Revolucija silicijske fotonike – tehnologija brzinom svjetlosti koja mijenja AI, podatkovne centre i više

Silicijska fotonika koristi silicijske fotoničke integrirane sklopove (PIC-ove) za manipulaciju svjetlom u svrhu obrade podataka i komunikacije, omogućujući međusobno povezivanje unutar čipa i između čipova brzinama poput 100 Gb/s i 400 Gb/s.
Silicijski fotonički čip veličine nokta može sadržavati desetke laserskih kanala i, uz gusto valno multipleksiranje, prenositi terabite podataka.
Međusobna povezivanja podatkovnih centara imaju koristi od optičkih veza koje troše manje energije i nude veću gustoću, a prototipi poput 51,2 Tb/s preklopnih čipova s integriranim optičkim I/O su demonstrirani.
Godine 2024. Ayar Labs je demonstrirao optički čiplet koji isporučuje 8 Tbps propusnosti koristeći 16 valnih duljina, a kasna runda Series D u 2024. prikupila je 155 milijuna dolara uz sudjelovanje Nvidije, AMD-a i Intela, čime je vrijednost tvrtke premašila milijardu dolara.
Intel je krajem 2023. prepustio proizvodnju svojih silicijskih fotoničkih transceivera tvrtki Jabil nakon što je od 2016. isporučio više od 8 milijuna fotoničkih transceiverskih čipova.
InnoLight je krajem 2023. demonstrirao prototip optičkog transceivera od 1,6 Tbps, a moduli od 3,2 Tbps očekuju se do 2026. kako se približavaju višeterabitne veze.
Američki institut AIM Photonics dobio je sedmogodišnji program vrijedan 321 milijun dolara do 2028. za unapređenje proizvodnje integrirane fotonike u SAD-u, omogućujući izgradnju silicijske fotoničke tvornice i linije za pakiranje u New Yorku.
Broadcom je 2023. demonstrirao prototipe preklopnika s ko-pakiranim optikama od 25,6 Tbps i 51,2 Tbps s integriranim laserskim fotoničkim motorima.
Lightmatter je prikupio 400 milijuna dolara u rundi Series D 2024. za financiranje svoje optičke AI akceleratorske platforme, a PsiQuantum je javno predstavio put do fotoničkog kvantnog računala otpornog na gubitke sa svojim Omega čipom 2024.
Analitičari predviđaju da će tržište silicijske fotonike dosegnuti oko 54 milijarde dolara do 2035., s otprilike 11 milijardi izvan podatkovnih aplikacija, uglavnom potaknuto potrebama AI podatkovnih centara.

Što je silicijska fotonika i kako funkcionira?

Silicijska fotonika je tehnologija koja koristi na siliciju temeljene fotoničke integrirane sklopove (PIC-ove) za manipulaciju svjetlom (fotonima) u svrhu obrade i komunikacije. Jednostavno rečeno, to znači izradu optičkih uređaja (poput lasera, modulatora i detektora) na silicijskim čipovima slično kao što se izrađuju elektronički sklopovi. Ovi silicijski fotonički čipovi mogu slati i primati podatke pomoću svjetlosti, omogućujući ultra-brzi prijenos podataka s velikom propusnošću i malim energetskim gubicima ansys.com. Ključne komponente uključuju valovode (sićušne optičke “žice” koje vode svjetlost po čipu), modulatore (koji kodiraju podatke na svjetlosne zrake), lasere (koji se obično dodaju putem drugih materijala jer sam silicij ne može emitirati svjetlost) i fotodetektore (koji pretvaraju dolaznu svjetlost natrag u električne signale) ansys.com. Integriranjem ovih elemenata na silicijsku platformu, inženjeri koriste dobro uspostavljenu poluvodičku proizvodnju (CMOS) za masovnu proizvodnju fotoničkih uređaja, kombinirajući brzinu svjetlosti s razmjerom moderne proizvodnje čipova ansys.com.

Kako to funkcionira? Umjesto električnih impulsa u bakrenim žicama, silicijski fotonički sklopovi koriste infracrveno lasersko svjetlo koje prolazi kroz valovode u mikronskim razmjerima. Silicij je proziran za infracrvene valne duljine, što omogućuje svjetlu da se širi uz minimalne gubitke kada je omeđeno okolnim materijalima poput silicijevog dioksida koji imaju niži indeks loma ansys.com ansys.com. Podaci se kodiraju na ove svjetlosne valove putem modulatora koji mogu brzo mijenjati intenzitet ili fazu svjetla. Na drugom kraju, fotodetektori na čipu pretvaraju optičke signale natrag u električni oblik. Budući da svjetlost oscilira na frekvencijama mnogo višim od električnih signala, optički međuspojevi mogu prenositi neusporedivo više podataka u sekundi nego električne žice. Jedno malo vlakno ili valovod može prenositi desetke ili stotine gigabita u sekundi, a korištenjem više valnih duljina svjetlosti (gusta valna multipleksacija), jedno vlakno može prenositi terabite podataka. U praktičnom smislu, silicijska fotonika omogućuje komunikaciju na čipu ili između čipova brzinama poput 100 Gb/s, 400 Gb/s ili više, što bi inače zahtijevalo mnogo bakrenih vodova ili jednostavno bilo neizvedivo na većim udaljenostima ansys.com optics.org.

Silicijski fotonički uređaji su kompaktni, brzi i energetski učinkoviti. Svjetlost može putovati kroz valovode s vrlo malim otporom (bez električnog kapaciteta ili problema zagrijavanja koji se javljaju kod bakra pri velikim brzinama), što znači potencijalno manju potrošnju energije za prijenos podataka. Jedna analiza navodi da optički međuspojevi mogu drastično ublažiti uska grla u prijenosu podataka i smanjiti zagrijavanje u visokoučinkovitim sustavima – “optički međuspojevi, omogućeni silicijskom fotonikom, jedini su skalabilni put naprijed” za zadovoljavanje eksplozivnih zahtjeva za propusnošću laserfocusworld.com. Ukratko, silicijska fotonika spaja jeftinu, masovno proizvedivu platformu silicijskih čipova s fizikom svjetlosti, stvarajući “sklopove za fotone” na čipu ansys.com. Ova tehnologija nam omogućuje da doslovno prenosimo podatke brzinom svjetlosti u kontekstima gdje tradicionalna elektronika doseže svoje granice.

Ključne primjene silicijske fotonike

Silicijska fotonika započela je u optičkim komunikacijama putem vlakana, ali danas je to svestrana platforma koja nalazi primjenu u mnogim najnaprednijim područjima. Zbog svoje velike brzine i energetske učinkovitosti, svako područje koje treba prenositi ogromne količine podataka (ili precizno upravljati svjetlom) je kandidat. Evo nekih od ključnih primjena:

Podatkovni centri i brze cloud mreže

Jedna od najvažnijih primjena je unutar podatkovnih centara i superračunala, gdje silicijska fotonika rješava hitnu potrebu za bržim i učinkovitijim međuspojevima. Moderni cloud i hiperskalarni podatkovni centri obrađuju ogromne tokove podataka između poslužitelja, regala i kroz mreže na razini kampusa. Bakarni kabeli i tradicionalni električni preklopnici sve su više usko grlo – troše previše energije i ne mogu se skalirati iznad određenih udaljenosti ili brzina (na primjer, 100 Gb/s bakrene veze rade samo na nekoliko metara). Silicijski fotonički međuspojevi to rješavaju korištenjem optičkih vlakana i ugrađenih optičkih motora za povezivanje poslužitelja i preklopnika vrlo velikim brzinama uz minimalne gubitke. Optički transceiveri temeljeni na silicijskoj fotonici već zamjenjuju ili nadopunjuju električne veze za komunikaciju između regala, pa čak i unutar regala tanaka-preciousmetals.com.

Cisco i Intel su ovdje bili pioniri: Cisco sada dizajnira brze priključive optičke transceivere koristeći silicijsku fotoniku za povezivanje mrežne opreme expertmarketresearch.com. Intel je također iskoristio silicijsku fotoniku za poboljšanje povezivosti podatkovnih centara, isporučivši milijune 100G optičkih transceiverskih čipova i sada povećava proizvodnju 200G, 400G te uzorkuje 800G optičke module tanaka-preciousmetals.com. Motivacija je jasna – kako se brzine prijenosa podataka udvostručuju sa 100G na 200G pa na 400G, domet bakra se dramatično smanjuje. “Kad danas uđete u podatkovni centar, vidjet ćete 100 Gb/s bakrene kabele koji povezuju poslužitelje s top-of-rack preklopnikom… Ti su kabeli u redu za četiri metra ili tako nešto. Ali sve izvan regala već koristi optiku,” napominje Robert Blum, Intelov viši direktor za fotoniku, dodajući da “kako povećavamo brzine prijenosa na 200 ili 400 Gb/s, domet bakra postaje puno kraći i počinjemo vidjeti ovaj trend gdje optika ide sve do poslužitelja.” tanaka-preciousmetals.com U klasterima za visokoučinkovito računalstvo (HPC) i AI superračunalima, gdje tisuće procesora trebaju veze s niskom latencijom, optički međuspojevi osiguravaju propusnost kako bi svi ti čipovi imali dovoljno podataka ansys.com, laserfocusworld.com. Dovođenjem fotonike na preklopnik, pa čak i u pakete procesora (tzv. optika u zajedničkom pakiranju), buduće mreže podatkovnih centara postići će znatno veće propusnosti. Zapravo, 51,2 Tb/s preklopni čipovi s integriranim optičkim I/O su na vidiku, a prototipovi su već demonstrirani tanaka-preciousmetals.com.

Prednosti za podatkovne centre su značajne: niža potrošnja energije (optičke veze troše znatno manje energije pretvarajući je u toplinu nego što to čini protok elektrona kroz bakar na desecima GHz), veća gustoća (mnogi optički kanali mogu se multipleksirati bez brige o elektromagnetskim smetnjama) i veći domet (optički signali mogu putovati kilometrima ako je potrebno). To znači da silicijska fotonika pomaže podatkovnim centrima povećati performanse bez ograničenja međusobnih veza. Jedan tržišni analitičar primijetio je da podatkovni centri usmjereni na AI pokreću neviđenu potražnju za visokoučinkovitim optičkim transceiverima, tvrdeći da su “silicijska fotonika i PIC-ovi na čelu ove revolucije, sa svojom sposobnošću prijenosa podataka brzinama od 1,6 Tbps i više.” optics.org U praktičnom smislu, jedan fotonički čip veličine nokta može sadržavati desetke laserskih kanala koji zajedno prenose terabite podataka – što je ključno za infrastrukturu oblaka nove generacije.

AI i ubrzanje strojnog učenja

Ekspanzija AI i strojnog učenja predstavlja poseban slučaj primjene u podatkovnim centrima – zaslužuje posebno spominjanje jer AI donosi jedinstvene zahtjeve i potaknula je nove načine korištenja silicijske fotonike. Treniranje naprednih AI modela (poput velikih jezičnih modela koji pokreću chatbotove) uključuje masivne paralelne izračune raspoređene na mnoge GPU-ove ili specijalizirane AI akceleratore. Ovi čipovi moraju razmjenjivati ogromne količine podataka za zadatke poput treniranja modela, često zasićujući konvencionalne električne veze. Silicijska fotonika nudi dvostruku prednost za AI: međusobne veze velikog kapaciteta i čak potencijal za optičko računanje.

