalto-LiDAR), joka vaatii herkkiä fotonisia piirejä, kuten viritettäviä lasereita ja interferometrejä. Piifotoniikka on luonnollinen alusta tähän, ja asiantuntijat ennustavat, että integroidut fotoniikkaratkaisut ovat avain FMCW LiDARin skaalaamiseen (pitkän kantaman ja häiriönsietokyvyn vuoksi) optics.orgoptics.org. Lähitulevaisuudessa odotettavissa on autoja ja droneja, joissa on pienet, sirupohjaiset LiDAR-yksiköt, jotka tarjoavat korkean suorituskyvyn – suora tulos piifotoniikan innovaatioista.

LiDARin lisäksi muita tunnistussovelluksia ovat gyroskoopit ja inertia-anturit (sirulle integroidut rengaslaserigyrot navigointiin) sekä spektrometrit (integroidut optiset spektrometrit kemialliseen analyysiin). Yhteinen nimittäjä on, että piifotoniikka tuo optisen mittauksen tarkkuuden miniatyrisoituun, valmistettavaan muotoon. Tämä avaa uusia mahdollisuuksia kulutuselektroniikassa (kuvittele optinen terveystunnistin älykellossa), teollisuusvalvonnassa ja tieteellisissä instrumenteissa.

Kvanttilaskenta ja fotoniset kvanttiteknologiat

Kvanttitietokoneiden kehityksessä fotoneilla (valohiukkasilla) on ainutlaatuinen rooli. Toisin kuin elektronit, fotonit voivat kulkea pitkiä matkoja ilman vuorovaikutusta ympäristön kanssa (hyödyllistä kvanttitiedon siirrossa), ja tietyissä kvanttilaskennan menetelmissä fotonit toimivat itse kubitteina. Piifotoniikka on noussut johtavaksi alustaksi kvanttilaskennan ja -verkkotutkimuksen saralla.

Useat startupit ja tutkimusryhmät kehittävät fotoniikkapohjaisia kvanttitietokoneita, jotka hyödyntävät piipohjaisia fotonisia piirejä valoon koodattujen kubittien tuottamiseen ja manipulointiin. Esimerkiksi PsiQuantum, vahvasti rahoitettu startup, tekee yhteistyötä puolijohdetehtaan kanssa rakentaakseen laajamittaisen kvanttitietokoneen, jossa on tuhansia piifotoniikkakubittikanavia. Ideana on integroida laitteita, kuten yksittäisfotonilähteitä, säteensuodattimia, vaiheensiirtimiä ja fotonidetektoreita sirulle, jotta voidaan suorittaa kvanttilogiikkaa fotoneilla. Piifotoniikan etuna tässä on skaalautuvuus – koska se hyödyntää CMOS-valmistusta, voidaan (periaatteessa) luoda erittäin monimutkaisia kvanttifotoniikkapiirejä, joissa on satoja tai tuhansia komponentteja, mikä on paljon vaikeampaa muissa kvanttilaitteistoissa. Tutkijat ovatkin äskettäin demonstroineet piifotoniikkasiruja, joissa tuhannet komponentit toimivat yhdessä kvanttivalon manipuloinnissa nature.com.

Piifotoniikka mahdollistaa myös kvanttiverkottumisen – turvallisen viestinnän kvanttiavainjakomenetelmällä (QKD) ja kietoutuneilla fotoneilla – tarjoamalla alustan kompakteille, vakaille optisille kvanttilähettimille ja -vastaanottimille. Lisäksi tietyt kvanttianturiteknologiat (kuten optiset kvanttigyroskoopit tai yksittäisfotoninen LiDAR) voivat hyödyntää piifotoniikkasiruja ytimessään.

Yksi suuri haaste fotoniikkapohjaisessa kvanttilaskennassa on yksittäisten fotonien tuottaminen tarpeen mukaan ja niiden ohjaaminen pienin häviöin. Mielenkiintoista kyllä, samat rajoitteet (ja ratkaisut), jotka koskevat klassista piifotoniikkaa, pätevät myös kvanttipuolella: pii ei luonnostaan laseroi, joten kvanttifotoniikkasirut käyttävät usein integroituja epälineaarisia prosesseja tai kvanttipistetekniikkaa yksittäisfotonien tuottamiseen, tai ne hybridiyhdistävät erikoismateriaaleja. Hyödyt ovat kuitenkin samankaltaisia – korkea tarkkuus ja miniatyrisointi. Kuten Ansysin raportissa todetaan, kvanttitietokoneet käyttävät fotoneja laskentaan, ja näiden fotonien hallinta integroidulla fotoniikalla tuo nopeus-, tarkkuus- ja kustannusetuja ansys.com. Käytännössä piifotoniikka voi tarjota vakautta ja valmistettavuutta, joita tarvitaan kvanttijärjestelmien skaalaamiseen laboratoriokokeista todellisiin laitteisiin.

Laskennan lisäksi kvanttifotoniikka-anturit (kuten interferometrit, jotka hyödyntävät kvanttitiloja lisäherkkyyden saavuttamiseksi) ja kvanttinen satunnaislukugeneraattori ovat muita alueita, joilla piifotoniikka tekee vaikutusta. Vaikka fotoninen kvanttilaskenta on yhä kehitysvaiheessa ja todennäköisesti muutaman vuoden päässä kypsyydestä, alan suuret investoinnit korostavat sen lupaavuutta. Vuonna 2022 johtava tutkija, professori John Bowers, toi esiin, että piifotoniikka kehittyi nopeasti ja monia uusia sovelluksia, mukaan lukien kvantti, oli näköpiirissä nature.com. On ennakoitavissa, että ensimmäiset suurimittaiset kvanttitietokoneet saattavat itse asiassa olla optisia, piifotoniikkasiruilla rakennettuja – kiehtova täysi ympyrä, jossa alun perin telekommunikaatioon kehitetty teknologia voi mahdollistaa seuraavan harppauksen laskennassa.

Ajankohtaiset trendit ja kehityssuunnat (2025)

Vuoteen 2025 mennessä piifotoniikka on saamassa valtavasti vauhtia. Useat trendit ovat yhdistyneet siirtämään tämän teknologian laboratorioista ja erikoiskäytöistä teknologiateollisuuden valtavirtaan:

