Revoluția fotonicii pe bază de siliciu – Tehnologia vitezei luminii care transformă inteligența artificială, centrele de date și multe altele

Fotonica pe siliciu folosește circuite integrate fotonice pe siliciu (PIC-uri) pentru a manipula lumina în procesarea și comunicarea datelor, permițând interconectări pe cip și între cipuri la viteze precum 100 Gb/s și 400 Gb/s.
Un cip fotonic pe siliciu de dimensiunea unei unghii poate găzdui zeci de canale laser și, cu multiplexare densă în lungime de undă, poate transporta terabiți de date.
Interconectările din centrele de date beneficiază de legături optice care consumă mai puțină energie și oferă o densitate mai mare, cu prototipuri precum cipuri de comutare de 51,2 Tb/s cu I/O optic integrat demonstrate.
În 2024, Ayar Labs a demonstrat un chiplet optic care oferă o lățime de bandă de 8 Tbps folosind 16 lungimi de undă, iar o rundă de finanțare Seria D la sfârșitul lui 2024 a strâns 155 de milioane de dolari cu participarea Nvidia, AMD și Intel, ridicând evaluarea companiei peste 1 miliard de dolari.
Intel a externalizat producția de transceivere fotonice pe siliciu către Jabil la sfârșitul lui 2023, după ce a livrat peste 8 milioane de cipuri transceiver fotonice din 2016.
InnoLight a demonstrat un prototip de transceiver optic de 1,6 Tbps la sfârșitul lui 2023, cu module de 3,2 Tbps așteptate până în 2026, pe măsură ce se apropie legăturile multi-terabit.
Institutul american AIM Photonics a primit un program de 321 de milioane de dolari pe șapte ani, până în 2028, pentru a avansa producția de fotonică integrată în SUA, permițând o fabrică și o linie de ambalare pentru fotonica pe siliciu în New York.
În 2023, Broadcom a demonstrat prototipuri de switch-uri cu optică co-ambalată de 25,6 Tbps și 51,2 Tbps cu motoare fotonice laser integrate.
Lightmatter a strâns 400 de milioane de dolari într-o rundă Seria D în 2024 pentru a finanța platforma sa de accelerare AI optică, iar PsiQuantum a prezentat public o cale către un computer cuantic fotonic tolerant la pierderi cu cipul său Omega în 2024.
Analiștii estimează că piața fotonicii pe siliciu va ajunge la aproximativ 54 de miliarde de dolari până în 2035, cu aproximativ 11 miliarde de dolari din aplicații non-date, impulsionată în mare parte de nevoile centrelor de date AI.

Ce este fotonica pe siliciu și cum funcționează?

Fotonica pe siliciu este o tehnologie care folosește circuite integrate fotonice (PIC-uri) pe bază de siliciu pentru a manipula lumina (fotoni) în procesare și comunicare. Pe scurt, înseamnă construirea de dispozitive optice (precum lasere, modulatoare și detectoare) pe cipuri de siliciu, similar modului în care sunt realizate circuitele electronice. Aceste cipuri fotonice pe siliciu pot trimite și primi date folosind lumina, permițând transfer de date ultra-rapid cu lățime de bandă mare și pierderi energetice reduse ansys.com. Componentele cheie includ ghiduri de undă (mici „fire” optice care ghidează lumina pe cip), modulatoare (care codifică datele pe fasciculele de lumină), lasere (de obicei adăugate prin alte materiale, deoarece siliciul nu poate emite lumină), și fotodetectoare (pentru a converti lumina primită înapoi în semnale electrice) ansys.com. Prin integrarea acestora pe o platformă de siliciu, inginerii valorifică producția semiconductoarelor (CMOS) bine stabilită pentru a produce în masă dispozitive fotonice, combinând viteza luminii cu scara fabricării moderne de cipuri ansys.com.

Cum funcționează? În loc de impulsuri electrice prin fire de cupru, circuitele fotonice pe siliciu folosesc lumină laser infraroșie care circulă prin ghiduri de undă la scară micron. Siliciul este transparent pentru lungimile de undă infraroșii, permițând propagarea luminii cu pierderi minime atunci când este confinată de materiale înconjurătoare precum dioxidul de siliciu, care au un indice de refracție mai mic ansys.com ansys.com. Datele sunt codificate pe aceste unde luminoase prin intermediul unor modulatoare care pot schimba rapid intensitatea sau faza luminii. La celălalt capăt, fotodetectorii de pe cip convertesc semnalele optice înapoi în formă electrică. Deoarece lumina oscilează la frecvențe mult mai mari decât semnalele electrice, interconexiunile optice pot transporta mult mai multe date pe secundă decât firele electrice. O singură fibră sau un ghid de undă minuscul poate transmite zeci sau sute de gigabiți pe secundă, iar prin utilizarea mai multor lungimi de undă ale luminii (multiplexare densă în lungime de undă), o singură fibră poate transporta terabiți de date. În termeni practici, fotonica pe siliciu permite comunicații pe cip sau între cipuri la viteze precum 100 Gb/s, 400 Gb/s sau mai mult, ceea ce altfel ar necesita multe fire de cupru sau pur și simplu ar fi imposibil pe distanțe mai mari ansys.com optics.org.

Dispozitivele fotonice pe siliciu sunt compacte, rapide și eficiente energetic. Lumina poate călători prin ghiduri de undă cu o rezistență foarte scăzută (fără capacitanță electrică sau probleme de încălzire care apar la cupru la viteze mari), ceea ce înseamnă un consum de energie potențial mai mic pentru transferul de date. O analiză menționează că interconexiunile optice pot reduce drastic blocajele de date și pot diminua căldura în sistemele de înaltă performanță – „interconexiunile optice, permise de fotonica pe siliciu, sunt singura cale scalabilă înainte” pentru a face față cererii explozive de lățime de bandă laserfocusworld.com. Pe scurt, fotonica pe siliciu îmbină platforma de cipuri din siliciu, ieftină și ușor de produs în masă, cu fizica luminii, creând „circuite pentru fotoni” pe un cip ansys.com. Această tehnologie ne permite să mutăm literalmente datele cu viteza luminii în contexte în care electronica tradițională atinge limitele.

Aplicații cheie ale fotonicii pe siliciu

Fotonica pe siliciu a început în comunicațiile prin fibră optică, dar astăzi este o platformă versatilă care își găsește utilizări în multe domenii de vârf. Datorită vitezei mari și eficienței energetice, orice domeniu care are nevoie să transfere cantități uriașe de date (sau să controleze precis lumina) este un candidat. Iată câteva dintre aplicațiile cheie:

Centre de date și rețele cloud de mare viteză

Una dintre cele mai importante aplicații este în interiorul centrelor de date și al supercalculatoarelor, unde fotonica pe siliciu răspunde nevoii urgente de interconectări mai rapide și mai eficiente. Centrele de date cloud moderne și centrele de date hyperscale gestionează fluxuri masive de date între servere, rack-uri și pe rețelele campusului. Cablurile de cupru și switch-urile electrice tradiționale devin din ce în ce mai mult un factor limitativ – consumă prea multă energie și nu pot fi scalate dincolo de anumite distanțe sau viteze (de exemplu, conexiunile pe cupru de 100 Gb/s funcționează doar pe câțiva metri). Interconectările fotonice pe siliciu rezolvă această problemă folosind fibre optice și motoare optice integrate pentru a conecta serverele și switch-urile la viteze foarte mari, cu pierderi minime. Transceiverele optice bazate pe fotonica pe siliciu deja înlocuiesc sau completează conexiunile electrice pentru comunicația între rack-uri și chiar în interiorul rack-ului tanaka-preciousmetals.com.

Cisco și Intel au fost pionieri în acest domeniu: Cisco proiectează acum transceivere optice pluggabile de mare viteză folosind fotonica pe siliciu pentru a conecta echipamentele de rețea expertmarketresearch.com. Intel, la rândul său, a valorificat fotonica pe siliciu pentru a îmbunătăți conectivitatea centrelor de date, livrând milioane de cipuri transceiver optice 100G și acum trecând la module optice 200G, 400G și testând module 800G tanaka-preciousmetals.com. Motivația este clară – pe măsură ce ratele de transfer de date se dublează de la 100G la 200G la 400G, raza de acțiune a cuprului scade dramatic. „Când intri astăzi într-un centru de date, vei vedea cabluri de cupru de 100 Gb/s care conectează serverele la switch-ul de top al rack-ului… Aceste cabluri sunt bune pentru aproximativ patru metri. Dar tot ce depășește rack-ul folosește deja optică,” notează Robert Blum, director senior de fotonică la Intel, adăugând că „pe măsură ce creștem ratele de date la 200 sau 400 Gb/s, raza de acțiune a cuprului devine mult mai scurtă și începem să vedem această tendință în care optica ajunge până la server.” tanaka-preciousmetals.com În clusterele de calcul de înaltă performanță (HPC) și supercomputerele AI, unde mii de procesoare au nevoie de conexiuni cu latență redusă, interconexiunile optice oferă lățimea de bandă necesară pentru a alimenta toate aceste cipuri cu date ansys.com, laserfocusworld.com. Prin aducerea fotonicii pe switch și chiar în pachetele procesoarelor (așa-numita optică co-ambalată), rețelele viitoare ale centrelor de date vor atinge rate de transfer mult mai mari. De fapt, cipuri de comutare de 51,2 Tb/s cu I/O optic integrat sunt la orizont, iar prototipuri au fost deja demonstrate tanaka-preciousmetals.com.