S druge strane međusobnog povezivanja, razvijaju se optičke veze za izravno povezivanje AI akceleratorskih čipova ili memorije pomoću svjetlosti (ponekad se naziva optički I/O). Zamjenom tradicionalne serverske pozadinske ploče ili komunikacije između GPU-ova optičkim vlaknima, AI sustavi mogu značajno smanjiti latenciju i potrošnju energije pri komunikaciji. Primjerice, startupi poput Ayar Labs stvaraju optičke I/O čiplete koji se nalaze uz procesore i prenose podatke pomoću svjetlosti, čime se eliminiraju gusti snopovi bakrenih vodova koji bi inače bili potrebni. Godine 2024. Ayar Labs je demonstrirao optički čiplet koji isporučuje 8 Tbps propusnosti koristeći 16 valnih duljina svjetlosti – što je pokazatelj kako bi mogli izgledati međusobni spojevi AI sustava sljedeće generacije businesswire.com. Veliki proizvođači čipova prate razvoj: Nvidia, AMD i Intel su svi investirali u Ayar Labs u sklopu investicijskog kruga od 155 milijuna dolara, kladeći se da će optički međusobni spojevi biti ključ za skaliranje budućeg AI hardvera nextplatform.com. Kako je jedan novinar duhovito primijetio, ako ne možete dobiti dovoljno brzine samo ubrzavanjem čipova, “sljedeća najbolja stvar u koju biste trebali ulagati vjerojatno je neki oblik optičkog I/O.” nextplatform.com

Osim prijenosa podataka između AI čipova, silicijska fotonika također omogućuje optičko računanje za AI. To znači izvođenje određenih izračuna (poput množenja matrica u neuronskim mrežama) pomoću svjetlosti umjesto električne energije, što bi potencijalno moglo zaobići neka ograničenja brzine i potrošnje energije današnjih elektroničkih AI akceleratora. Tvrtke poput Lightmatter i Lightelligence izgradile su prototipove fotoničkih procesora koji koriste interferenciju svjetlosti u silicijskim valovodima za paralelno računanje rezultata. Krajem 2024. Lightmatter je prikupio izvanrednih 400 milijuna dolara u Series D rundi (čime je vrijednost tvrtke narasla na 4,4 milijarde dolara) za razvoj svoje tehnologije optičkog računanja nextplatform.com. Iako su još u povojima, ovi fotonički AI akceleratori obećavaju izuzetno brzo, nisko-latentno izvođenje neuronskih mreža uz znatno manju potrošnju energije, budući da fotoni stvaraju minimalnu toplinu u usporedbi s milijardama prekidačkih događaja tranzistora.

Općenito, kako AI modeli rastu u veličini i složenosti (i zahtijevaju klastere od desetaka tisuća čipova), silicijska fotonika se smatra “promjenom paradigme” koja može prevladati uska grla u komunikaciji u AI infrastrukturi laserfocusworld.com. Ona nudi način za linearno skaliranje propusnosti između procesora prema potrebi, što je teško postići električnim vezama. Promatrači industrije predviđaju da će optičke tehnologije (poput optike u paketu s čipom, optičkih veza između čipova i možda fotoničkih računalnih elemenata) postati standard u AI sustavima u nadolazećim godinama – a ne samo nišni eksperiment. Zapravo, prema jednoj procjeni, AI podatkovni centri će rasti tako brzo (50% godišnje u potrošnji energije) da bi do 2030. mogli postati neodrživi s postojećim električnim I/O, čineći silicijsku fotoniku “nezaobilaznim dijelom naše buduće infrastrukture” kako bi AI ostao skalabilan laserfocusworld.com.

Telekomunikacije i umrežavanje

Silicijska fotonika ima svoje korijene u telekomunikacijama i nastavlja revolucionirati način na koji prenosimo podatke na velike udaljenosti. U telekomunikacijskim mrežama s optičkim vlaknima – bilo da se radi o internetskoj okosnici, podmorskim kabelima ili gradskim i pristupnim mrežama – integrirana fotonika koristi se za izradu optičkih prijemnika koji su manji, brži i jeftiniji. Tradicionalni optički komunikacijski sustavi često su se oslanjali na diskretne komponente (laseri, modulatori, detektori sastavljeni pojedinačno), ali integracija silicijske fotonike može smjestiti mnoge od tih komponenti na jedan čip, poboljšavajući pouzdanost i smanjujući troškove sklapanja tanaka-preciousmetals.com.

Danas su optički transceiverski moduli koji koriste silicijsku fotoniku uobičajeni u povezivanju podatkovnih centara i sve se više usvajaju u telekomunikacijskoj infrastrukturi za 100G, 400G i više. Na primjer, tvrtke poput Infinera i Cisco (Acacia) razvile su koherentne optičke transceivere koristeći silicijsku fotoniku za 400G i 800G veze u telekom mrežama. Širokopojasne i 5G/6G bežične mreže također imaju koristi – optičke veze koje povezuju bazne stanice ili prenose fronthaul/backhaul podatke mogu biti učinkovitije uz silicijsku fotoniku. Intel je istaknuo da će silicijska fotonika igrati ulogu u “implementacijama sljedeće generacije 5G koristeći manje formate i veće brzine, od današnjih 100G do 400G i više sutra” expertmarketresearch.com. Mogućnost integracije desetaka laserskih valnih duljina na čip korisna je za sustave guste multipleksacije po valnim duljinama (DWDM), koje telekom operateri koriste za povećanje broja kanala na svakom optičkom vlaknu. U 2023. godini kineska tvrtka InnoLight čak je demonstrirala 1,6 Tb/s optički transceiver (koristeći više valnih duljina i naprednu modulaciju) – znak da su višeterabitne optičke veze na bliskom horizontu optics.org.

Još jedna mrežna primjena je u osnovnoj ruting i preklopnoj opremi. Vrhunski ruteri i optičke preklopne platforme počinju koristiti silicijske fotoničke sklopove za funkcije poput optičkog preklapanja, usmjeravanja signala, pa čak i filtriranja valnih duljina na čipu. Na primjer, prototipirani su veliki silicijsko-fotonički preklopni sklopovi koji koriste silicijske MEMS ili termo-optičke efekte za brzo preklapanje svjetlosnih putanja, što potencijalno omogućuje potpuno optičko preklapanje krugova. Oni bi se u budućnosti mogli koristiti u mrežama podatkovnih centara za optičku rekonfiguraciju veza u hodu (Google je nagovijestio korištenje optičkih preklopnika u nekim svojim AI klasterima) nextplatform.com.

Općenito, u telekomunikacijama su ciljevi veći kapacitet i niži trošak po bitu. Silicijska fotonika pomaže skaliranjem kapaciteta optičkih vlakana (100G → 400G → 800G i 1,6T po valnoj duljini) i smanjenjem troškova proizvodnje kroz CMOS procese u tvornicama. Značajno je da je Intelov odjel za silicijsku fotoniku, prije restrukturiranja, isporučio više od 8 milijuna fotoničkih transceiverskih čipova od 2016. do 2023. za podatkovne centre i mrežnu upotrebu optics.org. Suradnje u industriji rastu: primjerice, Intel je krajem 2023. najavio da će prenijeti proizvodnju svojih transceiverskih čipova na Jabil (ugovorni proizvođač) kako bi dodatno povećao proizvodnju optics.org. U međuvremenu, optički divovi poput Coherent (bivši II-VI) i tradicionalni telekom dobavljači (Nokia, Ciena itd.) svi ulažu u silicijsku fotoniku za optičke module nove generacije optics.org. Tehnologija postaje temelj fizičke infrastrukture Interneta i brzo razvijajućeg 5G/6G komunikacijskog ekosustava.

Senzori i LiDAR

Silicijska fotonika nije samo za komunikacije – ona također omogućuje nove vrste senzora koristeći preciznu kontrolu svjetlosti na čipu. Jedno uzbudljivo područje je biokemijsko i okolišno senzorsko mjerenje. Silicijski fotonički senzori mogu detektirati vrlo male promjene u indeksu loma ili apsorpciji kada uzorak (poput kapljice krvi ili kemijske pare) dođe u interakciju s vođenim svjetlosnim snopom. Na primjer, silicijski fotonički čip može imati mali prstenasti rezonator ili interferometar koji mijenja frekvenciju kada se određene molekule vežu za njega. To omogućuje laboratorijsko mjerenje biomarkera na čipu – proteina, DNK, plinova itd. – s visokom osjetljivošću i potencijalno niskom cijenom. Takvi fotonički biosenzori mogli bi se koristiti za medicinsku dijagnostiku, praćenje okoliša ili čak za aplikacije “umjetnog nosa” optics.org optics.org. Ključne su prednosti minijaturizacija i integracija: jedan silicijski fotonički senzorski čip mogao bi integrirati izvore svjetlosti, senzorske elemente i fotodetektore, nudeći kompaktan, izdržljiv senzor umjesto glomazne optičke laboratorijske opreme. Istraživanja u silicij-nitridnoj fotonici (varijanta koja bolje radi za vidljive valne duljine) otvaraju još više senzorskih primjena, budući da SiN može voditi vidljivu svjetlost za detekciju stvari poput fluorescencije ili Ramanovih signala koje čisti silicij ne može.

Još jedna brzo rastuća primjena je LiDAR (Light Detection and Ranging) za autonomna vozila, dronove i robotiku. LiDAR sustavi emitiraju laserske impulse i mjere reflektirano svjetlo kako bi mapirali udaljenosti – u suštini “3D laserski vid”. Tradicionalne LiDAR jedinice često se oslanjaju na mehaničko skeniranje i diskretne lasere/detektore, što ih čini skupima i donekle glomaznima. Silicijska fotonika nudi način izrade LiDAR-a na čipu: integrirajući elemente za usmjeravanje snopa, razdjelnike, modulatore i detektore monolitno. Silicijski fotonički LiDAR može koristiti čvrsto stanje za usmjeravanje snopa (na primjer, optičke fazne nizove) za skeniranje okoline bez pokretnih dijelova. Ovo značajno smanjuje veličinu i cijenu LiDAR jedinica. Zapravo, Intelov Mobileye je naznačio da koristi silicijske fotoničke integrirane sklopove u svojim LiDAR senzorima za autonomnu vožnju sljedeće generacije oko 2025. godine tanaka-preciousmetals.com. Takva integracija mogla bi smanjiti troškove LiDAR-a i omogućiti masovnu primjenu u automobilima. LiDAR temeljen na silicijskoj fotonici također može postići brže skeniranje i veću rezoluciju korištenjem više valnih duljina ili koherentnih tehnika detekcije ugrađenih na čip. Kao dodatna prednost, ova integrirana rješenja obično troše manje energije – što je važan faktor za električna vozila.

Prema Ansysu, “rješenja za LiDAR omogućena silicijskom fotonikom su kompaktnija, troše manje energije i jeftinija su za proizvodnju od sustava izrađenih od diskretnih komponenti.” ansys.com Ovo sažeto objašnjava zašto se tvrtke, od startupa do tehnoloških divova, utrkuju u razvoju fotoničkog LiDAR-a. Već vidimo prototipove FMCW LiDAR-a (LiDAR s kontinuiranim valom moduliranim frekvencijom), koji zahtijeva osjetljive fotoničke sklopove poput podesivih lasera i interferometara. Silicijska fotonika je prirodna platforma za to, a stručnjaci predviđaju da će integrirana fotonika biti ključna za ostvarivanje FMCW LiDAR-a u velikim razmjerima (zbog njegovog velikog dometa i otpornosti na smetnje) optics.org optics.org. U bliskoj budućnosti očekujte automobile i dronove opremljene malim, čip-baziranim LiDAR jedinicama visokih performansi – izravni proizvod inovacija u silicijskoj fotonici.