• Datapullonkaula ja yhteispakatut optiikat: Kyltymätön datan kysyntä (erityisesti tekoälyn ja pilvipalveluiden osalta) on tehnyt sähköisistä liitännöistä vakavan pullonkaulan. Olemme tilanteessa, jossa aina kun kaksinkertaistat liitännän kaistanleveyden, täytyy kuparikaapelin pituus puolittaa signaalin eheyden säilyttämiseksi nextplatform.com – tämä on kestämätön kompromissi. Tämä kiireellisyys on nostanut esiin lähestymistapoja kuten co-packaged optics (CPO), jossa optiset moottorit sijoitetaan aivan kytkin-ASICien tai prosessorisirujen viereen lähes kaiken sähköisen siirtomatkan poistamiseksi. Vuonna 2023 useat yritykset esittelivät yhteispakattuja optiikoita kytkimissä (esim. Broadcomin 25,6 Tb/s ja 51,2 Tb/s kytkinprototyypit integroiduilla laservalon fotoniikkamoottoreilla). Alan tiekartat viittaavat siihen, että 51,2 Tb/s Ethernet-kytkinsirut yhteispakatuilla piifotoniikkaratkaisuilla tulevat markkinoille seuraavan vuoden tai kahden aikana tanaka-preciousmetals.com, ja että noin vuosina 2026–2027 näemme todennäköisesti ensimmäiset suorittimet/grafiikkasuorittimet, jotka hyödyntävät optista I/O:ta suoraan nextplatform.com. Toisin sanoen, optiikan aikakausi liitännöissä on juuri alkamassa käytännön järjestelmissä. Yritykset kuten Intel, Nvidia ja Cisco kehittävät kaikki aktiivisesti CPO-ratkaisuja. Itse asiassa Intelin Tomambe-projekti ja muut ovat jo esitelleet 1,6 Tb/s fotoniikkamoottoreita integroituna kytkinsiruihin tanaka-preciousmetals.com. Yleinen konsensus: vuosien tutkimuksen jälkeen yhteispakatut optiikat ovat siirtymässä prototyypeistä tuotteiksi, tavoitteena vähentää tehonkulutusta bittiä kohden tuomalla valonlähteet lähemmäs datalähdettä (arvion mukaan 30 % energiansäästöä verrattuna liitettäviin ratkaisuihin laserfocusworld.com).
• Sijoitus- ja startup-toiminnan kasvu: Viime vuosina on nähty merkittäviä sijoituksia ja rahoituskierroksia piifotoniikka-alan yrityksiin. Tämä heijastaa alan luottamusta teknologian tulevaisuuteen. Esimerkiksi loppuvuodesta 2024 Ayar Labs keräsi 155 miljoonan dollarin D-sarjan rahoituskierroksen (nostaen sen “yksisarviseksi” yli miljardin dollarin arvostuksella) laajentaakseen optisia I/O-ratkaisujaan; huomionarvoista on, että tähän kierrokseen osallistuivat strategisina sijoittajina myös Nvidia, AMD ja Intel itse nextplatform.com. Samoin fotonilaskentaan keskittyvä startup Lightmatter sai 400 miljoonaa dollaria rahoitusta vuonna 2024 kehittääkseen optista AI-kiihdytinalustaansa nextplatform.com. Toinen startup, Celestial AI, joka keskittyy optisiin liitäntöihin tekoälylle, ei ainoastaan kerännyt 175 miljoonaa dollaria alkuvuodesta 2024, vaan myös osti Rockley Photonicsin piifotoniikka-IP-portfolion (entinen anturiteknologiaan keskittynyt fotoniikkayritys) 20 miljoonalla dollarilla lokakuussa 2024 datacenterdynamics.com. Tämä yritysosto toi Celestial AI:lle yli 200 piifotoniikkapatenttia ja viestii alan konsolidoitumisesta – pienempiä, arvokasta fotoniikkateknologiaa kehittäneitä toimijoita (Rockley oli kehittänyt edistyneitä modulaattoreita ja integroitua optiikkaa puettaviin laitteisiin) sulautetaan nyt yrityksiin, jotka tähtäävät datakeskus- ja AI-markkinoille. Näimme myös, että HyperLight ja Lightium, kaksi ohutkalvo-litium-niobaatti-piifotoniikkasiruja kehittävää startupia, keräsivät yhteensä 44 miljoonan dollarin sijoituksen vuonna 2023 optics.org, mikä korostaa kiinnostusta uusiin materiaaleihin piifotoniikan kehittämiseksi (TFLN-modulaattorit voivat tarjota nopeampia yhteyksiä ja pienempää häviötä). Kaiken kaikkiaan VC-rahoitus ja yritysten tuki piifotoniikkayrityksille on ennätyskorkealla, mikä kuvastaa ymmärrystä siitä, että optinen teknologia on tulevaisuuden puolijohteiden kannalta kriittistä.
• Teknologian kypsyminen ja ekosysteemin kasvu: Toinen trendi on piifotoniikan ekosysteemin kypsyminen. Yhä useammat valimot ja toimittajat ovat nyt mukana. Aiemmin vain harvoilla toimijoilla (kuten Intelillä tai Luxteralla) oli päästä päähän -kyvykkyydet. Nyt suuret puolijohdevalimot, kuten GlobalFoundries, TSMC ja jopa STMicroelectronics, tarjoavat piifotoniikan prosessilinjoja tai standardisoituja fotonisia PDK:ita (Process Design Kits) asiakkaille ansys.com. Tämä standardointi tarkoittaa, että startupit tai pienemmät yritykset voivat suunnitella fotonisia piirejä ja teettää ne ilman omaa tehdasta – aivan kuten fabless-elektroniikkapiiriyritykset toimivat. Piifotoniikkasiruja varten on säännöllisiä moniprojektivaferin (MPW) ajoja, joissa useat suunnitelmat jakavat yhden waferin, mikä laskee prototyyppien kustannuksia merkittävästi. Alan ryhmät työskentelevät standardoitujen pakkausratkaisujen (optiset I/O-liitännät, kuidun kiinnitysmenetelmät) parissa, jotta fotoniikkasirut voidaan integroida helpommin tuotteisiin. American Institute for Manufacturing Integrated Photonics (AIM Photonics) -laitoksen perustaminen on ollut suuri edistysaskel: tämä julkisen ja yksityisen sektorin konsortio perusti piifotoniikan valimon ja pakkauslinjan New Yorkiin ja sai hiljattain 321 miljoonan dollarin, 7 vuoden ohjelman (vuoteen 2028 asti) integroidun fotoniikan valmistuksen edistämiseksi Yhdysvalloissa nsf.gov. Vastaavasti Euroopassa tutkimuslaitokset kuten IMEC Belgiassa ja CEA-Leti Ranskassa tarjoavat piifotoniikka-alustoja ja ovat synnyttäneet fotoniikkastartupien klusterin. Kiinassa piifotoniikka on myös nousussa, ja yritykset kuten InnoLight ja Huawei investoivat kotimaisiin fotoniikkasiruvalmiuksiin optics.orgoptics.org. Kaikki nämä kehitykset osoittavat, että piifotoniikka ei ole enää kokeellista teknologiaa – siitä on tulossa vakiintunut osa puolijohdeteknologian työkalupakkia.
• Korkeammat nopeudet ja uudet materiaalit: Teknologisesti näemme nopeaa kehitystä piifotoniikkalaitteiden suorituskyvyn parantamisessa. 800G optisia transceivereita on jo näytteenotossa, 1,6 Tb/s moduuleja on demonstroitu optics.org, ja 3,2 Tb/s liitettäviä moduuleja odotetaan vuoteen 2026 mennessä optics.org. Näiden nopeuksien saavuttamiseksi insinöörit hyödyntävät kaikkea 16-kanavaisesta aallonpituusmultipleksauksesta kehittyneisiin modulaatioformaatteihin – käytännössä hyödynnetään optista aluetta bittimäärän kasvattamiseksi. Laitepuolella piifotoniikkaan integroidaan uusia materiaaleja piin rajoitusten voittamiseksi. Hyvä esimerkki on ohutkalvo-litiumniobaatti (TFLN) piin päällä, joka mahdollistaa erittäin nopeat Pockels-ilmiöön perustuvat modulaattorit pienellä häviöllä. Tämä voi mahdollistaa modulaattorit, jotka käsittelevät yli 100 GHz:n modulaatiokaistoja, sopien tulevaisuuden 1,6T- ja 3,2T-yhteyksiin tai jopa kvanttisovelluksiin optics.org. Start-up-yritykset, kuten HyperLight, kaupallistavat näitä hybridiliNbO3/Si-siruja. Muita tutkimus- ja kehitysvaiheessa olevia materiaaleja ovat bariumtitanaatti (BTO) elektro-optiset modulaattorit ja harvinaisiin maametalleihin dopatut materiaalit sirutasoisiin lasereihin/vahvistimiin optics.org. Myös III-V-puolijohteiden (InP, GaAs) integrointia piille jatketaan parempien lasereiden ja optisten vahvistimien saavuttamiseksi – esimerkiksi kvanttipistetilasereiden suora kasvatus piille on edistynyt merkittävästi, ratkaisten luotettavuusongelmia, jotka vaivasivat aiempia yrityksiä nature.comnature.com. Lyhyesti sanottuna materiaalivalikoima piifotoniikassa laajenee, mikä tuottaa parempaa suorituskykyä ja uusia toiminnallisuuksia. Näemme jopa piifotoniikkaan perustuvia mikrokampoja (optisia taajuuskampalähteitä) käytettävän sovelluksissa, kuten ultranopeassa tiedonsiirrossa ja tarkassa spektroskopiassa – jotain, mikä olisi kuulostanut kaukaa haetulta vielä kymmenen vuotta sitten.
• Uudet sovellukset ja tuotteet: Ydinsovellusten rinnalla vuonna 2025 on nousemassa uusia käyttötapauksia. Yksi niistä on optinen laskenta tekoälylle (käsitelty aiemmin), joka siirtyy tutkimusdemoista varhaisiin tuotteisiin – esimerkiksi Lightelligence esitteli fotonisen laskentaraudan tekoälyinfrenssin kiihdyttämiseen. Toinen on piiriltä piirille -optiset linkit kehittyneessä pakkaamisessa: kun yritykset tutkivat monisirumoduuleja ja chiplettejä, optiset linkit voivat yhdistää nämä chipletit suurella nopeudella pakkauksen tai interposerin yli. Standardit kuten UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express) harkitsevat jopa optisia PHY-laajennuksia. Myös hallitukset ovat kiinnostuneita: DARPA ja muut virastot kehittävät ohjelmia fotonisten liitäntöjen hyödyntämiseksi puolustusjärjestelmissä (korkean tason prosessointiin ja RF-signaalien reititykseen). Kuluttajapuolella spekuloidaan, että muutaman vuoden sisällä optinen I/O saattaa ilmestyä kuluttajalaitteisiin – esimerkiksi AR/VR-lasit, joissa käytetään piifotonista sirua suurikaistaisten anturiliitäntöjen toteuttamiseen, tai optinen Thunderbolt-kaapeli AR-laseille. Vaikka nämä eivät ole vielä markkinoilla, ne ovat jo suunnittelupöydällä.

Yhteenvetona, vuonna 2025 piifotoniikka on käännekohdassa: merkittäviä kaupallisia tuotteita tulee markkinoille (erityisesti verkkotekniikassa), valtavat investoinnit virtaavat alalle ja ekosysteemi kypsyy. On yhä selvempää, että optiikalla tulee olemaan perustavanlaatuinen rooli laskennassa ja yhteyksissä tulevaisuudessa. Kuten eräs alan kommentaattori totesi, vuosikymmenen jälkimmäisellä puoliskolla monet odottavat optisen I/O:n siirtyvän pilottituotannosta valtavirran tuotantoon – “vuoden 2025 laskentamoottorisukupolvessa ei ehkä vielä ole piifotoniikkaa, mutta vuoden 2026 sukupolvessa voi olla ja vuoden 2027 sukupolvessa melkein varmasti on”, koska meillä ei lopulta ole vaihtoehtoa – “kuparin aika on ohi.” nextplatform.com

Haasteet ja rajoitukset

Kaikesta innostuksesta huolimatta piifotoniikka kohtaa useita haasteita ja rajoituksia, joita tutkijat ja insinöörit pyrkivät aktiivisesti ratkaisemaan. Se on mullistava teknologia, mutta ei mikään taikaluoti – ainakaan vielä. Tässä keskeiset esteet:

• Valonlähteiden integrointi: Ehkä tunnetuin rajoitus on, että pii ei ole hyvä valon tuottamisessa. Piillä on epäsuora kielletty vyöhyke, mikä tarkoittaa, ettei se voi toimia lasereina tai tehokkaina LEDeinä. Kuten fotoniikan pioneeri John Bowers suorasukaisesti toteaa, ”Pii on uskomattoman huono valonlähteenä.” nature.com Sen sisäinen hyötysuhde on lähes nolla – vain yksi miljoonasta pii-elektronista tuottaa fotonin – kun taas III-V puolijohteet kuten indiumfosfidi tai galliumarsenidi voivat emittoida valoa lähes 100 % hyötysuhteella nature.com. Tämä tarkoittaa, että jos halutaan lasereita piifotoniikkasirulle, täytyy yleensä tuoda mukaan muita materiaaleja. Tämä voidaan tehdä hybridintegraatiolla (liittämällä InP-kiekko, jossa on laserdiodeja, piikiekkoon) tai uudemmilla tekniikoilla, kuten kasvattamalla nanorakenteisia III-V-lasereita suoraan piille. Edistys tällä alueella on ollut lupaavaa: yritykset ja laboratoriot (Intel, UCSB, jne.) ovat demonstroineet hybridilasereita laajassa mittakaavassa, ja hiljattain on kasvatettu jopa kvanttipistettyjä lasereita 300 mm piikiekoille hyvällä luotettavuudella nature.comnature.com. Silti laserien integrointi lisää monimutkaisuutta ja kustannuksia. Jos laser on sirun ulkopuolella (erillisessä lasermoduulissa, joka on kytketty kuidun kautta), kohtaat haasteen saada valo tehokkaasti kytkettyä pieniin sirun aaltokanaviin. Lyhyesti, valon saaminen sirulle ei ole yksinkertainen tehtävä. Ala tutkii ratkaisuja kuten heterogeeninen integrointi (useita materiaaleja yhdellä sirulla) ja jopa uusia lähestymistapoja kuten sähköisesti pumpatut germanium-pii-laserit tai Raman-laserit piillä, mutta nämä ovat vielä kehitysvaiheessa. Vuonna 2025 suurin osa piifotoniikkajärjestelmistä käyttää joko hybridilasereita tai ulkoisia lasereita, jotka on kytketty sisään. Tämä on yksi keskeinen jatkuvan tutkimuksen alue.
• Valmistus ja saanto: Piifotoniikkapiirejä voidaan valmistaa olemassa olevissa puolijohdetehtaissa, mutta niillä on erilaiset vaatimukset kuin elektronisilla siruilla. Optiikassa vaaditaan esimerkiksi erittäin tarkkaa mittojen hallintaa – vain muutaman nanometrin vaihtelut aaltoputken leveydessä tai etäisyydessä voivat muuttaa resonanssien aallonpituutta tai valon vaihetta. Korkean saannon (eli tasaisen suorituskyvyn useissa siruissa) saavuttaminen on haastavaa. Lisäksi useiden materiaalien (pii, piinitridi, III-V-yhdisteet, metallit) integrointi yhteen prosessiin lisää monimutkaisuutta. Kuitujen liittäminen siruun on myös saanto- ja valmistushaaste; pienten optisten kuitujen kohdistaminen mikroniluokan aaltoputken päihin vaatii usein kallista aktiivista kohdistusta. Osa näistä vaiheista on yhä puoliksi manuaalisia valmistuksessa, mikä ei skaalaudu hyvin. Paljon työtä tehdään pakkaustekniikoiden parantamiseksi, kuten käyttämällä standardoituja kuituliitäntäyksiköitä tai lisäämällä hilakytkimiä, jotka mahdollistavat kuitujen liittämisen valoon sirun yläpuolelta helpommin. Yhdistettyjen elektroniikka- ja fotoniikkasirujen pakkaaminen on myös hankalaa – esimerkiksi jos samassa paketissa on fotoniikkapiiri ja elektroninen ASIC, ne täytyy kohdistaa ja lisäksi hallita lämpöä (koska kuumana käyvä elektroniikka voi häiritä fotoniikkaa). Ansys huomauttaa, että jos elektroniikka ja fotoniikka ovat samalla sirulla, valmistusmenetelmän on tasapainotettava molempien tarpeet, ja jos ne ovat erillisillä siruilla, tarvitaan kehittynyttä pakkausta – “elektroniikan lämmöntuotto voi vaikuttaa fotoniikkaan.” ansys.com Lämpötilaviritys on toinen haaste: monet piifotoniikkasuodattimet ja -modulaattorit perustuvat lämpövaikutuksiin, joten lämpötilan muutokset voivat virittää piirit pois säädöstä, mikä vaatii virrankulutusta vakauttamiseen. Tämä kaikki monimutkaistaa valmistusta ja nostaa kustannuksia.
• Kustannukset ja volyymi: Kustannuksista puheen ollen – vaikka piifotoniikka lupaa alhaisia kustannuksia hyödyntämällä suurivolyymisia piitehtaita, tämänhetkinen todellisuus on, että nämä laitteet ovat yhä suhteellisen erikoistuneita ja kalliita. Ala toimittaa miljoonia yksiköitä (datakeskusten siirtolaitteina), mutta jotta kustannukset todella laskisivat, pitäisi todennäköisesti toimittaa miljardeja yksiköitä vuosittain ansys.com. Toisin sanoen, se ei ole vielä saavuttanut kulutuselektroniikan mittakaavaa. Laitteet vaativat usein myös erikoispakkaamista (kuten mainittu) ja testausta, mikä lisää kustannuksia. Nykyinen piifotoniikkasiirtolaite datakeskuksiin voi maksaa satoja tai tuhansia dollareita, mikä on hyväksyttävää kyseisillä markkinoilla, mutta liian kallista kuluttajamarkkinoille. Taloudelliset näkymät ovat hieman epävarmat erittäin suuressa mittakaavassa – kuten eräs raportti totesi, suuret pilvipalveluiden ostajat ovat huolissaan luotettavuudesta ja kustannusrakenteesta, jos he ottaisivat piifotoniikan laajasti käyttöön, koska teknologia ei ole vielä saavuttanut valtavirran piiteollisuuden oppimiskäyrää nextplatform.com. Kustannukset kuitenkin paranevat tasaisesti, ja esimerkiksi standardoidut PDK:t ja automaatio auttavat asiaa. Seuraavien vuosien aikana, kun volyymi kasvaa (AI:n ja datakeskusten vetämänä), kustannusten pitäisi laskea, mikä puolestaan avaa lisää markkinoita (se on itseään ruokkiva sykli, kun se käynnistyy). Silti vuonna 2025 laitteen yksikköhinta voi olla rajoittava tekijä piifotoniikan käyttöönotolle kustannusherkissä sovelluksissa.
• Virrankulutus ja hyötysuhde: Vaikka piifotoniikka voi vähentää virrankulutusta tiedonsiirrossa erittäin suurilla nopeuksilla, itse laitteet kuluttavat silti virtaa – esimerkiksi modulaattorit käyttävät usein lämpösäätöä tai PN-liitoksia, jotka kuluttavat virtaa, ja laserit luonnollisesti kuluttavat sähköä. Sähköisten signaalien muuntaminen optisiksi ja takaisin aiheuttaa ylikulutusta. Jotta järjestelmätasolla saavutettaisiin todellisia säästöjä, näiden ylikulutusten täytyy olla pienempiä kuin pitkien sähköisten yhteyksien poistamisesta saatavat säästöt. Nykyiset piifotoniikkasiirtolaitteet ovat melko energiatehokkaita (muutamia pikojouleja bittiä kohden optisessa muunnoksessa), mutta tavoitteena on päästä vieläkin alemmaksi, erityisesti jos optista I/O:ta käytetään sirulla tai muistiväylissä, joissa hyötysuhteen täytyy olla erittäin korkea. Yksi lupaava lähestymistapa on käyttää elektro-optisia materiaaleja (kuten LiNbO3 tai BTO), jotka voivat moduloida valoa hyvin alhaisella jännitteellä (ja siten pienemmällä teholla) lämpösäädön sijaan. Myös tehokkaampien valonlähteiden integrointi (kuten kvanttipistetason laserit) voisi vähentää lasereiden hukkatehoa (nykyiset distributed feedback -laserit hukkaavat usein paljon energiaa lämpönä). Joten vaikka piifotoniikka ratkaisee liitäntöjen virrankulutusongelman makrotasolla, mikrotasolla insinöörit optimoivat yhä laitekohtaisesti virrankulutusta. Hyvä uutinen: jo nykyteknologialla yhteispakatut optiset ratkaisut voivat vähentää kokonaisliitäntöjen virrankulutusta noin 30 % verrattuna perinteisiin liitettäviin ratkaisuihin laserfocusworld.com, ja tulevat parannukset todennäköisesti kasvattavat näitä hyötyjä.
• Suunnittelu ja suunnittelutyökalut: Tämä on vähemmän ilmeinen haaste, mutta tärkeä: fotonisten piirien suunnittelu on uusi taitoalue, ja EDA (Electronic Design Automation) -työkalut fotoniikalle eivät ole yhtä kehittyneitä kuin elektroniikalle. Optisten piirien simulointi, erityisesti suurten, joissa on paljon komponentteja, voi olla monimutkaista. Valmistuksen vaihtelut täytyy ottaa huomioon suunnittelussa (saatat tarvita lämpövirittimiä korjaamaan pieniä virheitä). Tarvitaan parempia suunnittelutyökaluja, jotka voivat yhteisoptimoida elektroniset ja fotoniset piirin osat, usein nimellä EPDA (Electronic Photonic Design Automation). Ekosysteemi on ottamassa kiinni – yritykset kuten Synopsys, Cadence ja Lumerical (Ansys) tarjoavat työkaluja fotoniseen suunnitteluun – mutta ala kehittyy yhä. Liittyvä ongelma on standardien puute joillakin alueilla: vaikka monet foundryt tarjoavat PDK:ita, niillä voi olla erilaiset komponenttikirjastot ja parametrit. Tämä voi tehdä suunnitelmista vähemmän siirrettäviä kuin elektronisista suunnitelmista. Ala on siirtymässä kohti yhteisiä standardeja (esimerkiksi fotonisten piirien layout-vaihtoformaatti tai standardoidut komponenttimallit), mutta suunnitteluprosessin virtaviivaistamiseksi tarvitaan lisää työtä. Myös vahvan osaajapolun rakentaminen on ratkaisevaa: tarvitaan insinöörejä, jotka ymmärtävät sekä RF/mikroaaltotyyppisen analogiasuunnittelun että optisen fysiikan, ja heitä on vähän (vaikkakin monet yliopistot kouluttavat nyt valmistuneita tällä poikkitieteellisellä alalla).
• Suorituskyvyn rajoitukset: Vaikka piifotoniikka parantaa dramaattisesti tiettyjä mittareita, sillä on omat fyysiset rajoitteensa. Optinen häviö aaltoputkissa, vaikka pieni (~dB/cm), kasautuu suurissa piireissä, ja tiukat mutkat tai pienet rakenteet voivat lisätä häviötä. Myös kuitu-piiri -kytkennän häviö täytyy minimoida. Piipiirin lämpöherkkyys (taittoindeksi muuttuu lämpötilan mukaan) tarkoittaa, että monet piifotoniikkapiirit tarvitsevat stabilointia tai kalibrointia. Kaistanleveysrajoitukset voivat ilmetä moduloijissa tai detektoreissa – esimerkiksi piirenkaamodulaattoreilla on rajallinen kaistanleveys ja ne voivat olla herkkiä lämpötilalle, kun taas Mach-Zehnder -modulaattorit vaativat huolellista suunnittelua erittäin suuren nopeuden saavuttamiseksi ilman vääristymiä. Kromaattinen dispersio aaltoputkissa voi rajoittaa hyvin laajakaistaisia aallonpituussovelluksia (vaikkakin yleensä ei ongelma piirin sisällä lyhyillä etäisyyksillä). Toinen hienovarainen seikka: elektronis-fotoninen integrointi tarkoittaa, että usein täytyy yhteissuunnitella elektroniikka (kuten ajurivahvistimet, TIA:t detektoreille) fotoniikan kanssa. Niiden välinen rajapinta voi rajoittaa kokonais­suorituskykyä (esim. jos moduloija tarvitsee tietyn jännitealueen, tarvitset ajurin, joka pystyy tuottamaan sen nopeasti). Siksi järjestelmäsuunnittelu on monimutkaista. Lisäksi kaikki sovellukset eivät oikeuta fotoniikkaa – hyvin lyhyillä, matalanopeuksisilla yhteyksillä sähköinen voi olla yhä halvempi ja yksinkertaisempi. Siksi sen tietäminen, missä piifotoniikka kannattaa ottaa käyttöön maksimaalisen hyödyn saavuttamiseksi, on itsessään harkinnan paikka.