Beneficiile pentru centrele de date sunt semnificative: consum redus de energie (legăturile optice irosesc mult mai puțină energie sub formă de căldură decât împingerea electronilor prin cupru la zeci de GHz), densitate mai mare (multe canale optice pot fi multiplexate fără grija interferențelor electromagnetice) și acoperire mai mare (semnalele optice pot călători kilometri dacă este necesar). Aceasta înseamnă că fotonica pe siliciu ajută centrele de date să își scaleze performanța fără a fi limitate de interconectări. Un analist de piață a remarcat că centrele de date axate pe AI generează o cerere fără precedent pentru transceivere optice de înaltă performanță, afirmând că „fotonica pe siliciu și PIC-urile sunt în fruntea acestei revoluții, datorită capacității lor de a transmite date la viteze de 1,6 Tbps și peste.” optics.org În termeni practici, un singur cip fotonic de dimensiunea unei unghii poate conține zeci de canale laser, care împreună transportă terabiți de date – esențial pentru infrastructura cloud de nouă generație.

Accelerarea AI și a învățării automate

Explozia de workload-uri AI și de învățare automată este un caz special al aplicațiilor pentru centrele de date – merită menționată separat deoarece AI generează cerințe unice și a stimulat noi utilizări pentru fotonica pe siliciu. Antrenarea modelelor AI avansate (cum ar fi modelele lingvistice mari care alimentează chatbot-urile) implică calcule masiv paralele distribuite pe multe GPU-uri sau acceleratoare AI specializate. Aceste cipuri trebuie să facă schimb de cantități uriașe de date pentru sarcini precum antrenarea modelelor, adesea saturând legăturile electrice convenționale. Fotonica pe siliciu oferă un avantaj dublu pentru AI: interconectări cu lățime de bandă mare și chiar potențialul pentru calcul optic.

Pe partea de interconectare, se dezvoltă legături optice pentru a conecta direct cipurile acceleratoare AI sau memoria folosind lumină (uneori numite I/O optice). Prin înlocuirea backplane-ului tradițional al serverului sau a comunicării GPU-la-GPU cu fibră optică, sistemele AI pot reduce semnificativ latența și consumul de energie pentru comunicare. De exemplu, startup-uri precum Ayar Labs creează chiplet-uri I/O optice care stau lângă procesoare pentru a transmite datele în și din afară folosind lumină, eliminând pachetele dense de trasee de cupru care altfel ar fi necesare. În 2024, Ayar Labs a demonstrat un chiplet optic care oferă 8 Tbps lățime de bandă folosind 16 lungimi de undă de lumină – un semn despre cum ar putea arăta interconectările AI de generație următoare businesswire.com. Producătorii mari de cipuri sunt atenți: Nvidia, AMD și Intel au investit fiecare în Ayar Labs ca parte a unei runde de finanțare de 155 de milioane de dolari, mizând că interconectările optice vor fi cheia pentru scalarea hardware-ului AI din viitor nextplatform.com. După cum a glumit un jurnalist, dacă nu poți obține suficientă viteză doar făcând cipurile mai rapide, „cel mai bun lucru în care să-ți investești banii este probabil o formă de I/O optic.” nextplatform.com

Dincolo de mutarea datelor între cipurile AI, fotonica pe siliciu permite și calculul optic pentru AI. Aceasta înseamnă efectuarea anumitor calcule (cum ar fi înmulțirile de matrice din rețelele neuronale) folosind lumină în loc de electricitate, ceea ce ar putea depăși unele dintre limitările de viteză și energie ale acceleratoarelor AI electronice de astăzi. Companii precum Lightmatter și Lightelligence au construit procesoare fotonice prototip care folosesc interferența luminii în ghiduri de undă din siliciu pentru a calcula rezultate în paralel. La sfârșitul anului 2024, Lightmatter a strâns o rundă impresionantă de finanțare Seria D de 400 de milioane de dolari (ajungând la o evaluare de 4,4 miliarde de dolari) pentru a avansa tehnologia sa de calcul optic nextplatform.com. Deși sunt încă la început, aceste acceleratoare AI fotonice promit execuție ultra-rapidă, cu latență redusă a rețelelor neuronale și un consum mult mai mic de energie, deoarece fotonii generează căldură minimă comparativ cu miliarde de comutări de tranzistori.

Per ansamblu, pe măsură ce modelele de inteligență artificială cresc în dimensiune și complexitate (și necesită clustere de zeci de mii de cipuri), fotonica pe siliciu este privită ca o „schimbare de paradigmă” care poate depăși blocajele de comunicare din infrastructura AI laserfocusworld.com. Aceasta oferă o modalitate de a scala lățimea de bandă între procesoare liniar cu cererea, lucru cu care legăturile electrice se confruntă cu dificultate. Observatorii din industrie prezic că tehnologiile optice (precum optica co-ambalată, legăturile optice chip-la-chip și, posibil, elementele de calcul fotonic) vor deveni standard în sistemele AI în anii următori – nu doar un experiment de nișă. De fapt, după o estimare, centrele de date AI vor crește atât de rapid (50% CAGR în consumul de energie) încât până în 2030 ar putea deveni nesustenabile cu I/O electric existent, făcând fotonica pe siliciu „o parte indispensabilă a infrastructurii noastre viitoare” pentru a menține AI scalabilă laserfocusworld.com.

Telecomunicații și rețelistică

Fotonica pe siliciu își are rădăcinile în telecomunicații și continuă să revoluționeze modul în care transmitem date pe distanțe lungi. În rețelele de telecomunicații cu fibră optică – fie că este vorba de backbone-ul Internetului, cabluri submarine sau rețele metropolitane și de acces – fotonica integrată este folosită pentru a realiza transceivere optice mai mici, mai rapide și mai ieftine. Sistemele tradiționale de comunicații optice se bazau adesea pe componente discrete (lasere, modulatoare, detectoare asamblate individual), dar integrarea fotonică pe siliciu poate pune multe dintre aceste componente pe un singur cip, îmbunătățind fiabilitatea și reducând costurile de asamblare tanaka-preciousmetals.com.

Astăzi, modulele transceivere optice care utilizează fotonica pe siliciu sunt comune în interconectările centrelor de date și sunt din ce în ce mai adoptate în infrastructura de telecomunicații pentru 100G, 400G și mai mult. De exemplu, companii precum Infinera și Cisco (Acacia) au dezvoltat transceivere optice coerente folosind fotonica pe siliciu pentru conexiuni de 400G și 800G în rețelele de telecomunicații. Rețelele broadband & wireless 5G/6G beneficiază, de asemenea – legăturile de fibră care conectează turnurile celulare sau transportă datele de fronthaul/backhaul pot fi făcute mai eficiente cu fotonica pe siliciu. Intel a subliniat că fotonica pe siliciu va juca un rol în „implementările 5G de generație următoare folosind factori de formă mai mici și viteze mai mari, de la 100G astăzi la 400G și mai mult în viitor” expertmarketresearch.com. Capacitatea de a integra zeci de lungimi de undă laser pe un cip este utilă pentru sistemele de multiplexare în lungime de undă densă (DWDM), pe care operatorii de telecomunicații le folosesc pentru a înghesui mai multe canale pe fiecare fibră. În 2023, o companie chineză, InnoLight, a demonstrat chiar un transceiver optic de 1,6 Tb/s (folosind mai multe lungimi de undă și modulație avansată) – un semn că legăturile optice multi-terabit sunt aproape de orizont optics.org.

O altă aplicație de rețea este în echipamentele de rutare și comutare de bază. Routerele de top și platformele de comutare optică încep să utilizeze circuite fotonice pe siliciu pentru funcții precum comutarea optică, rutarea semnalului și chiar filtrarea lungimii de undă pe cip. De exemplu, au fost prototipate structuri mari de comutare fotonică pe siliciu care folosesc MEMS pe siliciu sau efecte termo-optice pentru a comuta rapid căile luminii, permițând potențial comutarea circuitelor complet optice. Acestea ar putea fi folosite în viitor în rețelele centrelor de date pentru a reconfigura optic conexiunile din mers (Google a sugerat utilizarea comutatoarelor optice în unele dintre clusterele sale AI) nextplatform.com.

Per ansamblu, în telecomunicații obiectivele sunt capacitate mai mare și cost mai mic per bit. Fotonica pe siliciu ajută prin creșterea capacității fibrei optice (100G → 400G → 800G și 1,6T per lungime de undă) și prin reducerea costurilor de fabricație prin procesele de fabricație CMOS. Este relevant faptul că divizia de fotonică pe siliciu a Intel, înainte de restructurare, a livrat peste 8 milioane de cipuri transceiver fotonice între 2016 și 2023 pentru centre de date și utilizări de rețea optics.org. Iar colaborările din industrie sunt în creștere: de exemplu, Intel a anunțat la sfârșitul lui 2023 că va transfera producția de transceivere către Jabil (un producător contractual) pentru a crește și mai mult producția optics.org. Între timp, giganți ai componentelor optice precum Coherent (fost II-VI) și furnizori tradiționali de telecom (Nokia, Ciena, etc.) investesc toți în fotonica pe siliciu pentru module optice de nouă generație optics.org. Tehnologia devine o piatră de temelie atât pentru infrastructura fizică a Internetului, cât și pentru ecosistemul în rapidă evoluție al comunicațiilor 5G/6G.