Osim LiDAR-a, druge primjene u detekciji uključuju žiroskope i inercijske senzore (korištenje prstenastih laserskih žiroskopa na čipu za navigaciju) i spektrometre (integrirani optički spektrometri za kemijsku analizu). Zajednička nit je da silicijska fotonika donosi preciznost optičkog mjerenja u minijaturiziranom, proizvodnom formatu. Ovo otvara nove mogućnosti u potrošačkoj elektronici (zamislite optički zdravstveni senzor u pametnom satu), industrijskom nadzoru i znanstvenim instrumentima.

Kvantno računalstvo i fotoničke kvantne tehnologije

U potrazi za kvantnim računalima, fotoni (čestice svjetlosti) igraju jedinstvenu ulogu. Za razliku od elektrona, fotoni mogu putovati na velike udaljenosti bez interakcije s okolinom (korisno za prijenos kvantnih informacija), a određene sheme kvantnog računalstva koriste fotone kao same kubite. Silicijska fotonika pojavila se kao vodeća platforma za istraživanje kvantnog računalstva i umrežavanja.

Nekoliko startupa i istraživačkih grupa radi na fotonickim kvantnim računalima koja koriste silicijske fotoničke sklopove za generiranje i manipulaciju kubitima kodiranim u svjetlosti. Na primjer, PsiQuantum, startup s velikim financiranjem, surađuje s poluvodičkom tvornicom na izgradnji kvantnog računala velikih razmjera koristeći tisuće silicijskih fotoničkih kanala za kubite. Ideja je integrirati uređaje poput izvora pojedinačnih fotona, razdjelnika snopa, faznih pomaka i detektora fotona na čip kako bi se izvodila kvantna logika s fotonima. Prednost silicijske fotonike ovdje je skalabilnost – jer se oslanja na CMOS proizvodnju, moguće je (u teoriji) stvoriti vrlo složene kvantne fotoničke sklopove sa stotinama ili tisućama komponenti, što je puno teže u drugim pristupima kvantnom hardveru. Doista, istraživači su nedavno demonstrirali silicijske fotoničke čipove s tisućama komponenti koje zajedno rade na manipulaciji kvantnim svjetlom nature.com.

Silicijska fotonika također omogućuje kvantno umrežavanje – sigurne komunikacije koristeći kvantnu distribuciju ključeva (QKD) i upletene fotone – pružajući platformu za kompaktne, stabilne optičke kvantne predajnike i prijemnike. Dodatno, određene tehnologije kvantnih senzora (poput optičkih kvantnih žiroskopa ili LiDAR-a s pojedinačnim fotonima) mogu koristiti silicijske fotoničke čipove u svojoj srži.

Jedan od glavnih izazova u fotoničkom kvantnom računalstvu je generiranje pojedinačnih fotona na zahtjev i njihovo usmjeravanje s malim gubicima. Zanimljivo je da ista ograničenja (i rješenja) koja vrijede za klasičnu silicijsku fotoniku vrijede i u kvantnom području: silicij ne emitira lasersku svjetlost prirodno, pa kvantni fotonički čipovi često koriste integrirane nelinearne procese ili izvore kvantnih točaka za stvaranje pojedinačnih fotona, ili hibridno integriraju specijalizirane materijale. Prednosti su ipak slične – visoka preciznost i minijaturizacija. Kako izvještaj Ansys-a navodi, kvantna računala koriste fotone za izračune, a upravljanje tim fotonima pomoću integrirane fotonike donosi prednosti u brzini, točnosti i troškovima ansys.com. U praksi, silicijska fotonika može pružiti stabilnost i mogućnost proizvodnje potrebne za skaliranje kvantnih sustava iz laboratorijskih eksperimenata u stvarne strojeve.

Osim računarstva, kvantni fotonički senzori (poput interferometara koji koriste kvantna stanja za dodatnu osjetljivost) i kvantni generatori slučajnih brojeva su druga područja na kojima silicijska fotonika ima utjecaj. Iako je fotoničko kvantno računarstvo još uvijek u razvoju i vjerojatno je nekoliko godina udaljeno od zrelosti, velika ulaganja u ovo područje naglašavaju njegov potencijal. Godine 2022., vodeći istraživač, prof. John Bowers, istaknuo je da silicijska fotonika brzo napreduje s mnogim novim primjenama, uključujući kvantne, na vidiku nature.com. Moguće je da bi prva kvantna računala velikih razmjera zapravo mogla biti optička, izgrađena na silicijskim fotoničkim čipovima – fascinantan puni krug u kojem bi tehnologija izvorno razvijena za telekomunikacije mogla omogućiti sljedeći iskorak u računarstvu.

Trenutni trendovi i razvoj (2025)

Od 2025. godine, silicijska fotonika dobiva ogroman zamah. Brojni trendovi su se spojili kako bi ovu tehnologiju iz laboratorija i nišnih primjena pogurali u glavni tok tehnološke industrije:

Usko grlo podataka i su-pakirane optike: Nezasitna potražnja za podacima (posebno od strane AI i cloud usluga) učinila je električne međuspojeve ozbiljnim uskim grlom. Došli smo do točke gdje, svaki put kada udvostručite propusnost međuspoja, morate prepoloviti duljinu bakrenog kabela kako biste održali integritet signala nextplatform.com – što je neodrživa zamjena. Ova hitnost stavila je u fokus pristupe poput su-pakiranih optika (CPO), gdje se optički motori postavljaju odmah uz ASIC-ove prekidača ili procesorske čipove kako bi se gotovo u potpunosti eliminirala električna udaljenost prijenosa. U 2023. godini, više je tvrtki demonstriralo su-pakirane optike u prekidačima (npr. Broadcomovi prototipovi prekidača od 25,6 Tb/s i 51,2 Tb/s s integriranim laserskim fotoničkim motorima). Industrijske mape puta sugeriraju da bi 51,2 Tb/s Ethernet prekidački čipovi sa su-pakiranim silicijskim fotonikama trebali stići na tržište u sljedećih godinu ili dvije tanaka-preciousmetals.com, a da ćemo oko 2026.–2027. vjerojatno vidjeti prve CPU/GPU-ove koji izravno koriste optički I/O nextplatform.com. Drugim riječima, optička era međuspojeva uskoro će započeti u praktičnim sustavima. Tvrtke poput Intela, Nvidije i Cisca aktivno razvijaju CPO rješenja. Zapravo, Intelov Tomambe projekt i drugi već su demonstrirali fotoničke motore od 1,6 Tb/s integrirane s prekidačkim čipovima tanaka-preciousmetals.com. Opći konsenzus: nakon godina istraživanja, su-pakirane optike prelaze iz prototipa u proizvod, s ciljem smanjenja potrošnje energije po bitu približavanjem izvora svjetlosti izvoru podataka (procjena je 30% uštede energije u odnosu na priključne module laserfocusworld.com).
Val investicija i aktivnosti startupa: Posljednjih nekoliko godina bilježi se velik broj investicija i financiranja u poduzeća iz područja silicijske fotonike. Ovo odražava povjerenje koje industrija ima u budućnost ove tehnologije. Na primjer, krajem 2024. godine Ayar Labs prikupio je 155 milijuna dolara u Series D rundi (čime je postigao “jednorog” status s procjenom vrijednosti većom od 1 milijarde dolara) kako bi povećao opseg svojih optičkih I/O rješenja; značajno je da su u ovoj rundi sudjelovali i strateški investitori poput Nvidia, AMD i Intel nextplatform.com. Slično tome, startup za fotoničko računalstvo Lightmatter osigurao je 400 milijuna dolara financiranja u 2024. za razvoj svoje optičke AI akceleratorske platforme nextplatform.com. Još jedan startup, Celestial AI, koji se fokusira na optičke međuspojeve za AI, ne samo da je prikupio 175 milijuna dolara početkom 2024., već je i kupio portfelj intelektualnog vlasništva iz silicijske fotonike tvrtke Rockley Photonics (nekadašnje tvrtke usmjerene na senzorsku fotoniku) za 20 milijuna dolara u listopadu 2024. datacenterdynamics.com. Ova akvizicija donijela je Celestial AI više od 200 patenata iz silicijske fotonike i signalizira određenu konsolidaciju u industriji – manji igrači s vrijednom fotoničkom tehnologijom (Rockley je razvio napredne modulatore i integriranu optiku za nosive uređaje) postaju dio tvrtki koje ciljaju tržišta podatkovnih centara i umjetne inteligencije. Također smo vidjeli da su HyperLight i Lightium, dva startupa specijalizirana za tanko-slojne litij-niobat fotoničke čipove, privukli ukupno 44 milijuna dolara investicija u 2023. optics.org, što naglašava interes za nove materijale za poboljšanje silicijske fotonike (TFLN modulatori mogu ponuditi veće brzine i niske gubitke). Općenito, VC financiranje i korporativna podrška za tvrtke iz područja silicijske fotonike na najvišoj su razini dosad, što odražava spoznaju da je optička tehnologija ključna za buduće poluvodiče.
Sazrijevanje tehnologije i rast ekosustava: Još jedan trend je sazrijevanje ekosustava silicijske fotonike. Sve više tvornica i dobavljača sada sudjeluje u industriji. U prošlosti su samo neki igrači (poput Intela ili Luxtere) imali mogućnosti od početka do kraja. Sada velike poluvodičke tvornice poput GlobalFoundries, TSMC-a, pa čak i STMicroelectronics nude proizvodne linije za silicijsku fotoniku ili standardizirane fotoničke PDK-ove (Process Design Kits) za korisnike ansys.com. Ova standardizacija znači da startupovi ili manje tvrtke mogu dizajnirati fotoničke sklopove i dati ih proizvesti bez izgradnje vlastite tvornice – slično kao što posluju tvrtke za elektroničke čipove bez vlastite proizvodnje. Redovito se organiziraju višestruki projekti na jednom waferu (MPW) za fotoničke čipove, gdje više dizajna dijeli jednu proizvodnu seriju, što drastično smanjuje troškove prototipiranja. Industrijske grupe rade na standardiziranim rješenjima za pakiranje (optička I/O sučelja, metode pričvršćivanja vlakana) kako bi se fotonički čipovi lakše integrirali u proizvode. Osnivanje Američkog instituta za proizvodnju integrirane fotonike (AIM Photonics) bio je veliki poticaj: ovaj javno-privatni konzorcij uspostavio je tvornicu i liniju za pakiranje silicijske fotonike u New Yorku i nedavno je dobio 321 milijun dolara za sedmogodišnji program (do 2028.) za unapređenje proizvodnje integrirane fotonike u SAD-u nsf.gov. Slično tome, u Europi, istraživački instituti poput IMEC u Belgiji i CEA-Leti u Francuskoj nude platforme za silicijsku fotoniku i potaknuli su klaster startupa u fotonici. U Kini, silicijska fotonika također dobiva na zamahu, a tvrtke poput InnoLighta i Huaweija ulažu u domaće kapacitete za fotoničke čipove optics.org optics.org. Svi ovi razvojni događaji pokazuju da silicijska fotonika više nije eksperimentalna tehnologija – postaje standardni dio poluvodičkog alata.
Veće brzine i novi materijali: Tehnološki, svjedočimo brzom napretku u povećanju performansi silicijskih fotoničkih uređaja. 800G optički transceiversi su sada u fazi uzorkovanja, 1,6 Tb/s moduli su demonstrirani optics.org, a očekuje se da će 3,2 Tb/s pluggable moduli biti dostupni do 2026. godine optics.org. Kako bi se postigle ove brzine, inženjeri koriste sve od 16-kanalnog multipleksiranja valnih duljina do naprednih modulacijskih formata – u suštini koristeći optičku domenu za pakiranje više bitova. Na razini uređaja, novi materijali se integriraju u silicijsku fotoniku kako bi se prevladala ograničenja silicija. Glavni primjer je tanki film litijevog niobata (TFLN) na siliciju, koji omogućuje vrlo brze modulatore s Pockelsovim efektom i niskim gubicima. Ovo bi moglo omogućiti modulatore koji podržavaju propusnosti modulacije veće od 100 GHz, pogodne za buduće 1,6T i 3,2T veze ili čak za kvantne primjene optics.org. Startupi poput HyperLighta komercijaliziraju ove hibridne LiNbO3/Si čipove. Ostali materijali u fazi istraživanja i razvoja uključuju barijev titanat (BTO) elektro-optičke modulatore i materijale dopirane rijetkim zemljama za laserske/pojačavačke izvore na čipu optics.org. Također se nastavlja rad na integraciji III-V poluvodiča (InP, GaAs) na silicij za bolje lasere i optičke pojačavače – primjerice, kvantno-točkasti laseri izravno uzgojeni na siliciju postigli su veliki napredak, rješavajući probleme pouzdanosti koji su mučili ranije pokušaje nature.com nature.com. Ukratko, paleta materijala za silicijsku fotoniku se širi, što će donijeti bolje performanse i nove funkcionalnosti. Čak vidimo i mikročešljeve temeljene na silicijskoj fotonici (izvori optičkih frekvencijskih češljeva) koji se koriste za primjene poput ultrabrzog prijenosa podataka i precizne spektroskopije, što bi prije deset godina zvučalo nevjerojatno.
Nova primjena i proizvodi: Uz osnovne primjene, u 2025. pojavljuju se i neki novi slučajevi upotrebe. Jedan od njih je optičko računalstvo za AI (o kojem je ranije bilo riječi), koje prelazi iz istraživačkih demonstracija u rane proizvode – primjerice, Lightelligence je predstavio fotonički hardver za ubrzavanje AI inferencije. Drugi primjer su optičke veze između čipova u naprednom pakiranju: kako tvrtke istražuju multichip module i čiplete, optičke veze mogu povezivati te čiplete velikom brzinom unutar paketa ili preko interposera. Standardi poput UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express) čak razmatraju i optička PHY proširenja. Također vidimo i interes vlade: DARPA i druge agencije imaju programe za korištenje fotoničkih međuspojeva u obrambenim sustavima (za vrhunske obrade i usmjeravanje RF signala). U potrošačkom segmentu, nagađa se da bi za nekoliko godina optički I/O mogao biti prisutan u potrošačkim uređajima – primjerice, AR/VR headset koji koristi silicijski fotonički čip za veze senzora velikog kapaciteta, ili optički Thunderbolt kabel za AR naočale. Iako toga još nema, te su ideje već na crtaćoj ploči.