Yhteenvetona, vaikka mikään näistä haasteista ei ole ylitsepääsemätön este, ne yhdessä tarkoittavat, että piifotoniikalla on vielä kehittymistä edessään. Monet fotoniikan ja elektroniikan kirkkaimmista mielistä työskentelevät aktiivisesti näiden ongelmien parissa: parempien lasereiden integrointi, pakkaustekniikan parantaminen, tuotannon skaalaaminen ja suunnittelukyvykkyyksien laajentaminen. Edistyminen jopa viime vuosina on ollut rohkaisevaa. Kuten professori Bowers totesi, haasteisiin kuten III-V-lasereiden integrointi CMOS:iin, tuottojen ja kuitukiinnityksen parantaminen sekä kustannusten alentaminen, kaikkiin näihin puututaan ”edistys… erittäin nopeaa.” nature.com Jokainen vuosi tuo parannuksia, ja ero laboratorioprototyypin ja massatuotannon välillä kapenee hieman. On hyvä muistaa, että elektroniset IC-piirit vaativat vuosikymmenten intensiivisen työn saavuttaakseen nykyisen mittakaavansa – piifotoniikka on verrattain paljon varhaisemmassa vaiheessa matkaansa, mutta se ottaa nopeasti kiinni.

Alan johtavat yritykset ja instituutiot

Piifotoniikasta on tullut globaali ponnistus, jossa monet yritykset (startupeista teknologiajätteihin) ja tutkimuslaitokset vievät alaa eteenpäin. Markkinatutkimusten mukaan piifotoniikkamarkkinoiden suurimpiin toimijoihin (vuonna 2025) kuuluvat alan jättiläiset kuten Cisco, Intel ja IBM, sekä erikoistuneet toimijat kuten NeoPhotonics (Lumentum), Hamamatsu Photonics ja STMicroelectronics expertmarketresearch.com. Tässä yleiskatsaus joihinkin keskeisiin toimijoihin:

• Intel Corporation (Yhdysvallat): Silikonifotoniikan edelläkävijä, Intel investoi varhain ja merkittävästi teknologiaan. Se esitteli yhden ensimmäisistä 100G silikonifotoniikkalähetinvastaanottimista vuonna 2016 ja on toimittanut miljoonia laitteita siitä lähtien optics.org. Intel käyttää silikonifotoniikkaa nopeissa optisissa lähetinvastaanottimissa ja vie sitä tuleviin palvelinprosessoreihin ja reunalaitteiden sovelluksiin. Yrityksen visio on “enable future data center bandwidth growth” fotoniikan avulla, skaalautuen 100G:stä 400G:hen ja sen yli, sekä integroida optiikka prosessoreihin sovelluksissa kuten 5G ja autonomiset ajoneuvot expertmarketresearch.com, tanaka-preciousmetals.com. Intelin Silicon Photonics -divisioona on äskettäin tehnyt yhteistyötä Jabilin kanssa valmistuksessa, mikä viittaa siirtymiseen kohti suurivolyymista tuotantoa optics.org. Intel tutkii myös yhteispakattuja optisia ratkaisuja kytkimiin ja omistaa osuuksia useissa fotoniikkastartupeissa (kuten Ayar Labs).
• Cisco Systems (Yhdysvallat): Cisco, verkkoteknologian jättiläinen, tuli silikonifotoniikkaan yritysostojen kautta (esim. Luxteran osto vuonna 2019) ja on nyt johtava silicon photonic optical transceivers -toimittaja datakeskuksiin ja telekommunikaatioon. Cisco käyttää fotoniikkateknologiaansa tuotteissa, jotka vaihtelevat 100G/400G liitettävistä moduuleista tuleviin yhteispakattuihin optisiin kytkimiin. Ciscon ratkaisut hyötyvät omasta fotoniikka-IC-suunnittelusta, joka mahdollistaa korkean tiheyden ja energiatehokkuuden. Hyödyntämällä silikonifotoniikkaa Cisco tarjoaa asiakkailleen nopeita yhteyksiä pienemmässä koossa. Vuonna 2025 Cisco on yksi markkinajohtajista, joka toimittaa silikonifotoniikkaa suurissa määrissä expertmarketresearch.com.
• IBM Corporation (Yhdysvallat): IBM:llä on pitkä historia optisten yhteyksien tutkimuksessa. Sen Silicon Photonics -tiimi, jolla on yli vuosikymmenen T&K-kokemus, on kehittänyt nopean optisen linkkitekniikan, joka on suunnattu piirilevy- ja prosessoritasoisiin yhteyksiin expertmarketresearch.com. IBM:n tutkimus on tuottanut edistysaskeleita silikonimikrorengasmodulaattoreissa, aallonpituusmultipleksauksessa ja pakkaustekniikassa. Vaikka IBM ei myy lähetinvastaanottimia kuten Intel tai Cisco, se tekee usein yhteistyötä prototyyppien parissa (esimerkiksi IBM ja Mellanox esittelivät optisen yhteyden palvelimille vuonna 2015). IBM:n painopiste on fotoniikan hyödyntämisessä laskennan pullonkaulojen ratkaisemiseksi (esim. POWER10-prosessori käyttää fotonisia linkkejä piirien ulkopuoliseen signaalinsiirtoon kumppanuuksien kautta). IBM osallistuu myös standardointiin ja avoimeen tutkimukseen; sen työt esiintyvät usein konferensseissa kuten OFC ja CLEO.
• NeoPhotonics/Lumentum (Yhdysvallat): NeoPhotonics (joka on nyt osa Lumentumia vuodesta 2022 alkaen) erikoistuu lasereihin ja fotonisiin komponentteihin telekommunikaatio- ja datakeskuskäyttöön. He ovat kehittäneet erittäin puhtaita säädettäviä valolaserita ja nopeita modulaattoreita. Merkittävää on, että NeoPhotonics toi markkinoille piifotonisia koherentteja optisia osakokoonpanoja (COSA) 400G per aallonpituus -viestintään, ja tutki 800G:tä ja sen yli expertmarketresearch.com. Osana Lumentumia (joka on merkittävä optisen alan toimija) tämä osaaminen edistää seuraavan sukupolven koherenttien lähetin-vastaanottimien ja liitettävien moduulien kehitystä telekommunikaatioon. Lumentumin omistus tarkoittaa, että nämä piifotoniikkatuotteet voidaan integroida Lumentumin olemassa olevaan fotoniikkaportfolioon (esim. heidän indiumfosfidimodulaattorit ja -vahvistimet).
• Hamamatsu Photonics (Japani): Optoelektronisten komponenttien johtava valmistaja, Hamamatsu valmistaa laajan valikoiman fotonisia laitteita (fotodiodit, valomonistinputket, kuvantamisanturit jne.). Hamamatsu on ottanut käyttöön piiprosessit tuottaakseen esimerkiksi piifotodiodimatriiseja ja piipohjaisia optisia antureita expertmarketresearch.com. Vaikka Hamamatsu ei keskity yhtä vahvasti nopeisiin lähetin-vastaanottimiin, heidän piifotoniikkatyönsä on keskeistä anturitekniikassa ja tieteellisissä instrumenteissa. He tarjoavat pii-PIN-fotodiodit, APD:t ja optiset anturisirut, jotka ovat perustavanlaatuisia optisten viestintävastaanottimien ja LiDAR-ilmaisimien kannalta. Heidän osaamisensa vähäkohinaisessa, erittäin herkissä fotoniikkaratkaisuissa täydentää piifotoniikan digitaalista viestintäpuolta.
• STMicroelectronics (Sveitsi/Eurooppa): STMicro on suuri puolijohdevalmistaja, joka on kehittänyt oman piifotoniikkakapasiteettinsa. STMicron painopiste on ollut integroiduissa kuvantamis- ja anturiratkaisuissa – esimerkiksi he ovat valmistaneet piifotoniikkasiruja kuituoptisiin gyroskooppeihin ja osallistuneet optisten liitäntöjen tutkimus- ja kehitystyöhön eurooppalaisissa konsortioissa. STMicron kehittyneet tuotantolaitokset ja MEMS-osaaminen tekevät siitä vahvan toimijan piifotoniikassa, jossa vaaditaan integraatiota muiden antureiden tai elektroniikan kanssa expertmarketresearch.com. Ranskan ja Italian kaltaiset maat (joissa ST:llä on merkittävää toimintaa) tukevat fotoniikkaa erilaisin aloittein, ja ST on usein näissä kumppanina. Heidän huhutaan myös toimittavan joitakin piifotoniikkakomponentteja teollisuus- ja autoteollisuuden järjestelmiin.
• GlobalFoundries (Yhdysvallat) ja TSMC (Taiwan): Nämä sopimusvalmistajat ovat kumpikin perustaneet piifotoniikkatarjontansa. GlobalFoundriesilla on tunnettu 45 nm piifotoniikkaprosessi (GF 45CLO) ja se on tehnyt yhteistyötä startupien, kuten Ayar Labsin, kanssa optisten I/O-sirujen valmistuksessa. TSMC on ollut salamyhkäisempi, mutta sen kerrotaan työskentelevän suurten teknologiayritysten kanssa fotonisten integroitujen sirujen rakentamiseksi (esimerkiksi joidenkin Apple-huhujen mukaan TSMC olisi mukana fotoniikka-antureissa). Molemmat ovat ratkaisevassa asemassa tuotannon skaalaamisessa – suurten foundryjen mukanaolo tarkoittaa, että mikä tahansa fabless-yritys voi saada prototyyppejä ja volyymituotantoa fotoniikkasiruista helpommin. Itse asiassa tällaisten foundryjen mukanaolo on vahva merkki siitä, että piifotoniikasta on tulossa valtavirtaa.
• Infinera (Yhdysvallat) ja Coherent/II-VI (Yhdysvallat): Infinera on televiestintälaitteiden valmistaja, joka varhain panosti fotonisiin integroituihin piireihin (tosin indiumfosfidilla). Sittemmin he ovat ottaneet käyttöön myös piifotoniikkaa joissakin tuotteissa tai yhteispaketoinnissa InP PIC:ien kanssa. Coherent (joka osti Finisarin ja otti myöhemmin nimen Coherent) on syvästi mukana optisissa komponenteissa; heillä on omat InP-tehtaansa, mutta he kehittävät myös piifotoniikkapohjaisia transceivereita datakeskuksiin optics.org. Nämä yritykset tuovat televiestintätason painotuksen luotettavuuteen ja suorituskykyyn, mikä ajaa piifotoniikkaa täyttämään operaattoriluokan vaatimukset (esim. 400ZR-moduulit koherentteihin yhteyksiin etäisyyksien yli).
• Ayar Labs, Lightmatter ja startupit: Aalto innovatiivisia startupeja vie piifotoniikkaa uusille alueille. Käsittelimme Ayar Labsia (optinen I/O tekoälylle/HPC:lle) ja Lightmatteria (optinen laskenta). Muita ovat mm. Lightelligence (toinen optinen tekoälypiiristartup), Luminous Computing (fotonisten ja elektronisten järjestelmien integrointi tekoälyyn), Celestial AI (optinen verkotus laskentaklustereille), OpenLight (yhteisyritys, joka tarjoaa avoimen fotonisen alustan integroiduilla lasereilla) ja Rockley Photonics (keskittynyt terveysteknologian sensoreihin, nyt pääosin Celestialin omistuksessa). Nämä startupit ovat huomionarvoisia kunnianhimoisista lähestymistavoistaan – esim. Lightmatterin 3D-integroitu fotoninen tensoriydin tai Luminousin yritys rakentaa täysi fotoninen tietokone. Ne tekevät usein yhteistyötä suurten yritysten kanssa (esimerkiksi HPE teki yhteistyötä Ayar Labsin kanssa hyödyntääkseen optisia yhteyksiä supertietokoneen interconnect-verkossa nextplatform.com). Startup-kenttä on elinvoimainen, ja niiden läsnäolo on saanut vakiintuneet toimijat liikkumaan nopeammin. Alan tarkkailija totesi, että Ayarin ohella yrityksillä kuten Lightmatter ja Celestial AI “kaikilla on mahdollisuus tehdä läpimurtoja, kun piifotoniikka toimii siltana laskentayksiköiden ja yhteyksien välillä.” nextplatform.com
• Akatemiat ja tutkimuslaitokset: Instituutioiden puolella huippuyliopistot ja kansalliset laboratoriot ovat keskeisiä piifotoniikan edistämisessä. University of California, Santa Barbara (UCSB) professori John Bowersin johdolla on ollut voimapesä, joka on ollut edelläkävijä hybridipiilaserien ja kvanttipistetilaserien kehittämisessä piille. MIT, Stanford, Columbia (professori Michal Lipsonin ryhmä) ja Caltech ovat muita Yhdysvaltojen piifotoniikan tutkimuksen keskuksia, joissa työskennellään kaikkea uusista modulaattorifysiikoista fotonisiin laskenta-arkkitehtuureihin. Euroopassa belgialainen IMEC johtaa merkittävää piifotoniikkaohjelmaa ja moniprojektipiipalvelua (iSiPP), ja University of Southampton, TU Eindhoven, EPFL ja muut ovat vahvoja toimijoita. AIM Photonics -instituutti Yhdysvalloissa (mainittu yllä) kokoaa yhteen monia näistä yliopistoista ja yrityksistä yhteistyöhön ja tarjoaa kansallisen foundry-kyvykkyyden. Valtion laboratoriot, kuten MIT Lincoln Lab ja IMEC, ovat jopa osoittaneet kehittynyttä integroitua fotoniikkaa puolustukseen (esim. optiset vaiheistot LiDARiin). Lisäksi kansainväliset yhteistyöt ja konferenssit (kuten Optical Fiber Conference, ISSCC, IEEE Photonics Society -kokoukset) mahdollistavat näiden instituutioiden läpimurtojen jakamisen. Ala hyötyy vahvasta akatemian ja teollisuuden välisestä yhteistyöstä: monet startup-yritysten perustajat ja teollisuuden johtajat ovat koulutettu näissä tutkimuslaboratorioissa, ja jatkuva akateeminen tutkimus jatkaa rajoja rikkovaa kehitystä (esimerkiksi uusien materiaalien integrointi tai kvanttifotoniikka, kuten mainittu).