Senzori și LiDAR

Fotonica pe siliciu nu se rezumă doar la comunicații – ea permite și noi tipuri de senzori prin valorificarea controlului precis al luminii pe cip. Un domeniu interesant este cel al detecției biochimice și de mediu. Senzorii fotonici pe siliciu pot detecta schimbări minuscule ale indicelui de refracție sau ale absorbției atunci când o probă (cum ar fi o picătură de sânge sau un vapor chimic) interacționează cu un fascicul de lumină ghidat. De exemplu, un cip fotonic pe siliciu ar putea avea un mic rezonator inelar sau un interferometru care își schimbă frecvența atunci când anumite molecule se leagă de el. Acest lucru permite detecția de tip “lab-on-a-chip” a biomarkerilor – proteine, ADN, gaze etc. – cu sensibilitate ridicată și potențial la costuri reduse. Astfel de biosenzori fotonici ar putea fi folosiți pentru diagnostic medical, monitorizare de mediu sau chiar aplicații de tip “nas artificial” optics.org optics.org. Avantajele de miniaturizare și integrare sunt esențiale: un singur cip senzor fotonic pe siliciu ar putea integra surse de lumină, elemente de detecție și fotodetectori, oferind un senzor compact și robust, spre deosebire de echipamentele optice voluminoase de laborator. Cercetarea în domeniul fotonicii pe nitrură de siliciu (o variantă care funcționează mai bine pentru lungimi de undă vizibile) deschide și mai multe aplicații de detecție, deoarece SiN poate ghida lumina vizibilă pentru detecția unor semnale precum fluorescența sau Raman, pe care siliciul pur nu le poate detecta.

O altă aplicație în plină expansiune este LiDAR (Light Detection and Ranging) pentru vehicule autonome, drone și robotică. Sistemele LiDAR emit impulsuri laser și măsoară lumina reflectată pentru a cartografia distanțele – practic o „vedere laser 3D”. Unitățile LiDAR tradiționale se bazează adesea pe scanare mecanică și lasere/detectori discreți, ceea ce le face scumpe și oarecum voluminoase. Fotonica pe siliciu oferă o modalitate de a construi LiDAR pe un cip: integrând elemente de direcționare a fasciculului, splittere, modulatoare și detectoare monolitic. Un LiDAR fotonic pe siliciu poate folosi direcționarea fasciculului în stare solidă (de exemplu, rețele de fază optică) pentru a scana mediul fără piese mobile. Acest lucru reduce drastic dimensiunea și costul unităților LiDAR. De fapt, Mobileye de la Intel a indicat că folosește circuite integrate fotonice pe siliciu în senzorii săi LiDAR pentru conducere autonomă de generație următoare, în jurul anului 2025 tanaka-preciousmetals.com. O astfel de integrare ar putea reduce costurile LiDAR și ar permite implementarea pe scară largă în automobile. LiDAR-ul bazat pe fotonică pe siliciu poate realiza, de asemenea, o scanare mai rapidă și o rezoluție mai mare, folosind mai multe lungimi de undă sau tehnici de detecție coerentă integrate pe cip. Ca beneficiu suplimentar, aceste soluții integrate tind să consume mai puțină energie – un factor important pentru vehiculele electrice.

Potrivit Ansys, „soluțiile LiDAR bazate pe fotonică pe siliciu sunt mai compacte, folosesc mai puțină energie și sunt mai ieftin de fabricat decât sistemele construite din componente discrete.” ansys.com Acest lucru surprinde pe scurt de ce companii de la startup-uri la giganți tehnologici se grăbesc să dezvolte LiDAR fotonic. Vedem deja prototipuri de LiDAR FMCW (LiDAR cu undă continuă modulație în frecvență), care necesită circuite fotonice delicate precum lasere reglabile și interferometre. Fotonica pe siliciu este o platformă naturală pentru aceasta, iar experții prezic că fotonica integrată va fi cheia pentru a face LiDAR-ul FMCW viabil la scară largă (pentru raza sa lungă și imunitatea la interferențe) optics.org optics.org. În viitorul apropiat, ne putem aștepta la mașini și drone echipate cu unități LiDAR mici, pe cip, cu performanțe ridicate – un produs direct al inovației în fotonica pe siliciu.

Dincolo de LiDAR, alte utilizări pentru senzori includ giroscoape și senzori inerțiali (folosind giroscoape cu laser în inel pe cip pentru navigație) și spectrometre (spectrometre optice integrate pentru analiza chimică). Elementul comun este că fotonica pe siliciu aduce precizia măsurătorilor optice într-un format miniaturizat, ușor de fabricat. Acest lucru deschide noi posibilități în electronica de consum (imaginează-ți un senzor optic de sănătate într-un smartwatch), monitorizarea industrială și instrumente științifice.

Calculul cuantic și tehnologiile cuantice fotonice

În căutarea computerelor cuantice, fotonii (particulele de lumină) joacă un rol unic. Spre deosebire de electroni, fotonii pot călători pe distanțe lungi fără a interacționa cu mediul înconjurător (util pentru transmiterea informației cuantice), iar anumite scheme de calcul cuantic folosesc fotonii ca qubiți înșiși. Fotonica pe siliciu a devenit o platformă de top pentru cercetarea în domeniul calculului și rețelisticii cuantice.

Mai multe startup-uri și grupuri de cercetare lucrează la computere cuantice fotonice care utilizează circuite fotonice pe bază de siliciu pentru a genera și manipula qubiți codificați în lumină. De exemplu, PsiQuantum, un startup cu finanțare substanțială, colaborează cu o fabrică de semiconductori pentru a construi un computer cuantic la scară largă folosind mii de canale de qubiți fotonici pe siliciu. Ideea este de a integra pe un cip dispozitive precum surse de fotoni unici, divizoare de fascicul, schimbătoare de fază și detectoare de fotoni pentru a realiza logică cuantică cu fotoni. Avantajul fotonicii pe siliciu aici este scalabilitatea – deoarece se bazează pe fabricarea CMOS, se pot (în principiu) crea circuite fotonice cuantice foarte complexe cu sute sau mii de componente, ceea ce este mult mai dificil în alte abordări hardware cuantice. De fapt, cercetătorii au demonstrat recent cipuri fotonice pe siliciu cu mii de componente care funcționează împreună pentru manipularea luminii cuantice nature.com.

Fotonica pe siliciu permite, de asemenea, rețelistică cuantică – comunicații sigure folosind distribuția cuantică a cheilor (QKD) și fotoni încurcați – oferind o platformă pentru emițătoare și receptoare cuantice optice compacte și stabile. În plus, anumite tehnologii de senzori cuantici (cum ar fi giroscoapele cuantice optice sau LiDAR-ul cu fotoni unici) pot folosi cipuri fotonice pe siliciu la bază.

O provocare majoră în calculul cuantic fotonic este generarea de fotoni unici la cerere și dirijarea lor cu pierderi reduse. Interesant este că aceleași limitări (și soluții) care se aplică fotonicii clasice pe siliciu se aplică și în cuantic: siliciul nu emite lumină laser în mod natural, așa că cipurile fotonice cuantice folosesc adesea procese neliniare integrate sau surse cu puncte cuantice pentru a crea fotoni unici, sau integrează hibrid materiale specializate. Beneficiile sunt însă similare – precizie ridicată și miniaturizare. După cum notează raportul Ansys, computerele cuantice folosesc fotoni pentru calcule, iar gestionarea acestor fotoni cu fotonică integrată aduce avantaje de viteză, precizie și cost ansys.com. În practică, fotonica pe siliciu poate oferi stabilitatea și fabricabilitatea necesare pentru a scala sistemele cuantice de la experimente de laborator la mașini reale.

În afară de calcul, senzorii fotonici cuantici (precum interferometrele care exploatează stări cuantice pentru sensibilitate suplimentară) și generatoarele cuantice de numere aleatorii sunt alte domenii în care fotonica pe siliciu are un impact. Deși calculul cuantic fotonic este încă în dezvoltare și probabil la câțiva ani distanță de maturitate, investițiile masive în acest domeniu subliniază potențialul său. În 2022, un cercetător de top, Prof. John Bowers, a subliniat că fotonica pe siliciu avansa rapid, cu multe aplicații noi, inclusiv în domeniul cuantic, la orizont nature.com. Este de prevăzut că primele calculatoare cuantice la scară largă ar putea fi, de fapt, unele optice construite pe cipuri fotonice din siliciu – un cerc fascinant complet, în care o tehnologie dezvoltată inițial pentru telecomunicații ar putea permite următorul salt în calcul.