U sažetku, 2025. nalazi silicijsku fotoniku na prekretnici: značajni komercijalni proizvodi izlaze na tržište (posebno u mrežama), ulažu se velika sredstva, a ekosustav sazrijeva. Sve je jasnije da će optika imati temeljnu ulogu u računalstvu i povezivanju u budućnosti. Kako je jedan komentator iz industrije rekao, u drugoj polovici ovog desetljeća mnogi očekuju da će optički I/O prijeći iz pilot-linija u masovnu proizvodnju – “generacija računskih strojeva iz 2025. možda neće imati silicijsku fotoniku, ali generacija 2026. bi mogla, a generacija 2027. gotovo sigurno hoće”, jer na kraju nemamo izbora – “vrijeme bakra je isteklo.” nextplatform.com

Izazovi i ograničenja

Unatoč svom uzbuđenju, silicijska fotonika suočava se s brojnim izazovima i ograničenjima koje istraživači i inženjeri aktivno pokušavaju prevladati. To je transformativna tehnologija, ali nije čarobno rješenje – barem ne još. Ovo su ključne prepreke:

Integracija izvora svjetlosti: Možda najpoznatije ograničenje je to što silicij nije dobar u generiranju svjetlosti. Silicij ima indirektni pojasni procjep, što znači da ne može djelovati kao laser ili učinkovita LED. Kako to izravno kaže pionir fotonike John Bowers, “Silicij je nevjerojatno loš kao izvor svjetlosti.” nature.com Njegova interna učinkovitost je gotovo nula – otprilike jedan od milijun elektrona u siliciju proizvest će foton – dok III-V poluvodiči poput indijevog fosfida ili galijevog arsenida mogu emitirati svjetlost s gotovo 100% učinkovitošću nature.com. To znači da, kako bi se na silicijskoj fotoničkoj čipki imali laseri, obično morate uvesti druge materijale. To se može postići hibridnom integracijom (spajanje komada InP pločice s laserskim diodama na silicijsku pločicu) ili novijim tehnikama poput izravnog uzgoja nanostrukturiranih III-V lasera na siliciju. Napredak na ovom području je obećavajući: tvrtke i laboratoriji (Intel, UCSB itd.) demonstrirali su hibridno integrirane lasere u velikim količinama, a nedavno čak i kvantno-točkaste lasere uzgojene na 300 mm silicijskim pločicama s dobrom pouzdanošću nature.com nature.com. Ipak, integracija lasera dodaje složenost i trošak. Ako je laser izvan čipa (u zasebnom laserskom modulu spojenom putem vlakna), tada se suočavate s izazovom učinkovitog spajanja te svjetlosti u sićušne valovode na čipu. Ukratko, dovođenje svjetlosti na čip nije trivijalan zadatak. Industrija istražuje rješenja poput heterogene integracije (više materijala na jednom čipu) i čak nove pristupe poput električno pobuđenih germanij-silicij lasera ili Ramanovih lasera na siliciju, ali to su još uvijek nove tehnologije. Od 2025. većina silicijskih fotoničkih sustava koristi ili hibridne lasere ili vanjske lasere spojene izvana. Ovo je jedno od ključnih područja daljnjih istraživanja.
Proizvodnja i prinos: Silicijske fotoničke sklopove moguće je proizvoditi u postojećim tvornicama, ali oni imaju drugačije zahtjeve od elektroničkih čipova. Na primjer, optika zahtijeva vrlo preciznu kontrolu dimenzija – varijacije od samo nekoliko nanometara u širini ili razmaku valovoda mogu promijeniti valnu duljinu rezonatora ili fazu svjetlosti. Postizanje visokog prinosa (tj. dosljednih performansi na mnogo čipova) je izazovno. Osim toga, integracija više vrsta materijala (silicij, silicijev nitrid, III-V spojevi, metali) u jednom proizvodnom procesu može unijeti dodatnu složenost. Spajanje vlakana na čip također je izazov za prinos i proizvodnju; poravnanje sićušnih optičkih vlakana s valovodima u mikronskim razmjerima trenutno često zahtijeva skupo aktivno poravnanje. Neki od tih koraka u proizvodnji još su uvijek poluručni, što nije dobro za skaliranje. Mnogo se radi na poboljšanju tehnika pakiranja, poput korištenja standardiziranih jedinica za pričvršćivanje vlakana ili ugradnje rešetkastih spojnica koje omogućuju lakše spajanje svjetlosti iz vlakana iznad čipa. Pakiranje kombiniranih elektroničkih + fotoničkih čipova također je zahtjevno – na primjer, ako imate fotonički čip i elektronički ASIC u istom pakiranju, potrebno ih je poravnati i upravljati toplinom (jer zagrijavanje elektronike može ometati fotoniku). Ansys napominje da, ako elektronika i fotonika dijele čip, pristup proizvodnji mora uravnotežiti potrebe svakog od njih, a ako su na odvojenim čipovima, potrebno je napredno pakiranje – “stvaranje topline u elektronici može utjecati na fotoniku.” ansys.com Termalno ugađanje je još jedan problem: mnogi silicijski fotonički filtri i modulatori oslanjaju se na toplinske učinke, pa promjene temperature mogu razdesiti sklopove, što zahtijeva dodatnu energiju za stabilizaciju. Sve to komplicira proizvodnju i povećava troškove.
Trošak i obujam: Govoreći o trošku – dok silicijska fotonika obećava nisku cijenu iskorištavanjem visokovolumenskih silicijskih tvornica, današnja stvarnost je da su ti uređaji još uvijek relativno nišni i skupi. Industrija isporučuje milijune jedinica (kao transceivere u podatkovnim centrima), ali da bi se troškovi zaista smanjili, vjerojatno je potrebno isporučivati milijarde jedinica godišnje ansys.com. Drugim riječima, još nije dosegnuta razina masovne elektronike. Uređaji često također zahtijevaju specijalizirano pakiranje (kao što je spomenuto) i testiranje, što povećava trošak. Trenutni silicijski fotonički transceiver za podatkovne centre može koštati stotine ili tisuće dolara, što je prihvatljivo za to tržište, ali je previsoko za potrošačka tržišta. Ekonomika je pomalo neizvjesna na vrlo velikoj skali – kako je jedan izvještaj istaknuo, veliki cloud kupci brinu o pouzdanosti i strukturi troškova ako bi široko usvojili silicijsku fotoniku, budući da tehnologija još nije dosegnula proizvodnu krivulju učenja kao mainstream silicij nextplatform.com. Ipak, troškovi se stalno poboljšavaju, a napori poput standardiziranih PDK-ova u tvornicama i automatizacije pomažu. Tijekom sljedećih nekoliko godina, kako se volumen poveća (potaknut AI-jem i podatkovnim centrima), trebali bismo vidjeti pad troškova, što će zauzvrat otvoriti više tržišta (to je začarani krug kad jednom krene). Ipak, u 2025. trošak po uređaju može biti ograničavajući faktor za usvajanje silicijske fotonike u cjenovno osjetljivim primjenama.
Potrošnja energije i učinkovitost: Iako silicijska fotonika može smanjiti potrošnju energije za prijenos podataka pri vrlo velikim brzinama, sami uređaji i dalje troše energiju – npr. modulatori često koriste termalno podešavanje ili PN spojeve koji troše struju, a laseri naravno troše energiju. Postoji dodatni trošak pretvaranja elektroničkih signala u optičke i natrag. Da bi se zaista uštedjela energija na razini sustava, ti dodatni troškovi moraju biti manji od uštede koja se dobiva izbacivanjem dugih električnih veza. Današnji silicijski fotonički transceiveri su prilično energetski učinkoviti (reda veličine nekoliko pikodžula po bitu za optičku konverziju), ali postoji težnja da se to još više smanji, posebno ako se optički I/O koristi na čipu ili u memorijskim sabirnicama gdje učinkovitost mora biti vrlo visoka. Jedan obećavajući pristup je korištenje elektro-optičkih materijala (poput LiNbO3 ili BTO) koji mogu modulirati svjetlost s vrlo niskim naponom (i time manjom potrošnjom energije) umjesto termalnog podešavanja. Također, integracija učinkovitijih izvora svjetlosti (poput kvantno-točkastih lasera) mogla bi smanjiti rasipanje energije lasera (trenutni distributed feedback laseri često rasipaju puno energije kao toplinu). Dakle, iako silicijska fotonika rješava problem potrošnje energije za međusobno povezivanje na makro razini, na mikro razini inženjeri još uvijek optimiziraju potrošnju energije uređaj-po-uređaj. Dobra vijest: čak i s trenutnom tehnologijom, optika u zajedničkom pakiranju može smanjiti ukupnu potrošnju energije za međusobno povezivanje za ~30% u odnosu na tradicionalne priključne module laserfocusworld.com, a buduća poboljšanja će vjerojatno povećati te dobitke.
Dizajn i alati za dizajn: Ovo je manje očit izazov, ali važan: dizajniranje fotoničkih sklopova je nova vještina, a EDA (Electronic Design Automation) alati za fotoniku nisu toliko razvijeni kao oni za elektroniku. Simulacija optičkih sklopova, posebno velikih s mnogo komponenti, može biti složena. Varijabilnost u izradi mora se uzeti u obzir pri dizajnu (možda će biti potrebni termalni tuneri za ispravljanje malih pogrešaka). Potrebni su bolji alati za dizajn koji mogu istovremeno optimizirati elektroničke i fotoničke dijelove sklopova, što se često naziva EPDA (Electronic Photonic Design Automation). Ekosustav sustiže – tvrtke poput Synopsys, Cadence i Lumerical (Ansys) imaju alate za fotonički dizajn – ali to je još uvijek područje u razvoju. Povezano pitanje je nedostatak standarda u nekim područjima: iako mnoge ljevaonice nude PDK-ove, svaka može imati različite biblioteke komponenti i parametre. To može učiniti dizajne manje prenosivima nego elektroničke dizajne. Industrija ide prema zajedničkim standardima (na primjer, format za razmjenu izgleda za fotoničke sklopove ili standardizirani modeli komponenti), ali potrebno je još rada kako bi se pojednostavio proces dizajna. Izgradnja snažnog kadrovskog lanca također je ključna: potrebni su inženjeri koji razumiju i RF/mikrovalni analogni dizajn i optičku fiziku, a njih je malo (iako mnogi fakulteti sada obrazuju diplomante u ovoj interdisciplinarnoj oblasti).
Ograničenja performansi: Iako silicijska fotonika dramatično poboljšava određene metrike, ima i svoja fizička ograničenja. Optički gubici u valovodima, iako niski (~dB/cm), akumuliraju se u velikim sklopovima, a oštri zavoji ili male značajke mogu povećati gubitke. Također treba minimizirati gubitke pri spajanju vlakna i čipa. Toplinska osjetljivost silicija (indeks loma se mijenja s temperaturom) znači da mnogi silicijski fotonički sklopovi trebaju stabilizaciju ili kalibraciju. Ograničenja propusnosti mogu se pojaviti u modulatorima ili detektorima – primjerice, silicijski prstenasti modulatori imaju ograničenu propusnost i mogu biti osjetljivi na temperaturu, dok Mach-Zehnder modulatori zahtijevaju pažljivo projektiranje za postizanje vrlo velike brzine bez izobličenja. Kromatska disperzija u valovodima može ograničiti vrlo široke valne duljine primjene (iako to obično nije problem na kratkim udaljenostima na čipu). Još jedna suptilna točka: elektroničko-fotonička integracija često zahtijeva suzdizajn elektronike (poput pojačala za upravljanje, TIA za detektore) s fotonikom. Sučelje između njih može ograničiti ukupne performanse (npr. ako modulator treba određeni napon, potreban je upravljač koji to može brzo isporučiti). Dakle, sistemski inženjering je složen. Nadalje, nisu sve primjene opravdane za fotoniku – za vrlo kratke, niskobrzinske veze, električni prijenos može biti jeftiniji i jednostavniji. Stoga je i samo pitanje gdje primijeniti silicijsku fotoniku za maksimalnu korist važna odluka.