Kaikki nämä toimijat – suuret teknologiayritykset, erikoistuneet komponenttivalmistajat, kunnianhimoiset startupit ja huippututkimuslaboratoriot – muodostavat rikkaan ekosysteemin, joka yhdessä vie piifotoniikkaa eteenpäin. Niiden välinen kilpailu ja yhteistyö kiihdyttävät innovaatiota. Huomionarvoista on, että jopa geopoliittiset tekijät vaikuttavat: on tiedostettu kilpailu Yhdysvaltojen, Euroopan ja Kiinan välillä siitä, kuka johtaa fotonisten teknologioiden kehitystä csis.org, koska sillä on strategista merkitystä viestinnälle ja laskennalle. Tämä on johtanut julkisten investointien kasvuun (esim. EU:n PhotonHub ja Kiinan kansalliset fotoniikka-aloitteet). Yleisen teknologiaintoilijan kannalta johtopäätös on, että maailmanlaajuisesti suuri määrä älykkäitä ihmisiä ja merkittäviä resursseja panostaa siihen, että tulevaisuuden sirumme kommunikoivat valolla.

Asiantuntijanäkemyksiä ja lainauksia

Piifotoniikan nousun aikana alan asiantuntijat ovat tarjonneet näkökulmia, jotka auttavat hahmottamaan sen vaikutusta. Tässä muutamia merkittäviä huomioita:

• Piifotoniikan paradigman muutos: “Olen usein kuvannut piifotoniikkaa enemmän kuin vain asteittaisena parannuksena — se on paradigman muutos,” sanoo René Jonker, Soitecin johtaja, korostaen, että toisin kuin kupariset liitännät, jotka ovat saavuttamassa rajansa, optiset yhteydet tarjoavat kestävän tavan käsitellä kasvavaa datan tarvetta. Vaikka kustannusten alentamisessa ja valmistuksen skaalaamisessa on edelleen haasteita, hyödyt – “suurempi kaistanleveys, pienempi viive ja alhaisempi virrankulutus” – tekevät piifotoniikasta “välttämättömän osan tulevaa infrastruktuuriamme.” laserfocusworld.com
• Datakeskusten energiankulutuksesta ja optiikasta: Vuoden 2025 Laser Focus World -kommentti korosti kiireellisyyttä datakeskuksissa: vuosikymmenen loppuun mennessä datakeskukset voisivat kuluttaa 8 % Yhdysvaltojen sähköstä, jos nykyinen kehitys jatkuu, mikä on “nykyisillä sähköliitännöillä kestämätöntä.” Kirjoittaja päätteli, että “optiset liitännät, joita piifotoniikka mahdollistaa, ovat ainoa skaalautuva tie eteenpäin.” laserfocusworld.com Toisin sanoen, energian ja kaistanleveyden kriisin välttämiseksi siirtyminen optisiin yhteyksiin ei ole vain vaihtoehto – se on välttämätöntä.
• Integraatiohaasteista: Professori John Bowers (UCSB), fotoniikan huippunimi, kommentoi suurinta haastetta: “Suurin haaste on III–V-materiaalien integrointi piin CMOS:iin… Jäljellä on vielä ongelmia korkean tuoton, korkean luotettavuuden, kustannusten alentamisen ja kuidun liittämisen kanssa. Elektroniikan ja fotoniikan pakkaaminen yhteen on haaste… Mutta edistys on erittäin nopeaa.” nature.com Tämä korostaa, että vaikka lasereiden (III–V-materiaalit) integrointi ja täydellisten tuottojen saavuttaminen on vaikeaa, alan johtajat kuten Intel tekevät tasaista edistystä ja ratkaisut ovat näköpiirissä.
• Valonemissiosta piissä: Samassa haastattelussa Bowers kuvaili värikkäästi, miksi lasereihin tarvitaan muuta kuin piitä: “Pii on uskomattoman huono valonlähteenä. Sen sisäinen kvanttimekaaninen hyötysuhde on noin yksi miljoonasta, kun taas suoran kielletyn kaistan III–V-materiaalien hyötysuhde on käytännössä 100 %. Tiesin alusta asti, että tarvitsemme suoran kielletyn kaistan puolijohteen…” nature.com. Tämä rehellinen arvio selittää, miksi hänen tiiminsä lähti kehittämään hybridilasereita (InP:n liittäminen piihin) jo varhain – lähestymistapa, joka palkittiin Intelin hybridipiilaserilla vuonna 2007 ja sen jälkeen.
• Optiikan saapuminen palvelimelle: Intelin fotoniikan vanhempi johtaja Robert Blum havainnollisti, kuinka optiikka hivuttautuu yhä lähemmäs datakeskusten sisällä: “Kun astut datakeskukseen tänä päivänä, näet 100 Gb/s kuparikaapeleita… ne toimivat hyvin neljän metrin matkalla. Mutta kaikki, mikä on telineen ulkopuolella, käyttää jo optiikkaa. Kun siirrymme 200 tai 400 Gb/s nopeuksiin, [kuparin] kantama lyhenee huomattavasti ja alamme nähdä tämän trendin, jossa optiikka ulottuu aina palvelimelle asti.” tanaka-preciousmetals.com Tämä lainaus havainnollistaa elävästi käynnissä olevaa muutosta – optiikka korvaa tasaisesti kuparin verkon ytimestä kohti reunoja.
• Markkinakasvusta ja tekoälystä: “Tekoälyn nousu on synnyttänyt ennennäkemättömän kysynnän suorituskykyisille transceivereille… Piifotoniikka ja PIC:t ovat tämän vallankumouksen eturintamassa,” toteaa Sam Dale, IDTechX:n teknologia-analyytikko, viitaten piifotoniikan kykyyn tarjota “1,6 Tbps:n ja sitä suurempia nopeuksia.” optics.org Hänen raporttinsa ennustaa, että fotonisten integroitujen piirien markkina voi kasvaa lähes kymmenkertaiseksi vuoteen 2035 mennessä (54 miljardiin dollariin), mikä johtuu suurelta osin tekoälydatakeskusten tarpeista optics.org.
• Tietojenkäsittelyn tulevaisuudesta: The Next Platformin analyytikot ennakoivat, että optinen I/O tulee pian HPC-järjestelmiin. He huomauttavat, että vuosina 2026–2027 näemme todennäköisesti valtavirran CPU/GPU-piirejä optisilla liitännöillä, koska “lähitulevaisuudessa meillä ei ole vaihtoehtoa.” Heidän värikkäästi ilmaistuna, “Kuparin aika on ohi.” nextplatform.com Tämä kiteyttää alan yleisen näkemyksen: sähköiset yhteydet eivät riitä seuraavalle tietojenkäsittelyn aikakaudelle, ja fotoniikan on otettava ohjat, jotta kehitys ei pysähdy.