Tendințe și dezvoltări actuale (2025)

În 2025, fotonica pe siliciu câștigă un avânt extraordinar. O serie de tendințe au convergent pentru a împinge această tehnologie din laboratoare și utilizări de nișă în mainstream-ul industriei tehnologice:

Blocajul de date și Optica Co-ambalată: Cererea insațiabilă de date (în special din partea serviciilor AI și cloud) a transformat interconectările electrice într-un blocaj serios. Am ajuns în punctul în care, de fiecare dată când dublezi lățimea de bandă a unei interconectări, trebuie să înjumătățești lungimea cablului de cupru pentru a menține integritatea semnalului nextplatform.com – un compromis nesustenabil. Această urgență a adus în prim-plan abordări precum optica co-ambalată (CPO), unde motoarele optice sunt plasate chiar lângă ASIC-urile de switch sau cipurile de procesor pentru a elimina aproape complet distanța de transmisie electrică. În 2023, mai multe companii au demonstrat optica co-ambalată în switch-uri (de exemplu, prototipurile Broadcom de switch-uri de 25,6 Tb/s și 51,2 Tb/s cu motoare fotonice laser integrate). Foile de parcurs din industrie sugerează că cipurile de switch Ethernet de 51,2 Tb/s cu fotonică pe siliciu co-ambalată ar trebui să ajungă pe piață în următorul an sau doi tanaka-preciousmetals.com, iar până în 2026–2027, probabil vom vedea primele CPU/GPU care folosesc direct I/O optic nextplatform.com. Cu alte cuvinte, era optică a interconectărilor este pe cale să răsară în sisteme practice. Companii precum Intel, Nvidia și Cisco dezvoltă activ soluții CPO. De fapt, proiectul Tomambe al Intel și altele au demonstrat deja motoare fotonice de 1,6 Tb/s integrate cu cipuri de switch tanaka-preciousmetals.com. Consensul general: după ani de cercetare, optica co-ambalată trece de la prototip la produs, vizând reducerea consumului de energie per bit prin aducerea surselor de lumină mai aproape de sursa de date (o economie de energie de 30% față de soluțiile pluggable, conform unei estimări laserfocusworld.com).
Val de investiții și activitate de startup-uri: În ultimii câțiva ani au avut loc investiții majore și finanțări în companii din domeniul fotonicii pe siliciu. Acest lucru reflectă încrederea pe care industria o are în viitorul tehnologiei. De exemplu, la sfârșitul anului 2024, Ayar Labs a strâns o rundă de finanțare Seria D de 155 de milioane de dolari (ceea ce i-a adus statutul de “unicorn” cu o evaluare de peste 1 miliard de dolari) pentru a-și scala soluțiile optice I/O; notabil, această rundă a inclus investiții strategice din partea Nvidia, AMD și Intel înșiși nextplatform.com. De asemenea, startup-ul de calcul fotonic Lightmatter a obținut 400 de milioane de dolari finanțare în 2024 pentru a-și dezvolta platforma optică de accelerare AI nextplatform.com. Un alt startup, Celestial AI, axat pe interconectări optice pentru AI, nu doar că a strâns 175 de milioane de dolari la începutul lui 2024, dar a și achiziționat portofoliul de proprietate intelectuală în fotonică pe siliciu al Rockley Photonics (o firmă de fotonică axată anterior pe senzori) pentru 20 de milioane de dolari în octombrie 2024 datacenterdynamics.com. Această achiziție a oferit Celestial AI peste 200 de brevete în fotonică pe siliciu și semnalează o anumită consolidare în industrie – jucătorii mai mici cu tehnologie fotonică valoroasă (Rockley dezvoltase modulatori avansați și optică integrată pentru dispozitive purtabile) sunt absorbiți de companii care vizează piețele de centre de date și AI. Am văzut, de asemenea, cum HyperLight și Lightium, două startup-uri specializate în cipuri fotonice din niobat de litiu cu film subțire, au atras împreună o investiție de 44 de milioane de dolari în 2023 optics.org, evidențiind interesul pentru materiale noi care să îmbunătățească fotonica pe siliciu (modulatorii TFLN pot oferi viteze mai mari și pierderi reduse). Per ansamblu, finanțarea VC și sprijinul corporativ pentru companiile de fotonică pe siliciu sunt la un nivel record, reflectând conștientizarea faptului că tehnologia optică este esențială pentru semiconductoarele viitorului.
Maturizarea tehnologiei și creșterea ecosistemului: O altă tendință este maturizarea ecosistemului de fotonica pe siliciu. Mai multe fabrici și furnizori sunt acum implicați. În trecut, doar câțiva jucători (precum Intel sau Luxtera) aveau capabilități end-to-end. Acum, mari fabrici de semiconductori precum GlobalFoundries, TSMC și chiar STMicroelectronics oferă linii de procesare pentru fotonica pe siliciu sau PDK-uri fotonice standardizate (Process Design Kits) pentru clienți ansys.com. Această standardizare înseamnă că startup-urile sau companiile mai mici pot proiecta circuite fotonice și le pot fabrica fără a-și construi propria fabrică – analog modului în care operează companiile fabless de cipuri electronice. Există curse regulate multi-proiect (MPW) pentru cipuri fotonice, unde mai multe proiecte împart o rulare de wafer, reducând drastic costul de prototipare. Grupurile din industrie lucrează la soluții standardizate de ambalare (interfețe optice I/O, metode de atașare a fibrelor) astfel încât cipurile fotonice să poată fi integrate mai ușor în produse. Înființarea American Institute for Manufacturing Integrated Photonics (AIM Photonics) a fost un mare impuls: acest consorțiu public-privat a înființat o fabrică și o linie de ambalare pentru fotonica pe siliciu în New York și a primit recent un program de 321 milioane de dolari, pe 7 ani (până în 2028) pentru a avansa producția de fotonică integrată în SUA. nsf.gov. Similar, în Europa, institute de cercetare precum IMEC în Belgia și CEA-Leti în Franța oferă platforme de fotonică pe siliciu și au susținut apariția unui cluster de startup-uri fotonice. În China, fotonica pe siliciu este de asemenea în creștere, cu companii precum InnoLight și Huawei care investesc în capabilități interne de cipuri fotonice optics.org optics.org. Toate aceste evoluții indică faptul că fotonica pe siliciu nu mai este o tehnologie experimentală – devine o parte standard a trusei de instrumente pentru semiconductori.
Viteze mai mari și materiale noi: Din punct de vedere tehnologic, vedem progrese rapide în creșterea performanței dispozitivelor fotonice pe siliciu. Transceiverele optice 800G sunt acum în faza de eșantionare, modulele de 1,6 Tb/s au fost demonstrate optics.org, iar modulele pluggabile de 3,2 Tb/s sunt așteptate până în 2026 optics.org. Pentru a atinge aceste viteze, inginerii folosesc totul, de la multiplexare pe 16 canale la formate avansate de modulație – practic valorificând domeniul optic pentru a împacheta mai mulți biți. La nivel de dispozitiv, materiale noi sunt integrate în fotonica pe siliciu pentru a depăși limitările siliciului. Un exemplu de bază este litiu niobat subțire (TFLN) pe siliciu, care oferă modulatoare foarte rapide cu efect Pockels și pierderi reduse. Acest lucru ar putea permite modulatoare care gestionează lățimi de bandă de modulație de peste 100 GHz, potrivite pentru viitoarele conexiuni 1.6T și 3.2T sau chiar pentru aplicații cuantice optics.org. Startup-uri precum HyperLight comercializează aceste cipuri hibride LiNbO3/Si. Alte materiale aflate în cercetare și dezvoltare includ modulatoare electro-optice din titanat de bariu (BTO) și materiale dopate cu pământuri rare pentru lasere/amplificatoare integrate pe cip optics.org. Există, de asemenea, lucrări continue pentru integrarea semiconductoarelor de tip III-V (InP, GaAs) pe siliciu pentru lasere și amplificatoare optice mai bune – de exemplu, laserele cu puncte cuantice crescute direct pe siliciu au făcut progrese mari, abordând problemele de fiabilitate care au afectat încercările anterioare nature.com nature.com. Pe scurt, paleta de materiale pentru fotonica pe siliciu se lărgește, ceea ce va duce la performanțe mai ridicate și funcționalități noi. Vedem chiar micropeine (surse de piepteni de frecvență optică) bazate pe fotonica pe siliciu folosite pentru aplicații precum transmisia de date ultrarapidă și spectroscopie de precizie, ceva ce ar fi părut de neimaginat acum un deceniu.
Aplicații și produse emergente: Pe lângă aplicațiile de bază, în 2025 apar câteva noi cazuri de utilizare. Unul este calculul optic pentru AI (discutat anterior), care trece de la demonstrații de cercetare la produse timpurii – de exemplu, Lightelligence a prezentat un hardware de calcul fotonic pentru accelerarea inferenței AI. Un alt exemplu sunt legăturile optice chip-la-chip în ambalarea avansată: pe măsură ce companiile explorează module multichip și chiplet-uri, legăturile optice pot conecta aceste chiplet-uri la viteză mare printr-un pachet sau un interposer. Standardele precum UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express) iau chiar în considerare extensii optice PHY. Vedem, de asemenea, interes guvernamental: DARPA și alte agenții au programe pentru a folosi interconectări fotonice în sistemele de apărare (pentru procesare de înalt nivel și rutare de semnal RF). Iar în zona de consum, există speculații că în câțiva ani, I/O optic ar putea apărea în dispozitive de consum – de exemplu, o cască AR/VR care folosește un cip fotonic pe siliciu pentru legături de senzori cu lățime mare de bandă, sau un cablu Thunderbolt optic pentru ochelari AR. Deși nu sunt încă aici, aceste idei sunt pe planșetă.