Ukratko, iako nijedan od ovih izazova nije nepremostiv, zajedno znače da silicijska fotonika još uvijek ima prostora za razvoj. Mnogi od najbistrijih umova u fotonici i elektronici aktivno rade na rješavanju ovih problema: integriranju boljih lasera, poboljšanju pakiranja, povećanju proizvodnje i proširenju dizajnerskih mogućnosti. Napredak čak i u posljednjih nekoliko godina je ohrabrujući. Kao što je prof. Bowers napomenuo, izazovi poput integracije III-V lasera u CMOS, poboljšanja prinosa i spajanja s optičkim vlaknima te smanjenja troškova, svi se rješavaju uz “vrlo brz napredak.” nature.com Svaka godina donosi poboljšanja, a jaz između laboratorijskog prototipa i masovne proizvodnje postaje sve manji. Vrijedi se prisjetiti da su elektronički IC-ovi imali desetljeća intenzivnog razvoja da bi dosegli današnju razinu – silicijska fotonika, u usporedbi, još je u ranoj fazi svog puta, ali brzo sustiže.

Vodeće tvrtke i institucije u ovom području

Silicijska fotonika postala je globalni pothvat, s mnogim tvrtkama (od startupa do tehnoloških divova) i istraživačkim institucijama koje pokreću ovo područje naprijed. Prema tržišnim istraživanjima, vodeći sudionici na tržištu silicijske fotonike (od 2025.) uključuju industrijske gigante poput Cisco, Intel i IBM, uz specijaliste kao što su NeoPhotonics (Lumentum), Hamamatsu Photonics i STMicroelectronics expertmarketresearch.com. Ovdje je pregled nekih ključnih sudionika:

Intel Corporation (SAD): Pionir u silicijskoj fotonici, Intel je rano i značajno ulagao u ovu tehnologiju. Predstavio je jedan od prvih 100G silicijskih fotoničkih transceivera 2016. godine i od tada isporučio milijune uređaja optics.org. Intel koristi silicijsku fotoniku u brzim optičkim transceiverima i gura je prema budućim server CPU-ovima i edge aplikacijama. Vizija tvrtke je “omogućiti budući rast propusnosti podatkovnih centara” pomoću fotonike, skalirajući s 100G na 400G i više, te integrirati optiku s procesorima za primjene poput 5G i autonomnih vozila expertmarketresearch.com, tanaka-preciousmetals.com. Intelov odjel za silicijsku fotoniku nedavno je sklopio partnerstvo s Jabilom za proizvodnju, što ukazuje na sazrijevanje prema proizvodnji velikih količina optics.org. Intel također istražuje optiku u zajedničkom pakiranju za preklopnike i ima udjele u brojnim fotoničkim startupovima (poput Ayar Labs).
Cisco Systems (SAD): Cisco, div u mrežnim tehnologijama, ušao je u silicijsku fotoniku putem akvizicija (npr. preuzimanje Luxtere 2019.) i sada je vodeći dobavljač silicijskih fotoničkih optičkih transceivera za podatkovne centre i telekomunikacije. Cisco koristi svoju fotoničku tehnologiju u proizvodima od 100G/400G priključnih modula do budućih optičkih preklopnika u zajedničkom pakiranju. Cisco rješenja imaju koristi od vlastitog dizajna fotoničkih IC-a koji postižu visoku gustoću i energetsku učinkovitost. Iskorištavanjem silicijske fotonike, Cisco korisnicima pruža brze međusobne veze s manjim form faktorima. U 2025. Cisco je jedan od tržišnih lidera u isporuci silicijske fotonike u velikim količinama expertmarketresearch.com.
IBM Corporation (SAD): IBM ima dugu povijest istraživanja optičkih međuveza. Njegov tim za silicijsku fotoniku, s više od desetljeća istraživanja i razvoja, razvio je tehnologiju brzih optičkih veza namijenjenih međuvezama na razini ploče i procesora expertmarketresearch.com. IBM-ova istraživanja dovela su do napretka u silicijskim mikroring modulatorima, multipleksiranju valnih duljina i pakiranju. Iako IBM ne prodaje transceivere poput Intela ili Cisca, često surađuje na prototipovima (na primjer, IBM i Mellanox su 2015. prikazali optičku međuvezu za servere). IBM-ov naglasak je na korištenju fotonike za rješavanje računalnih uskih grla (npr. POWER10 procesor koristi fotoničke veze za izvančipovnu signalizaciju putem partnerstava). IBM također doprinosi standardima i otvorenim istraživanjima; njegov rad često se pojavljuje na konferencijama poput OFC i CLEO.
NeoPhotonics/Lumentum (SAD): NeoPhotonics (sada dio Lumentuma od 2022.) specijalizira se za lasere i fotoničke komponente za telekomunikacije i podatkovne centre. Razvili su ultra-čiste podesive lasere i visokobrzinske modulatore. Posebno je značajno što je NeoPhotonics predstavio koherentne optičke podsastave (COSA) na bazi silicija za komunikaciju od 400G po valnoj duljini, te su istraživali 800G i više expertmarketresearch.com. Kao dio Lumentuma (velikog igrača u optičkoj industriji), ovo znanje doprinosi razvoju sljedeće generacije koherentnih transceivera i pluggable modula za telekomunikacije. Lumentumovo vlasništvo znači da se ovi proizvodi iz silicijske fotonike mogu integrirati s postojećim Lumentumovim portfeljem fotonike (npr. njihovi indij-fosfidni modulatori i pojačala).
Hamamatsu Photonics (Japan): Vodeći proizvođač optoelektroničkih komponenti, Hamamatsu proizvodi širok raspon fotoničkih uređaja (fotodioda, fotomultiplikatora, slikovnih senzora itd.). Hamamatsu je prihvatio silicijske procese za proizvodnju, primjerice, silicijskih fotodiodnih nizova i optičkih senzora na bazi silicija expertmarketresearch.com. Iako nisu toliko usmjereni na visokobrzinske transceivere, Hamamatsuov rad na silicijskoj fotonici ključan je za senzore i znanstvene instrumente. Oni nude silicijske PIN fotodiode, APD-ove i čipove optičkih senzora koji su temeljni za prijemnike optičke komunikacije i LiDAR detektore. Njihova stručnost u fotonici s niskom razinom šuma i visokom osjetljivošću nadopunjuje digitalnu komunikacijsku stranu silicijske fotonike.
STMicroelectronics (Švicarska/Europa): STMicro je veliki proizvođač poluvodiča koji je razvio vlastite kapacitete za silicijsku fotoniku. Fokus STMicroa je na integriranim rješenjima za slikanje i senzore – primjerice, proizveli su silicijske fotoničke čipove za vlaknasto-optičke žiroskope i radili na istraživanju i razvoju optičkih međuspojeva u europskim konzorcijima. Napredne tvornice i MEMS sposobnosti STMicroa dobro ga pozicioniraju za silicijsku fotoniku koja zahtijeva integraciju s drugim senzorima ili elektronikom expertmarketresearch.com. Zemlje poput Francuske i Italije (gdje ST ima velike pogone) podupiru fotoniku kroz razne inicijative, a ST je često partner u njima. Također se nagađa da isporučuju neke silicijske fotoničke komponente za industrijske i automobilske sustave.
GlobalFoundries (SAD) i TSMC (Tajvan): Ovi proizvođači čipova po narudžbi svaki su uspostavili ponudu iz područja silicijske fotonike. GlobalFoundries ima poznati 45 nm proces silicijske fotonike (GF 45CLO) i surađivao je sa startupima poput Ayar Labs na izradi optičkih I/O čipova. TSMC je bio diskretniji, ali navodno surađuje s velikim tehnološkim tvrtkama na izradi fotoničkih integriranih čipova (na primjer, neki Appleovi izvori sugeriraju TSMC-ovu uključenost u fotoničke senzore). Obje su tvrtke ključne za povećanje proizvodnje – uključivanje velikih tvornica znači da svaka fabless tvrtka može lakše dobiti prototipove i serijsku proizvodnju fotoničkih čipova. Zapravo, uključivanje ovakvih tvornica snažan je pokazatelj da silicijska fotonika postaje mainstream.
Infinera (SAD) i Coherent/II-VI (SAD): Infinera je proizvođač telekomunikacijske opreme koji je rano zagovarao fotoničke integrirane sklopove (i to na indijevom fosfidu). Od tada su se prilagodili i koriste silicijsku fotoniku u nekim proizvodima ili za zajedničko pakiranje sa svojim InP PIC-ovima. Coherent (koji je preuzeo Finisar i kasnije preuzeo ime Coherent) duboko je uključen u optičke komponente; imaju vlastite InP tvornice, ali također razvijaju silicijske fotoničke transceivere za podatkovne centre optics.org. Ove tvrtke donose telekomunikacijski fokus na pouzdanost i performanse, potičući silicijsku fotoniku da zadovolji zahtjeve operatera (npr. 400ZR moduli za koherentne veze na udaljenost).
Ayar Labs, Lightmatter i startupovi: Val inovativnih startupa gura silicijsku fotoniku u nova područja. Već smo spomenuli Ayar Labs (optički I/O za AI/HPC) i Lightmatter (optičko računalstvo). Ostali uključuju Lightelligence (još jedan startup za optičke AI čipove), Luminous Computing (integracija fotonike i elektronike za AI), Celestial AI (optičko umrežavanje za računalne klastere), OpenLight (zajedničko ulaganje koje nudi otvorenu fotoničku platformu s integriranim laserima) i Rockley Photonics (fokusiran na zdravstvene senzore, sada uglavnom u vlasništvu Celestial-a). Ovi startupovi su poznati po svojim ambicioznim pristupima – npr. Lightmatterov 3D-integrirani fotonički tenzorski jezgra ili Luminousov pokušaj izgradnje cjelovitog fotoničkog računala. Često surađuju s velikim tvrtkama (na primjer, HPE je surađivao s Ayar Labs kako bi koristio optičke međuspojeve u superračunalnoj međuspojnoj mreži nextplatform.com). Startup scena je živahna, a njihova prisutnost natjerala je postojeće tvrtke da ubrzaju. Jedan industrijski promatrač je primijetio da uz Ayar, tvrtke poput Lightmatter i Celestial AI “sve imaju priliku ostvariti određeni prodor dok silicijska fotonika povezuje računalne motore i međuspojeve.” nextplatform.com
Akademske i istraživačke institucije: Na institucionalnoj strani, vodeća sveučilišta i nacionalni laboratoriji ključni su za napredak silicijske fotonike. Sveučilište Kalifornije, Santa Barbara (UCSB) pod vodstvom prof. Johna Bowersa je vodeća institucija, pionir hibridnih silicijskih lasera i kvantno-točkastih lasera na siliciju. MIT, Stanford, Columbia (s grupom prof. Michal Lipson) i Caltech su druge američke žarišne točke istraživanja silicijske fotonike, radeći na svemu, od nove fizike modulatora do arhitektura fotoničkog računalstva. U Europi, IMEC u Belgiji vodi istaknuti program silicijske fotonike i uslugu višestrukih projekata na pločicama (iSiPP), a Sveučilište Southampton, TU Eindhoven, EPFL i drugi imaju snažne grupe. Institut AIM Photonics u SAD-u (spomenut gore) okuplja mnoga od ovih sveučilišta i tvrtki radi suradnje i pruža nacionalne mogućnosti proizvodnje. Vladini laboratoriji poput MIT Lincoln Lab i IMEC čak su demonstrirali sofisticiranu integriranu fotoniku za obranu (npr. optički fazni nizovi za LiDAR). Štoviše, međunarodne suradnje i konferencije (poput Optical Fiber Conference, ISSCC, IEEE Photonics Society sastanaka) omogućuju ovim institucijama dijeljenje otkrića. Područje ima koristi od zdravog povezivanja akademije i industrije: mnogi osnivači startupa i industrijski lideri školovani su u ovim istraživačkim laboratorijima, a kontinuirana akademska istraživanja nastavljaju pomicati granice (na primjer, nova integracija materijala ili kvantna fotonika, kako je spomenuto).