Nämä asiantuntijoiden näkemykset korostavat sekä piifotoniikan lupausta että haasteita. Yhtenäinen teema on: piifotoniikka on mullistavaa – se mahdollistaa tarvittavan suorituskykyloikan – mutta siihen liittyy vakavia teknologisia haasteita, joita ratkotaan nopeasti. Asiantuntijat tuovat esiin sekä optimismia (paradigman muutos, välttämätön tulevaisuus) että realismia (integraatio-ongelmat, kustannus- ja skaalaushaasteet). Heidän näkemyksensä auttavat yleisöä ymmärtämään, miksi niin monet yritykset ja tutkijat ovat innoissaan piifotoniikasta, ja myös miksi tämän teknologian ylösajo on vienyt pari vuosikymmentä. Kun kuulee tämän eturintaman toimijoilta – olipa kyseessä kokenut tutkija tai tuotepäällikkö – saa kontekstin siitä, että tämä on ala, jossa fysiikka, insinööritaito ja markkinavoimat kohtaavat kiehtovilla tavoilla.

Viimeaikaisia uutisia ja virstanpylväitä

Piifotoniikan kenttä on erittäin dynaaminen. Tässä on joitakin viimeaikaisia uutisnostoja ja virstanpylväitä (noin viimeisen vuoden ajalta), jotka havainnollistavat alan nopeaa kehitystä:

• Celestial AI ostaa Rockley Photonicsin IP:n (lokakuu 2024): Celestial AI, startup, joka kehittää Photonic Fabric™ -optiikkayhteyksiä tekoälylle, ilmoitti ostaneensa Rockley Photonicsin piifotoniikkapatenttiportfolion 20 miljoonalla dollarilla datacenterdynamics.com. Rockley oli kehittänyt edistyneitä piifotoniikka-antureita ja oli siirtynyt terveysvaatteisiin ennen konkurssia. Tämä kauppa antoi Celestial AI:lle yli 200 patenttia, mukaan lukien teknologiaa elektro-optisille moduloijille ja optiselle kytkennälle, joita voidaan hyödyntää datakeskussovelluksissa datacenterdynamics.com. Kyseessä on merkittävä konsolidointi, joka osoittaa, kuinka arvokkaaksi fotoniikka-IP on tullut tekoäly-/datakeskusalalla. Rockleyn innovaatiot (kuten laajakaistaiset laserit mittaukseen) saattavat saada uuden elämän osana Celestialin optisia yhteysratkaisuja.
• Suuria rahoituksia startupeille – Ayar Labs & Lightmatter (loppuvuosi 2024): Kaksi yhdysvaltalaista startupia sai isot rahoituskierrokset. Ayar Labs keräsi 155 miljoonan dollarin Series D -rahoituksen joulukuussa 2024, ja mukana oli puolijohdeteollisuuden johtajia (Nvidia, Intel, AMD sijoittivat VC-rahastojen ohella) nextplatform.com. Tämä kierros nosti Ayarin arvon yli miljardiin dollariin, mikä osoittaa luottamusta sen pakettiin integroitavaan optiseen I/O-teknologiaan, jonka tavoitteena on korvata sähköinen I/O tulevaisuuden prosessoreissa. Vain muutamaa viikkoa aiemmin Lightmatter keräsi 400 miljoonaa dollaria Series D -kierroksella (lokakuu 2024), tuplaten kokonaisrahoituksensa ja nostaen arvonsa 4,4 miljardiin dollariin nextplatform.com. Lightmatter on kehittänyt fotonisia laskentapiirejä ja optista interposer-teknologiaa tekoälyn kiihdyttämiseen. Näin suuret investoinnit ovat merkittäviä – ne osoittavat, että sijoittajat (ja strategiset kumppanit) uskovat näiden startupien ratkaisevan kriittisiä ongelmia tekoälyssä ja laskennassa optisella teknologialla. Se tarkoittaa myös, että voimme odottaa näiden yritysten siirtyvän prototyypeistä tuotteisiin; Lightmatter onkin jo ottanut käyttöön testijärjestelmiä ja Ayarin optisia siruja on tarkoitus pilotoida HPC-järjestelmissä.
• Intel ulkoistaa transceiverit Jabilille (loppuvuosi 2023): Mielenkiintoisena käänteenä Intel päätti loppuvuodesta 2023 siirtää suuren volyymin piifotoniikka-transceiver-liiketoimintansa Jabilille, valmistuskumppanille optics.org. Intel oli toimittanut yli 8 miljoonaa fotonista transceiver-sirua vuodesta 2016 lähtien optics.org – näitä käytetään 100G/200G-yhteyksiin datakeskuksissa. Siirtämällä tuotannon Jabilille (sopimusvalmistaja) Intel viestitti strategisesta muutoksesta: se keskittyy fotoniikan integrointiin ydinalustoihinsa (kuten yhteispakattuihin optiikoihin ja prosessorin sisäiseen fotoniikkaan), samalla kun kumppani hoitaa tuotteistuneen transceiver-markkinan. Tämä liike heijastaa myös alan kypsymistä – se, mikä oli huipputekniikkaa muutama vuosi sitten (100G pluggablet), on nyt niin rutiinia, että sen voi ulkoistaa. Jabil puolestaan rakentaa optista valmistuskapasiteettia, joka voi mahdollisesti palvella myös muita asiakkaita. Intelin ja Jabilin yhteistyö nostettiin analyytikoiden toimesta esiin merkittävänä alan kehityksenä optics.org, ja sitä pidettiin osana ekosysteemin kehitystä.
• InnoLight esittelee 1,6 Tb/s -moduulin (loppuvuosi 2023): Kilpailussa suuremmista nopeuksista InnoLight, kiinalainen optisten transceiverien valmistaja, ilmoitti saavuttaneensa 1,6 terabittiä sekunnissa -optisen transceiver-prototyypin optics.org. Tämä sisältää todennäköisesti useita aallonpituuksia (esim. 16×100G tai 8×200G kanavaa) piifotoniikka-alustalla. 1,6 Tb/s nopeuden saavuttaminen yhdessä moduulissa vuotta ennen joitakin kilpailijoita osoittaa Kiinan kasvavaa osaamista piifotoniikassa. InnoLightin moduulia voitaisiin käyttää kytkinten uplinkeissä tai AI-järjestelmien yhdistämisessä. Se vihjaa myös, että 3,2 Tb/s -moduulit (jotka käyttäisivät esimerkiksi 8 aallonpituutta, kukin 400G) eivät ole kaukana – IDTechX ennustikin 3,2 Tb/s moduuleja vuodelle 2026 optics.org. Tämä oli otsikoihin noussut ennätys, joka korostaa kovaa maailmanlaajuista kilpailua; myös Coherent (USA) ja muut kehittävät 1,6T ja 3,2T -ratkaisuja optics.org.
• PsiQuantumin fotonisen kvanttisirun edistysaskeleet (2024): Kvanttialalla PsiQuantum (joka on salamyhkäinen, mutta tunnetaan yhteistyöstään GlobalFoundriesin kanssa) julkaisi tutkimuksen, jossa esitetään polku kohti häviötoleranttia fotonista kvanttitietokonetta, ja ilmoitti “Omega”-nimisestä sirusta fotoniseen kvanttiarkkitehtuuriinsa thequantuminsider.com. Vaikka kyseessä ei vielä ole kaupallinen tuote, tämä osoittaa, että fotonisen kvanttilaskennan laitteisto kehittyy – ja piifotoniikka on sen ytimessä. PsiQuantumin lähestymistapa vaatii tuhansien yksittäisten fotonilähteiden ja -ilmaisimien integrointia. Uutinen tässä on valmistettavuuden validointi: Nature-lehdessä vuonna 2022 julkaistu artikkeli osoitti keskeiset komponentit (lähteet, suodattimet, ilmaisimet) yhdellä piifotonisella sirulla, jota voidaan skaalata nature.com. Tämä viittaa siihen, että he ovat aikataulussa saavuttamaan virstanpylvään 2020-luvun puolivälin ja 2030-luvun alun välillä prototyyppisen miljoonan kubitin optisen kvanttitietokoneen (heidän pitkän aikavälin tavoitteensa) osalta. Tällaisia kehityksiä, vaikka ne ovatkin kapealla sektorilla, seurataan tarkasti, sillä ne voivat mullistaa huipputason laskennan.
• Litiumniobaattifotoniikan startupit saivat rahoitusta (2023): Kuten mainittiin, kaksi startupia, jotka keskittyvät LiNbO₃-materiaalin integrointiin piifotoniikkaan, HyperLight (USA) ja Lightium (Sveitsi), keräsivät yhteensä 44 miljoonaa dollaria rahoitusta vuonna 2023 optics.org. Rahoitusuutinen oli merkittävä, koska se korostaa trendiä: uusien materiaalien lisääminen piifotoniikkaan suorituskykyrajojen murtamiseksi. Nämä yritykset mainostavat modulaattoreita, jotka toimivat korkeammalla lineaarisuudella ja laajalla aallonpituusalueella (näkyvästä valosta keski-infrapuna-alueelle) erittäin pienellä häviöllä optics.org. Välitön sovellus voisi olla ultranopeat modulaattorit viestintään tai erikoislaitteet kvantti- ja RF-fotoniikkaan. Laajemmin kyse on siitä, että myös sijoittajayhteisö tukee materiaalien innovaatiota fotoniikassa, ei vain ilmeisimpiä lähetinvastaanotinyhtiöitä. Tämä on merkki siitä, että jopa materiaalitieteen edistysaskeleet (kuten TFLN-eristeellä) voivat nopeasti siirtyä startupeihin ja tuotteisiin tällä alalla.
• Standardien ja konsortioiden päivitykset (2024–25): Standardoinnin saralla on tapahtunut edistystä. Continuous-Wave WDM MSA (konsortio, joka määrittelee standardoidut valonlähdemoduulit yhteispakattuihin optiikoihin) julkaisi ensimmäiset spesifikaatiot yhteisille laserlähteille, jotka voivat syöttää useita fotoniikkapiirejä. Tämä on tärkeää, jotta yhteispakattujen optiikoiden monitoimittajayhteensopivuus voidaan varmistaa. Myös UCIe-konsortio (sirupalojen välisten yhteyksien standardointiin) perusti optisen työryhmän pohtimaan, miten optiset sirupalayhteydet voitaisiin standardoida. Samaan aikaan organisaatiot kuten COBO (Consortium for On-Board Optics) ja CPO Alliance ovat järjestäneet huippukokouksia (esim. OFC 2024:ssa), joissa on keskusteltu yhteispakattujen optiikoiden parhaista käytännöistä ansys.com. Kaikki tämä osoittaa, että ala tunnistaa tarpeen yhtenäistää rajapinnat ja välttää pirstaloitumista, joka voisi hidastaa käyttöönottoa. IEEE:n viimeaikaiset uutiset kertoivat myös edistymisestä 1.6T Ethernet -standardien ja niihin liittyvien optisten rajapintastandardien osalta, joissa oletetaan käytettävän piifotoniikkateknologioita.
• Tuotejulkistukset: Tuotepuolella näemme nyt todellista laitteistoa markkinoilla:
  • 800G liitettävät moduulit: Useat toimittajat (Intel, Marvell/Inphi jne.) aloittivat vuonna 2024 800G QSFP-DD- ja OSFP-moduulien näytetoimitukset, joissa käytetään piifotoniikkaa. Näitä tullaan todennäköisesti ottamaan käyttöön vuoden 2025 kytkimissä ja verkoissa.
  • CPO-demopaketit: Yritykset kuten Ranovus ja IBM ovat esitelleet yhteispakattujen optiikoiden kehityspaketteja – esiaste kaupallisille CPO-tuotteille. Esimerkiksi IBM:n tutkimusprototyyppi yhteispakatusta kytkimestä esiteltiin toiminnassa, ja Ranovuksella on CPO-moduuli, jossa on 8×100G aallonpituutta.
  • Piifotoniikkaan perustuvat lidar-tuotteet: Innovusion (Kiina) ja Voyant Photonics (USA) ilmoittivat edistysaskeleista piifotoniikkaan perustuvassa lidarissaan. Innovusionin uusin ajoneuvolidar käyttää joitakin piifotoniikkakomponentteja saavuttaakseen FMCW:n kilpailukykyiseen hintaan. Voyant, Columbian yliopiston tutkimuksesta syntynyt startup, myy jo pientä kiinteätilaista piifotoniikkaan perustuvaa lidarmoduulia drone- ja robottikäyttöön.
  • Optiset I/O-sirupalat: Vuoden 2025 puoliväliin mennessä Ayar Labs aikoo saada TeraPHY optical I/O chiplet -sirupalansa ja SuperNova laser source -laserlähteensä varhaisten asiakkaiden testattavaksi, tarjoten 8 Tbps optisen yhteyden HPC-järjestelmiin. Jos aikataulu pitää, tämä voisi olla yksi ensimmäisistä optisen I/O:n käyttöönotosta tietokonejärjestelmässä (todennäköisesti valtion laboratoriossa tai pilottisupertietokoneessa vuosina 2025–26).