În rezumat, 2025 găsește fotonica pe siliciu într-un punct de inflexiune: produse comerciale semnificative sunt lansate (mai ales în rețelistică), investiții uriașe sunt direcționate, iar ecosistemul se maturizează. Devine din ce în ce mai clar că optica va juca un rol fundamental în calcul și conectivitate de acum înainte. După cum a spus un comentator din industrie, în a doua jumătate a acestui deceniu mulți se așteaptă ca I/O-ul optic să treacă de la linii pilot la producție de masă – „generația de procesoare din 2025 s-ar putea să nu aibă fotonică pe siliciu, dar generația din 2026 ar putea avea, iar cea din 2027 aproape sigur va avea”, pentru că, în cele din urmă, nu avem de ales – „timpul cuprului a expirat.” nextplatform.com

Provocări și limitări

În ciuda tuturor entuziasmului, fotonica pe siliciu se confruntă cu mai multe provocări și limitări pe care cercetătorii și inginerii lucrează activ să le depășească. Este o tehnologie transformatoare, dar nu o soluție magică – cel puțin nu încă. Iată principalele obstacole:

Integrarea surselor de lumină: Poate cea mai notorie limitare este că siliciul nu este bun la generarea luminii. Siliciul are o bandă de energie indirectă, ceea ce înseamnă că nu poate acționa ca un laser sau LED eficient. După cum spune direct pionierul fotonicii John Bowers, „Siliciul este incredibil de prost ca emițător de lumină.” nature.com Eficiența sa internă este aproape zero – aproximativ unul dintr-un milion de electroni din siliciu va produce un foton – în timp ce semiconductori de tip III-V precum fosfura de indiu sau arsenura de galiu pot emite lumină cu o eficiență aproape de 100% nature.com. Aceasta înseamnă că, pentru a avea lasere pe un cip fotonic din siliciu, de obicei trebuie să introduci alte materiale. Acest lucru se poate face prin integrare hibridă (lipirea unei bucăți de wafer de InP cu diode laser pe waferul de siliciu) sau prin tehnici mai noi, cum ar fi creșterea directă a laserelor nanostructurate III-V pe siliciu. Progresele în acest domeniu sunt promițătoare: companii și laboratoare (Intel, UCSB etc.) au demonstrat lasere integrate hibrid la scară, iar recent chiar lasere cu puncte cuantice crescute pe waferi de siliciu de 300 mm cu fiabilitate bună nature.com nature.com. Totuși, integrarea laserelor adaugă complexitate și costuri. Dacă laserul este în afara cipului (într-un modul laser separat, cuplat prin fibră), atunci te confrunți cu provocarea de a cupla eficient acea lumină în ghidurile de undă minuscule de pe cip. Pe scurt, aducerea luminii pe cip este o sarcină deloc trivială. Industria explorează soluții precum integrarea eterogenă (mai multe materiale pe un singur cip) și chiar abordări noi, cum ar fi laserele Germanium-Silicon pompate electric sau laserele Raman pe siliciu, dar acestea sunt încă în curs de dezvoltare. În 2025, majoritatea sistemelor de fotonică pe siliciu folosesc fie lasere hibride, fie lasere externe cuplate. Aceasta este o zonă cheie de cercetare continuă.
Producție și randament: Circuitele fotonice pe siliciu pot fi fabricate în fabrici existente, dar au cerințe diferite față de cipurile electronice. De exemplu, optica necesită un control foarte precis al dimensiunilor – variații de doar câțiva nanometri în lățimea sau distanța ghidajelor de undă pot modifica lungimea de undă a rezonatorilor sau faza luminii. Obținerea unui randament ridicat (adică performanță consistentă pe mai multe cipuri) este o provocare. Mai mult, integrarea mai multor tipuri de materiale (siliciu, nitrură de siliciu, III-V, metale) într-un singur flux de proces poate introduce complexitate. Cuplarea fibrelor la cip este, de asemenea, o provocare de randament și producție; alinierea fibrelor optice minuscule la fațetele ghidajelor de undă la scară micronică implică adesea aliniere activă costisitoare. Unele dintre aceste etape sunt încă semi-manuale în producție, ceea ce nu se scalează bine. Există multă muncă pentru îmbunătățirea tehnicilor de ambalare, cum ar fi utilizarea unor unități standardizate de atașare a fibrelor sau încorporarea de cuplori cu rețea care permit fibrelor să cupleze lumina de deasupra cipului mai ușor. Ambalarea cipurilor combinate electronice + fotonice este și ea dificilă – de exemplu, dacă ai o matriță fotonică și un ASIC electronic în același pachet, trebuie să le aliniezi și să gestionezi și căldura (deoarece electronica care funcționează la temperaturi ridicate poate perturba fotonica). Ansys menționează că dacă electronica și fotonica împart un cip, abordarea de fabricație trebuie să echilibreze nevoile fiecăruia, iar dacă sunt cipuri separate, este nevoie de ambalare avansată – „generarea de căldură în electronică poate afecta fotonica.” ansys.com Reglarea termică este o altă problemă: multe filtre și modulatoare fotonice pe siliciu se bazează pe efecte termice, astfel încât schimbările de temperatură pot detuna circuitele, necesitând energie pentru stabilizare. Toate acestea complică producția și cresc costurile.
Cost și volum: Vorbind despre cost – deși fotonica pe siliciu promite costuri reduse prin valorificarea fabricilor de siliciu de mare volum, realitatea de astăzi este că aceste dispozitive sunt încă relativ de nișă și scumpe. Industria livrează milioane de unități (ca transceivere în centrele de date), dar pentru a reduce cu adevărat costurile, probabil ar trebui să livreze miliarde de unități anual ansys.com. Cu alte cuvinte, nu a atins încă scara electronicii de larg consum. Dispozitivele necesită adesea și ambalare specializată (după cum s-a menționat) și testare, ceea ce adaugă costuri. Un transceiver fotonic pe siliciu actual pentru centrele de date poate costa sute sau mii de dolari, ceea ce este acceptabil pentru acea piață, dar prea mult pentru piețele de consum. Economia este puțin incertă la scară foarte mare – după cum a subliniat un raport, marii cumpărători de cloud sunt îngrijorați de fiabilitatea și structura de cost dacă ar adopta pe scară largă fotonica pe siliciu, deoarece tehnologia nu a atins încă curba de învățare a producției de siliciu convențional nextplatform.com. Totuși, costurile se îmbunătățesc constant, iar eforturi precum PDK-uri standardizate pentru fabrici și automatizarea ajută. În următorii ani, pe măsură ce volumul crește (impulsionat de AI și centrele de date), ar trebui să vedem scăderea costurilor, ceea ce la rândul său va deschide mai multe piețe (este un ciclu virtuos odată ce începe). Totuși, în 2025 costul per dispozitiv poate fi un factor limitativ pentru adoptarea fotonicii pe siliciu în aplicații sensibile la cost.
Consum de energie și eficiență: Deși fotonica pe siliciu poate reduce consumul de energie pentru transferul de date la viteze foarte mari, dispozitivele în sine consumă totuși energie – de exemplu, modulatorii folosesc adesea reglaj termic sau joncțiuni PN care trag curent, iar laserele, desigur, consumă energie. Există un cost suplimentar pentru conversia semnalelor electronice în optice și invers. Pentru a economisi cu adevărat energie la nivel de sistem, aceste costuri suplimentare trebuie să fie mai mici decât economiile obținute prin eliminarea legăturilor electrice lungi. Transceiverele fotonice pe siliciu de astăzi sunt destul de eficiente energetic (de ordinul câtorva picojouli pe bit pentru conversia optică), dar există presiune pentru a ajunge la valori și mai mici, mai ales dacă I/O optic este folosit pe cip sau în magistrale de memorie unde eficiența trebuie să fie foarte ridicată. O abordare promițătoare este utilizarea materialelor electro-optice (cum ar fi LiNbO3 sau BTO) care pot modula lumina cu tensiuni foarte mici (și deci consum redus de energie) în locul reglajului termic. De asemenea, integrarea unor surse de lumină mai eficiente (cum ar fi laserele cu puncte cuantice) ar putea reduce risipa de energie a laserelor (laserele actuale cu feedback distribuit irosesc adesea multă energie sub formă de căldură). Așadar, deși fotonica pe siliciu abordează problema consumului de energie la nivel macro, la nivel micro inginerii încă optimizează consumul de energie dispozitiv cu dispozitiv. Vestea bună: chiar și cu tehnologia actuală, optica co-ambalată poate reduce consumul total de energie pentru interconectare cu ~30% față de pluggable-urile tradiționale laserfocusworld.com, iar îmbunătățirile viitoare probabil vor crește aceste câștiguri.
Design și unelte de proiectare: Aceasta este o provocare mai puțin evidentă, dar una importantă: proiectarea circuitelor fotonice este un set de abilități nou, iar EDA (Electronic Design Automation) tools pentru fotonică nu sunt la fel de mature ca cele pentru electronică. Simularea circuitelor optice, în special a celor mari cu multe componente, poate fi complexă. Variabilitatea în fabricație trebuie luată în considerare la proiectare (s-ar putea să ai nevoie de reglaje termice pentru a corecta mici erori). Este nevoie de unelte de proiectare mai bune care să poată co-optimize porțiunile electronice și fotonice ale circuitului, adesea numite EPDA (Electronic Photonic Design Automation). Ecosistemul recuperează – companii precum Synopsys, Cadence și Lumerical (Ansys) au unelte pentru proiectare fotonică – dar este încă un domeniu în evoluție. O problemă conexă este lipsa de standarde în unele zone: deși multe foundry-uri oferă PDK-uri, fiecare poate avea biblioteci de componente și parametri diferiți. Acest lucru poate face ca proiectele să fie mai puțin portabile decât cele electronice. Industria se îndreaptă spre standarde comune (de exemplu, formatul de schimb de layout pentru circuite fotonice sau modele standardizate de componente), dar este nevoie de mai multă muncă pentru a eficientiza fluxul de proiectare. Construirea unui pipeline robust de talente este, de asemenea, crucială: sunt necesari ingineri care să înțeleagă atât proiectarea în stil RF/microunde analogic, cât și fizica optică, iar aceștia sunt puțini (deși multe universități produc acum absolvenți în această disciplină mixtă).
Limitări de performanță: Chiar dacă fotonica pe siliciu îmbunătățește dramatic anumite metrici, are propriile limitări fizice. Pierderile optice în ghidurile de undă, deși mici (~dB/cm), se acumulează în circuite mari, iar curbele strânse sau caracteristicile mici pot crește pierderile. Există, de asemenea, pierderi de cuplare fibră-chip care trebuie minimizate. Sensibilitatea termică a siliciului (indicele de refracție se schimbă cu temperatura) înseamnă că multe circuite fotonice pe siliciu au nevoie de stabilizare sau calibrare. Limitările de lățime de bandă pot apărea la modulatoare sau detectoare – de exemplu, modulatorii inelari pe siliciu au o lățime de bandă finită și pot fi sensibili la temperatură, în timp ce modulatorii Mach-Zehnder necesită o proiectare atentă pentru a atinge viteze foarte mari fără distorsiuni. Dispersia cromatică în ghidurile de undă poate limita aplicațiile pe lungimi de undă foarte largi (deși de obicei nu este o problemă pe distanțele scurte de pe cip). Un alt aspect subtil: integrarea electronică-fotonică înseamnă că de multe ori trebuie să co-proiectezi electronica (cum ar fi amplificatoarele de driver, TIA pentru detectoare) cu fotonica. Interfața dintre ele poate limita performanța generală (de exemplu, dacă un modulator are nevoie de o anumită amplitudine de tensiune, ai nevoie de un driver care să o poată livra rapid). Astfel, ingineria de sistem este complexă. Mai mult, nu toate aplicațiile justifică fotonica – pentru legături foarte scurte, de viteză mică, soluțiile electrice pot fi încă mai ieftine și mai simple. Deci, a ști unde să implementezi fotonica pe siliciu pentru beneficii maxime este în sine o considerare.