Svi ovi akteri – velike tehnološke tvrtke, specijalizirani proizvođači komponenti, ambiciozni startupi i vrhunski istraživački laboratoriji – čine bogat ekosustav koji zajednički pokreće silicijsku fotoniku naprijed. Natjecanje i suradnja među njima ubrzavaju inovacije. Zanimljivo, čak i geopolitika igra ulogu: postoji svijest o utrci između SAD-a, Europe i Kine o tome tko će voditi u fotoničkim tehnologijama csis.org, s obzirom na njezinu stratešku važnost za komunikacije i računalstvo. To je dovelo do povećanih javnih ulaganja (npr. EU PhotonHub i kineske nacionalne fotoničke inicijative). Za opće tehnološke entuzijaste, zaključak je da mnogo pametnih ljudi i ozbiljnih resursa diljem svijeta ulaže u to da naši budući čipovi komuniciraju svjetlom.

Stručni uvidi i citati

Tijekom uspona silicijske fotonike, stručnjaci iz tog područja nudili su perspektive koje pomažu kontekstualizirati njezin utjecaj. Evo nekoliko značajnih uvida:

O paradigmatskoj promjeni u silicijskoj fotonici: “Često sam opisivao silicijsku fotoniku kao nešto više od inkrementalnog poboljšanja — to je paradigmatska promjena,” kaže René Jonker, izvršni direktor u Soitecu, naglašavajući da, za razliku od bakrenih međuspojeva koji dosežu svoje granice, optičke veze nude održiv način za upravljanje rastućim zahtjevima za podacima. Iako još postoje izazovi u smanjenju troškova i povećanju proizvodnje, prednosti – “veća propusnost, smanjena latencija i manja potrošnja energije” – čine silicijsku fotoniku “nezaobilaznim dijelom naše buduće infrastrukture.” laserfocusworld.com
O potrošnji energije i optici u podatkovnim centrima: Komentar u časopisu Laser Focus World iz 2025. istaknuo je hitnost u podatkovnim centrima: do kraja desetljeća, podatkovni centri mogli bi trošiti 8% električne energije SAD-a ako se trendovi nastave, što je “neodrživo s postojećim električnim međuspojevima.” Autor je zaključio da su “optički međuspojevi, omogućeni silicijskom fotonikom, jedini skalabilni put naprijed.” laserfocusworld.com Drugim riječima, kako bi se izbjegla energetska i propusna kriza, prelazak na optičke veze nije samo opcija – to je nužnost.
O izazovima integracije: Profesor John Bowers (UCSB), istaknuta osoba u fotonici, komentirao je najveći izazov: “Glavni izazov je integracija III–V materijala u silicijski CMOS… Još uvijek postoje problemi s visokim prinosima, visokom pouzdanošću, smanjenjem troškova i spajanjem vlakana. Pakiranje elektronike i fotonike zajedno je izazov… No napredak je vrlo brz.” nature.com Ovo naglašava da, iako je integracija lasera (III–V materijala) i postizanje savršenih prinosa teška, vodeće industrijske tvrtke poput Intela ostvaruju stalan napredak i rješenja su na vidiku.
O emisiji svjetlosti u siliciju: U istom intervjuu, Bowers je slikovito objasnio zašto su za lasere potrebni materijali osim silicija: “Silicij je izuzetno loš kao emiter svjetlosti. Njegova interna kvantna učinkovitost je oko jedan dio na milijun, dok je učinkovitost izravnog pojasa III–V materijala praktički 100%. Znao sam od početka da nam treba poluvodič s izravnim pojasom…” nature.com. Ova iskrena procjena objašnjava zašto je njegov tim rano krenuo u razvoj hibridnih lasera (spajanje InP na Si) – pristup koji se isplatio s Intelovim hibridnim silicijskim laserom 2007. i kasnije.
O dolasku optike do poslužitelja: Intelov viši direktor za fotoniku, Robert Blum, ilustrirao je kako optika polako prodire u podatkovne centre: “Kad danas uđete u podatkovni centar, vidjet ćete 100 Gb/s bakrene kabele… što je u redu za četiri metra. Ali sve izvan regala već koristi optiku. Kako prelazimo na 200 ili 400 Gb/s, [domet] bakra postaje puno kraći i počinjemo viđati ovaj trend gdje optika dolazi sve do poslužitelja.” tanaka-preciousmetals.com Ovaj citat živopisno prikazuje prijelaz koji je u tijeku – optika postepeno zamjenjuje bakar od jezgre mreže prema rubovima.
O rastu tržišta i umjetnoj inteligenciji: “Uspon umjetne inteligencije potaknuo je neviđenu potražnju za visokoučinkovitim prijenosnicima… Silicijska fotonika i PIC-ovi su na čelu ove revolucije,” primjećuje Sam Dale, tehnološki analitičar u IDTechX-u, ističući sposobnost silicijske fotonike da isporuči “brzine od 1,6 Tbps i više.” optics.org Njegovo izvješće predviđa da bi tržište fotoničkih integriranih krugova moglo narasti gotovo deset puta do 2035. godine (na 54 milijarde dolara), uglavnom potaknuto potrebama podatkovnih centara za umjetnu inteligenciju optics.org.
O budućnosti računarstva: Analitičari iz The Next Platform predviđaju da će optički I/O uskoro ući u HPC sustave. Napominju da ćemo do 2026.–2027. vjerojatno vidjeti mainstream CPU/GPU s optičkim sučeljima, jer “u skoroj budućnosti nemamo izbora.” Njihovim slikovitim riječima, “Vrijeme bakra je isteklo.” nextplatform.com Ovo sažima uobičajeni osjećaj u industriji: električne veze neće biti dovoljne za sljedeću eru računarstva, i fotonika mora preuzeti kako bismo izbjegli udaranje u zid.

Ovi uvidi stručnjaka naglašavaju i obećanja i prepreke silicijske fotonike. Postoji dosljedna tema: silicijska fotonika je transformativna – omogućuje potreban skok u performansama – ali dolazi sa ozbiljnim tehnološkim izazovima koji se brzo rješavaju. Stručnjaci ističu mješavinu optimizma (promjena paradigme, neizostavna budućnost) i realizma (problemi integracije, brige oko troškova i skaliranja). Njihova gledišta pomažu široj publici shvatiti zašto su toliko tvrtki i istraživača uzbuđeni zbog silicijske fotonike, ali i zašto je trebalo nekoliko desetljeća da ova tehnologija zaživi. Čuti to iz perspektive onih na prvoj liniji – bilo da je riječ o iskusnom istraživaču ili voditelju proizvoda – daje kontekst da je ovo područje gdje se fizika, inženjering i tržišne sile isprepliću na fascinantne načine.