Viimeaikaisten uutisten rytmi maalaa kuvan alasta, joka etenee nopeasti useilla rintamilla: läpimurroista nopeudessa (1.6T optiikka) suuriin strategisiin liikkeisiin (Intelin ulkoistaminen, suuret rahoituskierrokset) ja ensimmäisiin käyttöönottoihin (optiset moottorit tekoälylle). On jännittävä aika, sillä nämä kehitykset osoittavat, että piifotoniikka on siirtymässä lupaavasta teknologiasta kaupalliseksi todellisuudeksi, jolla on kasvava vaikutus tuotteisiin ja teollisuuteen.

Yleisölle tärkein johtopäätös kaikista näistä uutisista on, että piifotoniikka ei ole kaukainen lupaus – se tapahtuu nyt. Yritykset sijoittavat siihen rahaa ja resursseja, todellisia tuotteita toimitetaan, ja jokainen vuosineljännes tuo uusia virstanpylväitä, jotka rikkovat aiempia ennätyksiä. Ala kehittyy nopeasti, ja jopa teknisesti valveutuneet lukijat saattavat yllättyä siitä, kuinka nopeasti esimerkiksi “optiset sirupalikat” tai “1,6 terabitin moduulit” ovat tulleet markkinoille. Uutiset korostavat myös, että kyseessä on globaali kilpailu – merkittävää toimintaa on Yhdysvalloissa, Euroopassa ja Aasiassa – ja että kenttä ulottuu syväteknologiayrityksistä suurimpiin siruvalmistajiin ja verkkopalveluntarjoajiin.

Tulevaisuuden näkymät ja ennusteet

Tulevaisuutta ajatellen piifotoniikan näkymät ovat erittäin lupaavat, ja sillä on potentiaalia määritellä uudelleen laskenta ja viestintä seuraavan vuosikymmenen aikana. Tässä joitakin ennusteita ja odotuksia tulevaisuudesta:

• Laaja käyttöönotto laskennassa: 2020-luvun lopulla piifotoniikasta voi odottaa tulevan vakiovaruste huipputason tietojärjestelmissä. Kuten mainittiin, vuosina 2026–2027 ensimmäiset integroidulla optisella I/O:lla varustetut suorittimet, grafiikkaprosessorit tai tekoälykiihdyttimet saattavat ilmestyä nextplatform.com. Aluksi nämä voivat olla erikoismarkkinoilla (superkoneet, korkean taajuuden kaupankäyntijärjestelmät, huipputason tekoälyklusterit), mutta ne raivaavat tietä laajemmalle käyttöönotolle. Kun teknologia osoittautuu toimivaksi ja volyymit kasvavat, optinen I/O voi valua myös valtavirran palvelimiin ja laitteisiin 2030-luvulla. Kuvittele räkkipalvelimia, joissa jokaisessa suorittimessa on optiset kuituportit suoraan paketissa, yhdistettynä optiseen kytkimeen; tästä voi tulla arkipäivää. Muistipullonkaulaa voidaan myös ratkoa optisilla yhteyksillä – esimerkiksi yhdistämällä muistimoduulit optisesti prosessoreihin, mikä mahdollistaa suuremman kaistanleveyden etäisyyksien yli (osa tutkijoista puhuu “optisesta muistin hajauttamisesta” suurille jaetuille muistialtaille). Yhteenvetona voidaan todeta, että tulevaisuuden datakeskus (ja laajennettuna tulevaisuuden pilvipalvelut) rakennetaan todennäköisesti optisten yhteyksien verkkoon kaikilla tasoilla, piifotoniikan mahdollistamana.
• Terabittiverkot kaikille: Verkkoyhteyksien kapasiteetti tulee jatkossakin kasvamaan harppauksin. Puhumme 1,6 Tb/s, 3,2 Tb/s, jopa 6,4 Tb/s optisista lähetin-vastaanottimista yhdessä moduulissa 2030-luvun alussa. Nämä nopeudet ovat päätähuimaavia – 3,2 Tb/s yhteydellä voisi siirtää 4K-elokuvan murto-osassa millisekuntia. Vaikka näitä nopeuksia käytetään datakeskusten runkoverkoissa ja televerkoissa, hyötyvät kuluttajatkin epäsuorasti (nopeampi internet, vahvemmat pilvipalvelut). Vuoteen 2035 mennessä analyytikot ennustavat fotonisten integroitujen piirien markkinan kasvavan yli 50 miljardin dollarin arvoiseksi, pitkälti näiden AI- ja datakeskusten optics.org lähetin-vastaanottimien ansiosta. Saatamme nähdä, että 800G ja 1.6T ovat uusi 100G, eli niistä tulee verkkojen työjuhtayhteyksiä. Ja kun volyymi kasvaa, bittikohtainen hinta laskee, mikä tekee nopeasta yhteydestä halvempaa ja yleisempää. On täysin mahdollista, että jopa kuluttajalaitteet (esim. VR-lasit, jotka tarvitsevat erittäin nopean yhteyden PC:hen tai pelikonsoliin) käyttävät optista USB- tai optista Thunderbolt-kaapelia siirtämään kymmeniä tai satoja gigabittejä ilman viivettä tai häviötä.
• Telekommunikaation mullistus: Telekommunikaatiossa piifotoniikka auttaa toteuttamaan täysin optisia verkkoja paljon suuremmalla tehokkuudella. Koherentti optinen viestintä integroidulla fotoniikalla yltää todennäköisesti yli 1 Tb/s per aallonpituus (edistyneillä konstellaatioilla ja mahdollisesti integroiduilla lähetin-vastaanottimen DSP-piireillä). Tämä voi tehdä moniterabittisista optisista kanavista taloudellisia, vähentäen tarvittavien lasereiden/kuitujen määrää. Piifotoniikka tekee myös uudelleenohjattavista optisista lisä-poistomultiplekseristä (ROADM) ja muista verkkolaitteista kompaktimpia ja energiatehokkaampia, mikä puolestaan helpottaa suurempikapasiteettisten 5G/6G-verkkojen ja parempien valokuitukotiyhteyksien käyttöönottoa. Yksi erityinen seurattava alue on integroidut laserit kaapeli-TV:lle / kuituyhteyksille: halvat viritettävät laserit piillä voisivat mahdollistaa esimerkiksi 100G symmetrisen kuituyhteyden jokaiseen kotiin. Optisia toimintoja integroimalla teleoperaattorit voivat yksinkertaistaa keskus- ja pääteasemia. Lopputuloksena on entistä nopeammat ja luotettavammat internet-palvelut mahdollisesti alemmilla kustannuksilla, taustalla piifotoniikkasirut.
• AI-laskenta ja optiset moottorit: AI:n saralla, jos yritykset kuten Lightmatter ja Lightelligence onnistuvat, saatamme nähdä ensimmäiset optiset rinnakkaisprosessorit datakeskuksissa. Nämä nopeuttaisivat matriisikertolaskuja tai graafianalytiikkaa valon avulla, tarjoten mahdollisesti valtavia parannuksia suorituskykyyn per watti. On mahdollista, että viiden vuoden sisällä joissain datakeskuksissa on riveittäin optisia AI-kiihdyttimiä GPU:iden rinnalla, hoitamassa erikoistehtäviä erittäin nopeasti (esim. salamannopea päättely reaaliaikaisiin palveluihin). Vaikka täysin optiset tietokoneet jäisivätkin vielä rajallisiksi, hybridi elektro-optinen lähestymistapa (elektroniikka logiikkaohjaukseen, fotoniikka raskaaseen datansiirtoon ja kertolaskuihin) voi nousta keskeiseksi strategiaksi AI-suorituskyvyn skaalaamisessa. Vähentämällä lämpöä ja virrankulutusta fotoniikka auttaa pitämään AI-koulutuksen mahdollisena mallien kasvaessa biljooniin parametreihin. Lyhyesti: piifotoniikka voi olla se salainen ainesosa, joka mahdollistaa seuraavan 1000× kasvun AI-mallien koossa/koulutusdatassa ilman, että sähköverkko sulaa.
• Vaikutus kuluttajateknologiaan: Vaikka suurin osa piifotoniikasta on tällä hetkellä suurissa järjestelmissä (datakeskuksissa, verkoissa), se valuu lopulta kuluttajalaitteisiin. Yksi ilmeinen ehdokas ovat AR/VR-lasit (joissa täytyy syöttää valtavia määriä dataa pienille näytöille ja kameroille – optiset liitännät voisivat auttaa). Toinen ovat kuluttajatason LiDAR- tai syvyyssensorit – tulevaisuuden älypuhelimissa tai puettavissa laitteissa voisi olla pieniä piifotoniikkasensoreita terveydentilan seurantaan (kuten Rockley Photonics tavoitteli) tai ympäristön 3D-skannaukseen. Intelin Mobileye on jo ilmoittanut, että sen piifotoniikkaan perustuva LiDAR tulee autoihin, joten 2020-luvun lopulla uudessa autossasi saattaa olla integroitu fotoninen siru ohjaamassa autonomisen ajon sensoreita huomaamattomasti tanaka-preciousmetals.com. Ajan myötä, kun kustannukset laskevat, tällaisia sensoreita voi ilmestyä yhä useampiin arjen laitteisiin (kuvittele älykello, joka käyttää piifotoniikkasensoria glukoosin tai verianalytiikan ei-invasiiviseen seurantaan ranteessa optisen spektroskopian avulla – yritykset todella kehittävät tätä konseptia). Myös huippuluokan audio/visuaalitekniikassa optiset sirut voisivat parantaa kameroita (LiDAR tarkennukseen tai 3D-kartoitukseen valokuvauksessa) tai mahdollistaa holografiset näytöt moduloimalla valoa mikroskooppisella tasolla (hieman spekulatiivista, mutta ei mahdotonta, kun piille rakennetut spatiaalivalomodulaattorit kehittyvät). Joten kymmenen vuoden päästä kuluttajat saattavat käyttää piifotoniikkaa laitteissaan huomaamattaan, aivan kuten nykyään käytämme MEMS-sensoreita kaikkialla ajattelematta asiaa.
• Fotiikka kvanttimaailmassa: Jos katsomme vielä pidemmälle tulevaisuuteen, kvanttifotoniikkateknologiat saattavat kypsyä. Jos PsiQuantum tai muut onnistuvat, meillä voi olla fotoninen kvanttitietokone, joka päihittää klassiset supertietokoneet tietyissä tehtävissä – ehkä miljoonia lomittuneita fotoneja käsitellään sirulla. Se olisi monumentaalinen saavutus, kenties yhtä mullistava kuin ensimmäiset elektroniset tietokoneet. Vaikka tämä saattaa olla vasta vuoden 2030 jälkeen, välivaiheen kehitys voi tuoda kvanttisimulaattoreita tai verkotettuja kvanttikommunikaatiojärjestelmiä piifotoniikan avulla. Esimerkiksi turvallisia kvanttikommunikaatiolinkkejä (QKD-verkkoja) voitaisiin ottaa käyttöön kaupunkiverkoissa standardoitujen piifotoniikka-QKD-lähettimien avulla datakeskuksissa. Lisäksi on potentiaalia kvanttisensoreille sirulla (kuten optiset gyroskoopit kvanttitason herkkyydellä) navigoinnin tai tieteen käyttöön.
• Jatkuva tutkimus ja uudet horisontit: Piifotoniikan ala kehittyy edelleen. Tutkijat selvittävät jo 3D-integraatiota – fotonisten ja elektronisten sirujen pinoamista tiiviimmän kytkennän saavuttamiseksi (joissain tutkimuksissa selvitetään mikronystyröitä tai liimaustekniikoita, joilla fotoninen välilevy saadaan prosessorin alle). Lisäksi puhutaan optiisesta verkkoyhteydestä sirulla (ONoC), jossa prosessorit käyttävät valoa ytimien väliseen viestintään sähköisten verkkojen sijaan tai lisäksi. Jos joskus moniydinsuorittimet käyttävät sisäisiä optisia verkkoja, se voisi poistaa sirun sisäiset kaistanleveyden pullonkaulat (tämä on vielä kauempana, mutta konsepti on todistettu laboratorioissa). Nanofotoniikka voi myös tulla mukaan: plasmoniset tai nanoskaalan optiset komponentit, jotka toimivat erittäin suurilla nopeuksilla tai hyvin pienessä koossa, mahdollisesti integroituna piifotoniikkaan tietyissä tehtävissä (kuten ultrakompaktit modulaattorit). Ja kuka tietää, ehkä joku päivä joku onnistuu saavuttamaan piilaserin pyhän graalin jonkin kekseliään materiaalikikan avulla – mikä todella yksinkertaistaisi fotonista integraatiota.
• Markkina- ja toimialanäkymät: Taloudellisesti todennäköisesti näemme piifotoniikkamarkkinoiden räjähdysmäisen kasvun. IDTechX:n mukaan vuoteen 2035 mennessä markkina-arvon odotetaan olevan noin 54 miljardia dollaria optics.org. Huomionarvoista on, että vaikka dataviestintä muodostaa suurimman osan, arviolta noin 11 miljardia dollaria tästä voisi tulla muista kuin datan sovelluksista (telekommunikaatio, lidar, sensorit, kvantti jne.) optics.org. Tämä tarkoittaa, että teknologian hyödyt jakautuvat monille aloille. Saatamme myös nähdä suuria toimialan mullistuksia tai kumppanuuksia: esimerkiksi voisiko teknologiajätti ostaa jonkin fotoniikan yksisarvisista startupeista (kuvittele, että Nvidia ostaisi Ayar Labsin tai Lightmatterin varmistaakseen johtoaseman optisessa laskennassa)? Se on mahdollista, kun panokset kasvavat. Lisäksi kansainvälinen kilpailu voi kiristyä – saatamme nähdä merkittäviä hallitusten investointeja johtoaseman varmistamiseksi (vastaavasti kuin puolijohdeteollisuutta pidetään strategisena). Piifotoniikasta voi tulla keskeinen osa kansallisia teknologiastrategioita, mikä voi edelleen vauhdittaa T&K-rahoitusta ja infrastruktuuria.

Laajemmassa mielessä, jos otamme askeleen taaksepäin, tulevaisuus piifotoniikan kanssa on sellainen, jossa laskennan ja viestinnän rajat hämärtyvät. Etäisyys ei enää rajoita – data voi kulkea sirun sisällä tai kaupunkien välillä yhtä vaivattomasti optisilla säikeillä. Tämä voi mahdollistaa arkkitehtuureja, kuten hajautetun laskennan, jossa resurssien fyysisellä sijainnilla on vähän merkitystä, koska optiset yhteydet tekevät viiveestä pientä ja kaistanleveydestä suurta. Voimme nähdä aidosti hajautettuja datakeskuksia, joissa laskenta, tallennus ja muisti on yhdistetty optisesti kuin LEGO-palikat. Fotoniikan tuomat energiatehokkuushyödyt voivat myös edistää vihreämpää ICT:tä, mikä on tärkeää digitaalisen infrastruktuurin energiantarpeen kasvaessa.

Lainataksemme erään alan veteraanin sanoja, “matka piifotoniikan skaalaamiseen on yhtä jännittävä kuin haastavakin.” laserfocusworld.com Tulevina vuosina on epäilemättä esteitä, mutta yhteinen päättäväisyys akateemisen maailman ja teollisuuden välillä niiden voittamiseksi on vahva. Yhteistyön ja innovoinnin – materiaalitieteen, puolijohdetekniikan ja fotoniikan yhdistämisen – kautta asiantuntijat uskovat, että kohtaamme nämä haasteet ja avaamme piifotoniikan täyden potentiaalin laserfocusworld.com. Tulevaisuuden näkymä on, että tämä teknologia siirtyy reunalta (laitteidemme yhdistämisestä tai erikoisjärjestelmien tehostamisesta) aivan laskennan ja yhteyksien ytimeen. Olemme käytännössä uuden aikakauden kynnyksellä – sellaisen, jossa valo, ei vain elektronit, kuljettaa tiedon elinvoimaa laitteiden ja verkkojen läpi, jotka muodostavat modernin elämän perustan. Ja se on todella vallankumouksellinen muutos, joka tulee toteutumaan seuraavan vuosikymmenen aikana ja sen jälkeen.

Lähteet: Piifotoniikan määritelmät ja edut ansys.comansys.com; sovellukset tunnistuksessa, LiDARissa, kvanttiteknologiassa ansys.comansys.com; datakeskus- ja tekoälytrendit laserfocusworld.com, optics.org; asiantuntijalausunnot ja näkemykset laserfocusworld.com, tanaka-preciousmetals.com, nature.com; alan johtajat expertmarketresearch.com; viimeisimmät uutiset ja investoinnit datacenterdynamics.com, nextplatform.com, nextplatform.com; tulevaisuuden ennusteet optics.org