În concluzie, deși niciuna dintre aceste provocări nu este de netrecut, ele înseamnă, luate împreună, că fotonica pe siliciu mai are încă de evoluat. Mulți dintre cei mai străluciți specialiști în fotonică și electronică abordează activ aceste probleme: integrarea unor lasere mai bune, îmbunătățirea ambalării, scalarea producției și extinderea capacităților de proiectare. Progresele chiar și din ultimii ani sunt încurajatoare. După cum a menționat Prof. Bowers, provocări precum integrarea laserelelor III-V în CMOS, îmbunătățirea randamentelor și atașarea fibrelor, precum și reducerea costurilor sunt toate abordate cu „progrese… foarte rapide.” nature.com Fiecare an aduce îmbunătățiri, iar diferența dintre prototipul de laborator și producția de masă devine puțin mai mică. Merită să ne amintim că CI-urile electronice au avut nevoie de decenii de efort intens pentru a ajunge la scara de astăzi – fotonica pe siliciu, prin comparație, se află într-o fază mult mai timpurie a călătoriei sale, dar recuperează rapid.

Companii și instituții de top în domeniu

Fotonica pe siliciu a devenit un efort global, cu multe companii (de la startup-uri la giganți tehnologici) și instituții de cercetare care impulsionează domeniul. Conform cercetărilor de piață, principalii jucători pe piața fotonicii pe siliciu (în 2025) includ nume mari din industrie precum Cisco, Intel și IBM, alături de specialiști precum NeoPhotonics (Lumentum), Hamamatsu Photonics și STMicroelectronics expertmarketresearch.com. Iată o prezentare generală a unor contribuitori cheie:

Intel Corporation (SUA): Un pionier în fotonica pe siliciu, Intel a investit devreme și masiv în această tehnologie. A introdus unul dintre primele transceivere fotonice pe siliciu de 100G în 2016 și a livrat milioane de dispozitive de atunci optics.org. Intel folosește fotonica pe siliciu în transceivere optice de mare viteză și o împinge spre viitoarele procesoare de servere și aplicații edge. Viziunea companiei este să „permită creșterea viitoare a lățimii de bandă a centrelor de date” cu ajutorul fotonicii, scalând de la 100G la 400G și mai mult, și să integreze optica cu procesoarele pentru aplicații precum 5G și vehicule autonome expertmarketresearch.com, tanaka-preciousmetals.com. Divizia de Fotonica pe Siliciu a Intel a încheiat recent un parteneriat cu Jabil pentru producție, indicând o maturizare spre producția la scară mare optics.org. Intel cercetează, de asemenea, optica co-ambalată pentru switch-uri și deține participații în numeroase startup-uri fotonice (precum Ayar Labs).
Cisco Systems (SUA): Cisco, un gigant al rețelisticii, a intrat în fotonica pe siliciu prin achiziții (de exemplu, achiziționarea Luxtera în 2019) și acum este un furnizor de top de transceivere optice fotonice pe siliciu pentru centre de date și telecomunicații. Cisco folosește tehnologia sa fotonică în produse care variază de la module pluggable 100G/400G la viitoare switch-uri optice co-ambalate. Soluțiile Cisco beneficiază de proiectarea internă a circuitelor integrate fotonice care ating densitate mare și eficiență energetică. Prin valorificarea fotonicii pe siliciu, Cisco oferă clienților interconectări de mare viteză cu factori de formă mai mici. În 2025, Cisco este unul dintre liderii de piață care livrează fotonică pe siliciu la scară expertmarketresearch.com.
IBM Corporation (SUA): IBM are o istorie îndelungată în cercetarea interconectărilor optice. Echipa sa de Fotonica pe Siliciu, cu peste un deceniu de cercetare și dezvoltare, a dezvoltat tehnologie de legătură optică de mare viteză destinată interconectărilor la nivel de placă și procesor expertmarketresearch.com. Cercetarea IBM a produs progrese în modulatoarele microring pe siliciu, multiplexarea pe lungimi de undă și ambalare. Deși IBM nu vinde transceivere ca Intel sau Cisco, colaborează adesea la prototipuri (de exemplu, IBM și Mellanox au prezentat o interconectare optică pentru servere în 2015). Accentul IBM este pe utilizarea fotonicii pentru a rezolva blocajele de calcul (de exemplu, procesorul POWER10 folosește legături fotonice pentru semnalizare off-chip prin parteneriate). IBM contribuie, de asemenea, la standarde și cercetare deschisă; lucrările sale apar frecvent la conferințe precum OFC și CLEO.
NeoPhotonics/Lumentum (SUA): NeoPhotonics (acum parte a Lumentum din 2022) este specializată în lasere și componente fotonice pentru telecomunicații și centre de date. Ei au dezvoltat lasere cu lumină ultra-pură reglabilă și modulatoare de mare viteză. Notabil, NeoPhotonics a introdus subansambluri optice coerente fotonice pe siliciu (COSA) pentru comunicații de 400G per lungime de undă și a efectuat cercetări pentru 800G și mai mult expertmarketresearch.com. Ca parte a Lumentum (un jucător major în industria optică), această expertiză contribuie la transceivere și pluggable-uri coerente de nouă generație pentru telecomunicații. Deținerea de către Lumentum înseamnă că aceste produse de fotonică pe siliciu pot fi integrate cu portofoliul fotonic existent al Lumentum (de exemplu, modulatorii și amplificatoarele lor din fosfură de indiu).
Hamamatsu Photonics (Japonia): Un lider în componente optoelectronice, Hamamatsu produce o gamă largă de dispozitive fotonice (fotodiode, fotomultiplicatori, senzori de imagine etc.). Hamamatsu a adoptat procesele pe siliciu pentru a produce, de exemplu, matrice de fotodiode pe siliciu și senzori optici pe bază de siliciu expertmarketresearch.com. Deși nu este la fel de concentrat pe transceivere de mare viteză, activitatea Hamamatsu în domeniul fotonicii pe siliciu este esențială pentru senzori și instrumentație științifică. Ei furnizează fotodiode PIN pe siliciu, APD-uri și cipuri de senzori optici care sunt fundamentale pentru receptoarele de comunicații optice și detectorii LiDAR. Expertiza lor în fotonică cu zgomot redus și sensibilitate ridicată completează partea de comunicații digitale a fotonicii pe siliciu.
STMicroelectronics (Elveția/Europa): STMicro este un mare producător de semiconductori care și-a dezvoltat propria capacitate de fotonică pe siliciu. Accentul STMicro a fost pe soluții integrate de imagistică și detecție – de exemplu, au produs cipuri fotonice pe siliciu pentru giroscoape cu fibră optică și au lucrat la cercetare și dezvoltare pentru interconectări optice în consorții europene. Fabricile avansate și capacitatea MEMS ale STMicro o poziționează bine pentru fotonica pe siliciu care necesită integrare cu alți senzori sau electronice expertmarketresearch.com. Țări precum Franța și Italia (unde ST are operațiuni majore) susțin fotonica prin inițiative, iar ST este adesea partener în acestea. De asemenea, se zvonește că furnizează unele componente fotonice pe siliciu pentru sisteme industriale și auto.
GlobalFoundries (SUA) și TSMC (Taiwan): Acești producători de cipuri la comandă au fiecare oferte de fotonică pe siliciu. GlobalFoundries are un proces de fotonică pe siliciu de 45 nm bine-cunoscut (GF 45CLO) și a colaborat cu startup-uri precum Ayar Labs pentru a fabrica cipuri de I/O optic. TSMC a fost mai secretos, dar se pare că lucrează cu mari companii tehnologice pentru a construi cipuri fotonice integrate (de exemplu, unele zvonuri despre Apple sugerează implicarea TSMC în senzori fotonici). Ambele sunt critice pentru scalarea producției – implicarea unor mari fabrici înseamnă că orice companie fabless poate obține mai ușor prototipuri și producție de volum pentru cipuri fotonice. De fapt, implicarea unor fabrici precum acestea este un indicator puternic că fotonica pe siliciu devine mainstream.
Infinera (SUA) și Coherent/II-VI (SUA): Infinera este un producător de echipamente de telecomunicații care a promovat de timpuriu circuitele fotonice integrate (deși pe fosfură de indiu). Între timp, au adoptat și utilizarea fotonicii pe siliciu în unele produse sau pentru co-ambalare cu PIC-urile lor InP. Coherent (care a achiziționat Finisar și ulterior a preluat numele Coherent) este profund implicată în componente optice; au propriile fabrici InP, dar dezvoltă și transceivere fotonice pe siliciu pentru centre de date optics.org. Aceste companii aduc un accent de nivel telecom pe fiabilitate și performanță, determinând fotonica pe siliciu să atingă cerințele de clasă carrier (de exemplu, module 400ZR pentru legături coerente pe distanță).
Ayar Labs, Lightmatter și startup-uri: Un val de startup-uri inovatoare propulsează fotonica pe siliciu în noi domenii. Am discutat despre Ayar Labs (I/O optic pentru AI/HPC) și Lightmatter (calcul optic). Altele includ Lightelligence (un alt startup de cipuri AI optice), Luminous Computing (integrarea fotonicii și electronicii pentru AI), Celestial AI (rețelistică optică pentru clustere de calcul), OpenLight (un joint venture care oferă o platformă fotonică deschisă cu lasere integrate) și Rockley Photonics (axată pe senzori de sănătate, acum în mare parte achiziționată de Celestial). Aceste startup-uri se remarcă prin abordări ambițioase – de exemplu, nucleul tensor fotonic 3D-integrat al Lightmatter sau încercarea Luminous de a construi un computer fotonic full-stack. Ele colaborează adesea cu companii mari (de exemplu, HPE a colaborat cu Ayar Labs pentru a folosi interconectări optice într-o structură de interconectare pentru supercomputere nextplatform.com). Scena startup-urilor este vibrantă, iar prezența lor i-a determinat pe jucătorii consacrați să se miște mai rapid. Un observator al industriei a remarcat că, alături de Ayar, companii precum Lightmatter și Celestial AI „toate au o șansă să facă progrese, deoarece fotonica pe siliciu face legătura între motoarele de calcul și interconectări.” nextplatform.com
Instituții academice și de cercetare: Pe partea instituțională, universitățile de top și laboratoarele naționale joacă un rol crucial în avansarea fotonicii pe siliciu. University of California, Santa Barbara (UCSB), sub conducerea prof. John Bowers, a fost un centru de putere, pionierând lasere hibride pe siliciu și lasere cu puncte cuantice pe siliciu. MIT, Stanford, Columbia (cu grupul prof. Michal Lipson) și Caltech sunt alte centre importante de cercetare în fotonică pe siliciu din SUA, lucrând la totul, de la fizica noilor modulatori până la arhitecturi de calcul fotonic. În Europa, IMEC din Belgia conduce un program proeminent de fotonică pe siliciu și un serviciu de wafer multi-proiect (iSiPP), iar University of Southampton, TU Eindhoven, EPFL și altele au grupuri puternice. Institutul AIM Photonics din SUA (menționat mai sus) reunește multe dintre aceste universități și companii pentru a colabora și oferă o capacitate națională de fabricare. Laboratoare guvernamentale precum MIT Lincoln Lab și IMEC au demonstrat chiar fotonică integrată sofisticată pentru apărare (de exemplu, rețele fazate optice pentru LiDAR). Mai mult, colaborările și conferințele internaționale (precum Optical Fiber Conference, ISSCC, întâlnirile IEEE Photonics Society) permit acestor instituții să împărtășească descoperiri. Domeniul beneficiază de un flux sănătos între mediul academic și industrie: mulți fondatori de startup-uri și lideri din industrie au fost formați în aceste laboratoare de cercetare, iar cercetarea academică continuă să împingă limitele (de exemplu, integrarea de noi materiale sau fotonica cuantică, după cum s-a menționat).