Nedavne vijesti i prekretnice

Područje silicijske fotonike vrlo je dinamično. Evo nekoliko nedavnih vijesti i prekretnica (iz protekle godine ili nešto više) koje ilustriraju brz napredak ovog područja:

Celestial AI preuzima Rockley Photonics IP (listopad 2024): Celestial AI, startup koji razvija Photonic Fabric™ optičke međuspojeve za AI, objavio je da je preuzeo portfelj patenata iz područja silicijske fotonike tvrtke Rockley Photonics za 20 milijuna dolara datacenterdynamics.com. Rockley je razvio napredne silicijske fotoničke senzore i preusmjerio se na nosive uređaje za zdravlje prije nego što je zapao u stečaj. Ovim ugovorom Celestial AI je dobio više od 200 patenata, uključujući tehnologiju za elektro-optičke modulatore i optičko preklapanje korisno u primjenama podatkovnih centara datacenterdynamics.com. Ovo je značajna konsolidacija, što pokazuje koliko je fotonički intelektualni kapital postao vrijedan u AI/podatkovnom centru. Rockleyjeve inovacije (poput širokopojasnih lasera za detekciju) možda će pronaći novi život integrirane u Celestialova rješenja za optičke međuspojeve.
Velika ulaganja u startupe – Ayar Labs & Lightmatter (kraj 2024.): Dva američka startupa ostvarila su velika ulaganja. Ayar Labs zatvorio je rundu financiranja Serije D od 155 milijuna dolara u prosincu 2024., uz sudjelovanje lidera poluvodičke industrije (Nvidia, Intel, AMD su sudjelovali uz VC fondove) nextplatform.com. Ova runda podigla je Ayarovu valuaciju iznad milijardu dolara, što pokazuje povjerenje u njihovu in-package optičku I/O tehnologiju koja ima za cilj zamijeniti električni I/O u budućim procesorima. Samo nekoliko tjedana ranije, Lightmatter prikupio je 400 milijuna dolara u Seriji D (listopad 2024.), udvostručivši ukupna ulaganja i dosegnuvši valuaciju od 4,4 milijarde dolara nextplatform.com. Lightmatter razvija fotoničke računalne čipove i tehnologiju optičkog interposera za ubrzanje AI-ja. Ovakva velika ulaganja su značajna – pokazuju da investitori (i strateški partneri) vjeruju da ovi startupi mogu riješiti ključne probleme u AI-ju i računarstvu pomoću optičke tehnologije. To također znači da možemo očekivati da će ove tvrtke prijeći s prototipova na proizvode; Lightmatter već implementira testne sustave, a Ayarovi optički čipleti planirani su za pilot upotrebu u HPC sustavima.
Intel prepušta proizvodnju prijenosnika Jabilu (kraj 2023.): U zanimljivom zaokretu, Intel je krajem 2023. odlučio prenijeti svoj posao s visokim obujmom silikonskih fotoničkih prijenosnika na Jabil, proizvodnog partnera optics.org. Intel je isporučio više od 8 milijuna čipova fotoničkih prijenosnika od 2016. godine optics.org – oni se koriste za 100G/200G povezivost u podatkovnim centrima. Predajom proizvodnje Jabilu (ugovornom proizvođaču), Intel je signalizirao strateški zaokret: fokusirat će se na integraciju fotonike sa svojim osnovnim platformama (poput su-pakiranih optika i fotonike na procesoru), dok će partneru prepustiti tržište komoditiziranih prijenosnika. Ovaj potez također odražava sazrijevanje industrije – ono što je prije nekoliko godina bila vrhunska tehnologija (100G pluggables) sada je dovoljno rutinsko za vanjsku proizvodnju. Jabil, sa svoje strane, razvija optičku proizvodnju, što bi potencijalno moglo služiti i drugim kupcima. Suradnja između Intela i Jabila istaknuta je kao ključni razvoj u industriji od strane analitičara optics.org, koji su to naveli kao dio evolucije ekosustava.
InnoLight predstavlja 1,6 Tb/s modul (kraj 2023.): U utrci za veće brzine, InnoLight, kineska tvrtka za optičke prijenosnike, objavila je da je postigla 1,6 terabita u sekundi prototip optičkog prijenosnika optics.org. Ovo vjerojatno uključuje više valnih duljina (npr. 16×100G ili 8×200G kanala) na silikonskoj fotoničkoj platformi. Dosezanje 1,6 Tb/s u jednom modulu godinu dana prije nekih konkurenata pokazuje rastuću kinesku snagu u silikonskoj fotonici. InnoLightov modul mogao bi se koristiti za uplinkove top-of-rack preklopnika ili za povezivanje AI sustava. Također je nagovještaj da 3,2 Tb/s moduli (koji bi, primjerice, koristili 8 valnih duljina po 400G) nisu daleko – zapravo, IDTechX predviđa 3,2 Tb/s module do 2026. godine optics.org. Ovo je bio rekord koji je privukao pažnju i naglašava intenzivnu globalnu konkurenciju; Coherent (SAD) i drugi također rade na 1.6T i 3.2T dizajnima optics.org.
Napredak PsiQuantumove fotonske kvantne čip tehnologije (2024): Na kvantnom polju, PsiQuantum (koja je tajnovita, ali je poznato da surađuje s GlobalFoundries) objavila je studiju koja opisuje put prema fotonskom kvantnom računalu otpornom na gubitke, te najavila čip nazvan “Omega” za svoju fotonsku kvantnu arhitekturu thequantuminsider.com. Iako još nije komercijalni proizvod, ovo pokazuje da hardver za fotonsko kvantno računalstvo napreduje – sa silicijskom fotonikom u svojoj srži. PsiQuantumov pristup zahtijeva integraciju tisuća izvora i detektora pojedinačnih fotona. Vijest ovdje je potvrda mogućnosti proizvodnje: članak u časopisu Nature iz 2022. pokazao je ključne komponente (izvore, filtre, detektore) na jednom silicijskom fotonskom čipu koji se može skalirati nature.com. To sugerira da su na putu prema prekretnici sredinom 2020-ih do ranih 2030-ih za prototip optičkog kvantnog računala s milijun kubita (njihov dugoročni cilj). Takav razvoj, iako nišan, pomno se prati jer bi mogao redefinirati vrhunsko računalstvo.
Startupi za litijev niobat fotoniku financirani (2023): Kao što je spomenuto, dva startupa koja se fokusiraju na integraciju LiNbO₃ sa silicijskom fotonikom, HyperLight (SAD) i Lightium (Švicarska), prikupili su ukupno 44 milijuna dolara u 2023. godini optics.org. Vijest o financiranju bila je značajna jer ističe trend: dodavanje novih materijala silicijskoj fotonici radi probijanja performansnih barijera. Ove tvrtke ističu modulatore koji mogu raditi s većom linearnošću i kroz širok raspon valnih duljina (od vidljivog do srednjeg IR) uz vrlo mali gubitak optics.org. Neposredna primjena mogli bi biti ultrabrzi modulatori za komunikacije ili specijalizirani uređaji za kvantnu i RF fotoniku. Šira poanta je da investicijska zajednica također podupire inovacije u materijalima u fotonici, a ne samo očitije startupe za prijenosnike. To je znak da čak i napredak u znanosti o materijalima (poput TFLN na izolatoru) može brzo prijeći u startupe i proizvode u ovom području.
Ažuriranja standarda i konzorcija (2024.–25.): Došlo je do pomaka na polju standardizacije. Continuous-Wave WDM MSA (konzorcij koji definira standardne module izvora svjetlosti za optiku u paketu) objavio je početne specifikacije za zajedničke izvore lasera koji mogu opskrbljivati više fotoničkih čipova. Ovo je važno za osiguranje kompatibilnosti između više dobavljača za optiku u paketu. Također, UCIe konzorcij (za međusobno povezivanje čipleta) formirao je optičku radnu skupinu kako bi razmotrili na koji način bi se optičke veze između čipleta mogle standardizirati. U međuvremenu, organizacije poput COBO (Consortium for On-Board Optics) i CPO Alliance održavaju samite (npr. na OFC 2024) na kojima raspravljaju o najboljim praksama za optiku u paketu ansys.com. Sve ovo pokazuje da industrija prepoznaje potrebu za usklađivanjem sučelja i izbjegavanjem fragmentacije koja bi mogla usporiti usvajanje. Nedavne vijesti iz IEEE također su ukazale na napredak u standardima za 1.6T Ethernet i povezane optičke sučajeve koji pretpostavljaju korištenje silicijeve fotoničke tehnologije.
Izlazak proizvoda: S druge strane, na tržištu se pojavljuje stvarni hardver:
- 800G umetljivi moduli: Više dobavljača (Intel, Marvell/Inphi itd.) započelo je uzorkovanje 800G QSFP-DD i OSFP modula u 2024. koji koriste silicijevu fotoniku. Očekuje se da će se ovi moduli koristiti u preklopnicima i mrežama 2025. godine.
- CPO demo kompleti: Tvrtke poput Ranovusa i IBM-a demonstrirale su razvojne komplete za optiku u paketu development kits – preteču komercijalnih CPO proizvoda. Na primjer, IBM-ov istraživački prototip preklopnika s optikom u paketu prikazan je u radu, a Ranovus ima CPO modul s 8×100G valnih duljina.
- Silicijevi fotonički LiDAR proizvodi: Innovusion (Kina) i Voyant Photonics (SAD) objavili su napredak u svom silicijevom fotoničkom LiDAR-u. Najnoviji Innovusionov LiDAR za vozila koristi neke silicijeve fotoničke komponente za postizanje FMCW-a po konkurentnoj cijeni. Voyant, startup proizašao iz istraživanja na Sveučilištu Columbia, zapravo prodaje mali čvrsti LiDAR modul temeljen na silicijevoj fotonici za upotrebu u dronovima i robotima.
- Optički I/O čipleti: Do sredine 2025. Ayar Labs planira imati svoj TeraPHY optical I/O chiplet i SuperNova laser source u ranoj fazi testiranja kod kupaca, isporučujući 8 Tbps optičku vezu za HPC sustave. Ako sve ostane po planu, ovo bi moglo biti jedno od prvih implementacija optičkog I/O-a u računalnom sustavu (vjerojatno u državnom laboratoriju ili pilot superračunalu do 2025.–26.).

Niz nedavnih vijesti prikazuje područje koje brzo napreduje na više frontova: od proboja u brzini (1.6T optika) do velikih strateških poteza (Intel outsourcing, velika financiranja) i prvih implementacija (optički motori za AI). Uzbudljivo je vrijeme, jer ti razvojni događaji pokazuju da silicijeva fotonika prelazi iz obećavajuće tehnologije u komercijalnu stvarnost s rastućim utjecajem na proizvode i industrije.

Za širu publiku, glavna poruka svih ovih vijesti je da silicijska fotonika nije daleko obećanje – ona se događa sada. Tvrtke ulažu novac i resurse u to, stvarni proizvodi se isporučuju, a svako tromjesečje donosi nove prekretnice koje ruše prethodne rekorde. To je područje koje se brzo razvija, i čak bi i tehnološki upućeni čitatelji mogli biti iznenađeni koliko su brzo stigle stvari poput “optičkih čipleta” ili “1,6 terabitnih modula”. Vijesti također naglašavaju da je ovo globalna utrka – s velikom aktivnošću u SAD-u, Europi i Aziji – i da obuhvaća sve, od deep tech startupa do najvećih proizvođača čipova i pružatelja mrežnih usluga.

Pogled u budućnost i predviđanja

Gledajući unaprijed, budućnost silicijske fotonike izgleda izuzetno obećavajuće, s potencijalom da predefinira računarstvo i komunikacije tijekom sljedećeg desetljeća. Evo nekoliko predviđanja i očekivanja za ono što nas čeka:

Široka primjena u računarstvu: Do kasnih 2020-ih možemo očekivati da će silicijska fotonika biti standardna značajka u vrhunskim računalnim sustavima. Kao što je navedeno, do 2026.–2027. trebali bi se pojaviti prvi CPU-i, GPU-i ili AI akceleratori s integriranim optičkim I/O nextplatform.com. U početku će to možda biti u specijaliziranim tržištima (superračunala, sustavi za visokofrekventno trgovanje, napredni AI klasteri), ali će utrti put široj primjeni. Kada se tehnologija dokaže i obujam proizvodnje poveća, optički I/O mogao bi se proširiti i na mainstream servere i uređaje u 2030-ima. Zamislite serverske ormare gdje svaki CPU ima optičke priključke izravno na pakiranju, povezane s optičkim top-of-rack preklopnikom; to bi moglo postati uobičajeno. Usko grlo memorije također bi se moglo riješiti optičkim vezama – na primjer, optičkim povezivanjem memorijskih modula s procesorima kako bi se omogućila veća propusnost na udaljenosti (neki istraživači govore o “optičkoj disgregaciji memorije” za velike zajedničke memorijske resurse). Ukratko, podatkovni centar budućnosti (a time i cloud usluge budućnosti) vjerojatno će biti izgrađeni na mreži optičkih međusobnih veza na svakoj razini, omogućeno silicijskom fotonikom.
Terabitno umrežavanje za sve: Kapacitet mrežnih veza nastavit će skakati naprijed. Govorimo o 1,6 Tb/s, 3,2 Tb/s, pa čak i 6,4 Tb/s optičkim transceiverima u jednom modulu do ranih 2030-ih. Ove brzine su nevjerojatne – veza od 3,2 Tb/s mogla bi prenijeti 4K film u djeliću milisekunde. Iako će se te brzine koristiti u okosnicama podatkovnih centara i telekom mrežama, neizravno koriste i potrošačima (brži internet, robusnije cloud usluge). Do 2035. analitičari predviđaju da će tržište fotoničkih integriranih krugova dosegnuti više od 50 milijardi dolara, uglavnom zahvaljujući ovim transceiverima za AI i podatkovne centre optics.org. Možda ćemo vidjeti da 800G i 1.6T postaju novi 100G, što znači da će to biti radne veze u mrežama. Kako se volumen povećava, cijena po bitu će padati, čineći brzu povezanost jeftinijom i sveprisutnijom. Moguće je da će čak i potrošački uređaji (poput VR headseta kojem treba vrlo širokopojasna veza s PC-jem ili konzolom) koristiti optički USB ili optički Thunderbolt kabel za prijenos više desetaka ili stotina gigabita bez latencije ili gubitka.
Revolucija u telekomunikacijama: U telekomu, silicijska fotonika pomoći će ostvariti potpuno optičke mreže s mnogo većom učinkovitošću. Koherentna optička komunikacija s integriranom fotonikom vjerojatno će se skalirati iznad 1 Tb/s po valnoj duljini (s naprednim konstelacijama i možda integriranim transceiver DSP-ovima). To bi moglo učiniti višeterabitne optičke kanale ekonomičnima, smanjujući broj lasera/vlakana potrebnih za prijenos. Silicijska fotonika također će učiniti reprogramabilne optičke multipleksere s dodavanjem i oduzimanjem (ROADM) i drugu mrežnu opremu kompaktnijom i energetski učinkovitijom, što olakšava uvođenje mreža većeg kapaciteta 5G/6G i bolje infrastrukture optike do kuće. Jedno specifično područje za pratiti su integrirani laseri za kabelsku TV / optički pristup: jeftini podesivi laseri na siliciju mogli bi omogućiti svakom domu simetričnu optičku vezu od 100G, primjerice. Integriranjem optičkih funkcija, telekom operateri mogu pojednostaviti centralne urede i glavne čvorove. Dakle, ukupni učinak bit će još brži i pouzdaniji internetski servisi po potencijalno nižim cijenama, pokretani u pozadini silicijskim fotoničkim čipovima.
AI računarstvo i optički pogoni: U području umjetne inteligencije, ako tvrtke poput Lightmatter i Lightelligence uspiju, mogli bismo svjedočiti prvim optičkim koprocesorima u podatkovnim centrima. Oni bi ubrzali matrične množenja ili graf analitiku pomoću svjetlosti, potencijalno nudeći skokove u performansama po vatu. Zamislivo je da će unutar 5 godina neki podatkovni centri imati stalke optičkih AI akceleratora uz GPU-ove, koji će izuzetno brzo obrađivati specijalizirane zadatke (na primjer, ultra-brzo izvođenje zaključaka za usluge u stvarnom vremenu). Čak i ako potpuno optička računala ostanu donekle ograničena, hibridni elektro-optički pristup (elektronika za logičku kontrolu, fotonika za prijenos podataka i operacije množenja-akumulacije) mogao bi postati ključna strategija za održavanje skaliranja performansi AI-a. Smanjenjem topline i potrošnje energije, fotonika može pomoći da AI treninzi ostanu izvedivi kako modeli rastu do trilijuna parametara. Ukratko, silicijska fotonika mogla bi biti tajni sastojak koji omogućuje sljedeće 1000× povećanje veličine AI modela/podataka za treniranje bez preopterećenja elektroenergetske mreže.
Utjecaj na potrošačku tehnologiju: Iako se većina silicijske fotonike trenutno koristi u velikim sustavima (podatkovni centri, mreže), s vremenom će procijediti do potrošačkih uređaja. Jedan očiti kandidat su AR/VR naočale (gdje je potrebno prenijeti ogromne količine podataka na male zaslone i kamere – optički međuspojevi bi mogli pomoći). Drugi su potrošački LiDAR ili dubinski senzori – budući pametni telefoni ili nosivi uređaji mogli bi imati male silicijske fotoničke senzore za praćenje zdravlja (kao što je Rockley Photonics planirao) ili za 3D skeniranje okoline. Intelov Mobileye već je najavio da će njegov silicijski fotonički LiDAR biti u automobilima, pa bi do kasnih 2020-ih vaš novi automobil mogao imati integrirani fotonički čip koji tiho upravlja senzorima za autonomnu vožnju tanaka-preciousmetals.com. S vremenom, kako cijene budu padale, više takvih senzora moglo bi se pojaviti u svakodnevnim uređajima (zamislite pametne satove koji koriste silicijski fotonički senzor za neinvazivno praćenje glukoze ili analizu krvi putem optičke spektroskopije na vašem zapešću – tvrtke doista rade na tom konceptu). Čak i u vrhunskom audio/vizualnom segmentu, optički čipovi mogli bi poboljšati kamere (LiDAR za fokusiranje ili 3D mapiranje u fotografiji) ili omogućiti holografske zaslone moduliranjem svjetlosti na mikroskopskoj razini (pomalo spekulativno, ali nije nemoguće kako prostorni svjetlosni modulatori na siliciju postaju bolji). Dakle, za desetak godina potrošači bi mogli nesvjesno koristiti silicijsku fotoniku u svojim uređajima, baš kao što danas koristimo MEMS senzore posvuda, a da o tome ni ne razmišljamo.
Fotonika u kvantnom području: Ako pogledamo još dalje u budućnost, kvantne fotoničke tehnologije bi se mogle razviti. Ako PsiQuantum ili netko drugi uspije, mogli bismo imati fotoničko kvantno računalo koje nadmašuje klasična superračunala za određene zadatke – s možda milijunima isprepletenih fotona obrađenih na čipu. To bi bilo monumentalno postignuće, vjerojatno jednako transformativno kao i prva elektronička računala. Iako bi to moglo biti izvan 2030., napredak u međuvremenu mogao bi donijeti kvantne simulatore ili umrežene kvantne komunikacijske sustave koristeći silicijsku fotoniku. Na primjer, sigurni kvantni komunikacijski linkovi (QKD mreže) mogli bi se implementirati u gradske mreže koristeći standardizirane silicijske fotoničke QKD predajnike u podatkovnim centrima. Postoji i potencijal za kvantne senzore na čipu (poput optičkih žiroskopa s kvantnom razinom osjetljivosti) koji bi mogli naći primjenu u navigaciji ili znanosti.
Nastavak istraživanja i novi horizonti: Samo područje silicijske fotonike nastavit će se razvijati. Istraživači već istražuju 3D integraciju – slaganje fotoničkih čipova s elektroničkima za još čvršće povezivanje (neki istražuju mikro-bumpove ili tehnike spajanja kako bi se fotonički interposer postavio ispod CPU-a, na primjer). Također se govori o optičkom umrežavanju na čipu (ONoC), gdje procesori, umjesto ili uz električne mreže na čipu, koriste svjetlost za komunikaciju između jezgri. Ako jednog dana višejezgreni CPU-ovi budu koristili interne optičke mreže, to bi moglo ukloniti uska grla u propusnosti unutar čipa (ovo je još daleko, ali konceptualno dokazano u laboratorijima). Nano-fotonika bi također mogla doći do izražaja: plazmonske ili nanoskopske optičke komponente koje rade pri vrlo velikim brzinama ili izuzetno malim dimenzijama, potencijalno integrirane sa silicijskom fotonikom za određene zadatke (poput ultra-kompaktnih modulatora). I tko zna, možda će jednog dana netko postići sveti gral silicijskog lasera pomoću nekog domišljatog materijalnog trika – što bi uistinu pojednostavilo fotoničku integraciju.
Pregled tržišta i industrije: Ekonomski gledano, vjerojatno ćemo svjedočiti procvatu tržišta silicijske fotonike. Prema IDTechX-u, do 2035. godine očekuje se oko 54 milijarde dolara tržišne vrijednosti optics.org. Važno je napomenuti da će podatkovne komunikacije činiti najveći udio, ali se procjenjuje da bi otprilike 11 milijardi dolara moglo doći iz ne-podatkovnih primjena (telekom, lidar, senzori, kvantna tehnologija itd.) optics.org. To znači da će se prednosti ove tehnologije proširiti na mnoge sektore. Također bismo mogli vidjeti velike promjene ili partnerstva u industriji: na primjer, može li tehnološki div preuzeti jedan od fotoničkih unicorn startupa (zamislite da Nvidia kupi Ayar Labs ili Lightmatter kako bi osigurala prednost u optičkom računalstvu)? To je moguće kako ulozi rastu. Štoviše, međunarodna konkurencija bi se mogla pojačati – mogli bismo svjedočiti značajnim ulaganjima vlada kako bi osigurale vodstvo (slično kao što se industrija poluvodiča smatra strateškom). Silicijska fotonika mogla bi postati ključni dio nacionalnih tehnoloških strategija, što može dodatno potaknuti financiranje istraživanja i razvoja te infrastrukture.

Šire gledano, ako se odmaknemo, budućnost sa silicijskom fotonikom je ona u kojoj se granice između računalstva i komunikacije brišu. Udaljenost postaje manje ograničavajuća – podaci bi mogli putovati unutar čipa ili između gradova jednako lako putem optičkih niti. To bi moglo omogućiti arhitekture poput distribuiranog računalstva gdje fizička lokacija resursa postaje manje bitna jer optičke veze omogućuju nisku latenciju i veliku propusnost. Mogli bismo vidjeti istinski razdvojene podatkovne centre gdje su računalna snaga, pohrana i memorija optički povezani poput LEGO kockica. Dobici u energetskoj učinkovitosti zahvaljujući fotonici također bi mogli pridonijeti zelenijem IKT-u, što je važno kako raste energetska potrošnja digitalne infrastrukture.

Posudimo li riječi jednog veterana industrije, “put do skaliranja silicijske fotonike jednako je uzbudljiv koliko i izazovan.” laserfocusworld.com U nadolazećim godinama zasigurno će biti prepreka, ali postoji kolektivna odlučnost u akademskoj zajednici i industriji da ih prevladaju. Kroz suradnju i inovacije – usklađujući znanost o materijalima, inženjering poluvodiča i fotoniku – stručnjaci su uvjereni da ćemo savladati te izazove i otključati puni potencijal silicijske fotonike laserfocusworld.com. Izgledi za budućnost su da će ova tehnologija prijeći s periferije (povezujući naše uređaje ili nadopunjujući specijalizirane sustave) u samu srž računalstva i povezivosti. U suštini, svjedočimo zori nove ere – one u kojoj svjetlost, a ne samo elektroni, prenosi životnu krv informacija kroz uređaje i mreže koji podupiru suvremeni život. I to je doista revolucionarna promjena koja će se odvijati u sljedećem desetljeću i dalje.

Izvori: Definicije i prednosti silicijske fotonike ansys.com ansys.com; primjene u senzorici, LiDAR-u, kvantnoj tehnologiji ansys.com ansys.com; trendovi podatkovnih centara i umjetne inteligencije laserfocusworld.com, optics.org; izjave stručnjaka i uvidi laserfocusworld.com, tanaka-preciousmetals.com, nature.com; vodeći u industriji expertmarketresearch.com; najnovije vijesti i ulaganja datacenterdynamics.com, nextplatform.com, nextplatform.com; buduće projekcije optics.org