Toți acești actori – marile companii tech, producătorii specializați de componente, startup-urile ambițioase și laboratoarele de cercetare de ultimă oră – formează un ecosistem bogat care împinge colectiv fotonica pe siliciu înainte. Competiția și colaborarea dintre ei accelerează inovația. Notabil, chiar și geopolitica joacă un rol: există conștientizarea unei curse între SUA, Europa și China pentru a conduce în tehnologiile fotonice csis.org, având în vedere importanța sa strategică pentru comunicații și calcul. Acest lucru a dus la creșterea investițiilor publice (de exemplu, PhotonHub al UE și inițiativele naționale de fotonică ale Chinei). Pentru entuziaștii tehnologiei, concluzia este că mulți oameni inteligenți și resurse serioase la nivel global sunt investite pentru ca cipurile viitorului să comunice cu lumină.

Perspective și citate de la experți

De-a lungul ascensiunii fotonicii pe siliciu, experții din domeniu au oferit perspective care ajută la contextualizarea impactului său. Iată câteva idei notabile:

Despre schimbarea de paradigmă în fotonica pe siliciu: „Am descris adesea fotonica pe siliciu ca fiind mai mult decât o îmbunătățire incrementală — este o schimbare de paradigmă”, spune René Jonker, un executiv la Soitec, subliniind că, spre deosebire de interconectările din cupru care își ating limitele, legăturile optice oferă o modalitate sustenabilă de a gestiona cererea tot mai mare de date. Deși rămân provocări legate de reducerea costurilor și scalarea producției, beneficiile – „lățime de bandă mai mare, latență redusă și consum de energie mai mic” – fac ca fotonica pe siliciu să fie „o parte indispensabilă a infrastructurii noastre viitoare.” laserfocusworld.com
Despre consumul de energie și optică în centrele de date: Un comentariu din 2025 în Laser Focus World a evidențiat urgența din centrele de date: până la sfârșitul deceniului, centrele de date ar putea consuma 8% din electricitatea SUA dacă tendințele continuă, ceea ce este „nesustenabil cu interconectările electrice existente.” Autorul a concluzionat că „interconectările optice, permise de fotonica pe siliciu, sunt singura cale scalabilă înainte.” laserfocusworld.com Cu alte cuvinte, pentru a evita o criză de energie și lățime de bandă, trecerea la legături optice nu este doar o opțiune – este necesară.
Despre provocările integrării: Profesorul John Bowers (UCSB), o personalitate marcantă în domeniul fotonicii, a comentat asupra celei mai mari provocări: „Principala provocare este integrarea materialelor III–V în CMOS pe siliciu… Mai există probleme legate de randamente ridicate, fiabilitate ridicată, reducerea costurilor și atașarea fibrei. Ambalarea electronicii și fotonicii împreună este o provocare… Dar progresul este foarte rapid.” nature.com Acest lucru subliniază că, deși integrarea laserelor (materiale III–V) și obținerea unor randamente perfecte este dificilă, liderii din industrie precum Intel fac progrese constante, iar soluțiile sunt la orizont.
Despre emisia de lumină în siliciu: În același interviu, Bowers a oferit o explicație plastică despre motivul pentru care laserele au nevoie de altceva decât siliciu: „Siliciul este incredibil de slab ca emițător de lumină. Eficiența sa cuantică internă este de aproximativ una la un milion, în timp ce eficiența unui material III–V cu bandă directă este practic 100%. Am știut de la început că avem nevoie de un semiconductor cu bandă directă…” nature.com. Această evaluare sinceră explică de ce echipa sa a urmărit încă de la început laserele hibride (lipirea InP pe Si) – o abordare care a dat roade odată cu laserul hibrid pe siliciu al Intel din 2007 și ulterior.

optica ajunge până la server

tanaka-preciousmetals.com

Despre creșterea pieței și AI: “Ascensiunea AI a generat o cerere fără precedent pentru transceivere de înaltă performanță… Fotonică pe siliciu și PIC-urile sunt în fruntea acestei revoluții,” observă Sam Dale, analist tehnologic la IDTechX, remarcând capacitatea fotonicii pe siliciu de a oferi “viteze de 1,6 Tbps și peste.” optics.org Raportul său prevede că piața circuitelor integrate fotonice ar putea crește de aproape zece ori până în 2035 (până la 54 miliarde de dolari), impulsionată în mare parte de nevoile centrelor de date AI optics.org.
Despre viitorul calculului: Analiștii de la The Next Platform prevăd că I/O optic va ajunge iminent în sistemele HPC. Ei notează că până în 2026–2027, probabil vom vedea CPU/GPU mainstream cu interfețe optice, deoarece “pe termen scurt, nu avem de ales.” În formularea lor colorată, “Timpul cuprului a expirat.” nextplatform.com Acest lucru rezumă un sentiment comun în industrie: legăturile electrice nu vor fi suficiente pentru următoarea eră a calculului, iar fotonica trebuie să preia controlul pentru a evita atingerea unui impas.

Aceste perspective ale experților subliniază atât promisiunea, cât și obstacolele fotonicii pe siliciu. Există o temă constantă: fotonica pe siliciu este transformatoare – permițând un salt necesar de performanță – dar vine cu provocări tehnologice serioase care sunt abordate rapid. Experții evidențiază un amestec de optimism (schimbarea de paradigmă, viitor indispensabil) și realism (probleme de integrare, preocupări legate de cost și scalare). Perspectivele lor ajută publicul larg să înțeleagă de ce atât de multe companii și cercetători sunt entuziasmați de fotonica pe siliciu, dar și de ce a fost nevoie de câteva decenii pentru ca această tehnologie să decoleze. Să auzi direct de la cei din prima linie – fie că este un cercetător veteran sau un manager de produs – oferă contextul că acesta este un domeniu unde fizica, ingineria și forțele pieței se intersectează în moduri fascinante.

Știri și repere recente

Peisajul fotonicii pe siliciu este foarte dinamic. Iată câteva noutăți recente și repere (din ultimul an sau cam așa) care ilustrează progresul rapid al domeniului:

Celestial AI achiziționează IP-ul Rockley Photonics (oct 2024): Celestial AI, un startup care dezvoltă interconectări optice Photonic Fabric™ pentru AI, a anunțat că a achiziționat portofoliul de brevete de fotonică pe siliciu al Rockley Photonics pentru 20 de milioane de dolari datacenterdynamics.com. Rockley dezvoltase senzori fotonici avansați pe siliciu și se reorientase către dispozitive purtabile pentru sănătate înainte de a intra în faliment. Această tranzacție a oferit Celestial AI peste 200 de brevete, inclusiv tehnologie pentru modulatoare electro-optice și comutare optică utilă în aplicații pentru centre de date datacenterdynamics.com. Este o consolidare semnificativă, indicând cât de valoroasă a devenit proprietatea intelectuală în domeniul fotonicii pentru AI/centre de date. Inovațiile Rockley (precum laserele broadband pentru detecție) ar putea prinde o nouă viață integrate în soluțiile de interconectare optică ale Celestial.
Finanțare majoră pentru startup-uri – Ayar Labs & Lightmatter (final 2024): Două startup-uri americane au obținut runde mari de finanțare. Ayar Labs a încheiat o rundă Series D de 155 de milioane de dolari în decembrie 2024, cu participarea unor lideri din industria semiconductorilor (Nvidia, Intel, AMD au contribuit alături de fonduri de investiții) nextplatform.com. Această rundă a ridicat evaluarea Ayar la peste 1 miliard de dolari, semnalând încredere în tehnologia sa de I/O optic integrat, care își propune să înlocuiască I/O-ul electric în procesoarele viitoare. Cu doar câteva săptămâni înainte, Lightmatter a strâns 400 de milioane de dolari în Series D (oct 2024), dublându-și finanțarea totală și ajungând la o evaluare de 4,4 miliarde de dolari nextplatform.com. Lightmatter dezvoltă cipuri de calcul fotonic și tehnologie de interposer optic pentru accelerarea AI. Astfel de investiții mari sunt remarcabile – arată că investitorii (și partenerii strategici) cred că aceste startup-uri pot rezolva probleme critice în AI și computing cu tehnologie optică. De asemenea, înseamnă că ne putem aștepta ca aceste companii să treacă de la prototipuri la produse; de altfel, Lightmatter a început deja să implementeze sisteme de test, iar chiplet-urile optice Ayar sunt programate pentru utilizare pilot în sisteme HPC.
Intel externalizează transceiverele către Jabil (sfârșitul lui 2023): Într-o mișcare interesantă, Intel a decis la sfârșitul lui 2023 să transfere afacerea sa de transceivere fotonice cu volum mare către Jabil, un partener de producție optics.org. Intel livrase peste 8 milioane de cipuri transceiver fotonice din 2016 optics.org – acestea sunt folosite pentru conectivitate 100G/200G în centrele de date. Prin predarea producției către Jabil (un producător la comandă), Intel a semnalat o schimbare strategică: se va concentra pe integrarea fotonicii cu platformele sale de bază (precum optica co-ambalată și fotonica pe procesor), lăsând unui partener gestionarea pieței de transceivere comoditizate. Această mișcare reflectă și maturizarea industriei – ceea ce era tehnologie de vârf acum câțiva ani (pluggable 100G) este acum suficient de rutinier pentru a fi externalizat. Jabil, la rândul său, își dezvoltă producția optică, care ar putea deservi și alți clienți. Colaborarea dintre Intel și Jabil a fost evidențiată ca o dezvoltare cheie în industrie de către analiști optics.org, fiind menționată ca parte a evoluției ecosistemului.
InnoLight prezintă modulul de 1,6 Tb/s (sfârșitul lui 2023): În cursa pentru viteze mai mari, InnoLight, o companie chineză de transceivere optice, a anunțat că a realizat un prototip de transceiver optic de 1,6 terabiți pe secundă optics.org. Acesta implică probabil mai multe lungimi de undă (de exemplu, 16×100G sau 8×200G canale) pe o platformă fotonică pe siliciu. Atingerea a 1,6 Tb/s într-un singur modul cu un an înaintea unor competitori arată creșterea capacității Chinei în domeniul fotonicii pe siliciu. Modulul InnoLight ar putea fi folosit pentru uplink-uri de switch top-of-rack sau pentru conectarea sistemelor AI. Este, de asemenea, un indiciu că modulele de 3,2 Tb/s (care ar folosi, de exemplu, 8 lungimi de undă la 400G fiecare) nu sunt departe – de fapt, IDTechX a prognozat module de 3,2 Tb/s până în 2026 optics.org. Acesta a fost un record care a atras atenția și subliniază competiția globală intensă; Coherent (SUA) și alții lucrează, de asemenea, la modele de 1,6T și 3,2T optics.org.
Progresul cipului cuantic fotonic al PsiQuantum (2024): Pe frontul cuantic, PsiQuantum (care este secretă, dar se știe că lucrează cu GlobalFoundries) a publicat un studiu care prezintă o cale către un computer cuantic fotonic tolerant la pierderi și a anunțat un cip numit „Omega” pentru arhitectura lor cuantică fotonică thequantuminsider.com. Deși nu este încă un produs comercial, acest lucru arată că hardware-ul pentru calculul cuantic fotonic avansează – cu fotonica pe siliciu în centrul său. Abordarea PsiQuantum necesită integrarea a mii de surse și detectoare de fotoni unici. Noutatea aici este validarea fabricabilității: un articol în Nature din 2022 a demonstrat componente cheie (surse, filtre, detectoare) pe un singur cip fotonic pe siliciu care ar putea fi scalat nature.com. Acest lucru sugerează că sunt pe drumul cel bun pentru o etapă importantă în jurul mijlocului anilor 2020 – începutul anilor 2030 pentru un prototip de computer cuantic optic cu un milion de qubiți (scopul lor pe termen lung). Astfel de dezvoltări, deși de nișă, sunt urmărite cu atenție deoarece ar putea redefini calculul de înaltă performanță.
Startup-uri de fotonică pe bază de niobat de litiu finanțate (2023): După cum s-a menționat, două startup-uri care se concentrează pe integrarea LiNbO₃ cu fotonica pe siliciu, HyperLight (SUA) și Lightium (Elveția), au strâns împreună 44 de milioane de dolari în 2023 optics.org. Știrea despre finanțare a fost notabilă deoarece evidențiază o tendință: adăugarea de materiale noi la fotonica pe siliciu pentru a depăși barierele de performanță. Aceste companii promovează modulatoare care pot funcționa cu o liniaritate mai mare și pe o gamă largă de lungimi de undă (de la vizibil la IR mediu) cu pierderi foarte mici optics.org. Aplicația imediată ar putea fi modulatoare ultrarapide pentru comunicații sau dispozitive specializate pentru fotonica cuantică și RF. Ideea mai largă este că și comunitatea de investiții susține inovația în materiale în fotonică, nu doar startup-urile mai evidente de transceivere. Este un semn că chiar și progresele din știința materialelor (cum ar fi TFLN pe izolator) pot trece rapid la startup-uri și produse în acest domeniu.
Actualizări privind standardele și consorțiile (2024–25): Au avut loc evoluții pe frontul standardizării. Continuous-Wave WDM MSA (un consorțiu care definește module standard de surse de lumină pentru optica co-ambalată) a livrat specificații inițiale pentru surse laser comune care pot alimenta mai multe cipuri fotonice. Acest lucru este important pentru a asigura compatibilitatea multi-vendor pentru optica co-ambalată. De asemenea, consorțiul UCIe (pentru interconectarea chiplet-urilor) a format un grup de lucru optic pentru a analiza modul în care legăturile optice între chiplet-uri ar putea fi standardizate. Între timp, organizații precum COBO (Consortium for On-Board Optics) și CPO Alliance au organizat summituri (de exemplu, la OFC 2024) discutând cele mai bune practici pentru optica co-ambalată ansys.com. Toate acestea arată că industria recunoaște nevoia de a armoniza interfețele și de a evita o fragmentare care ar putea încetini adoptarea. Știri recente de la IEEE au indicat, de asemenea, progrese privind standardele Ethernet 1.6T și standardele aferente de interfață optică ce presupun utilizarea tehnologiilor fotonice pe siliciu.
Lansări de produse: Pe partea de produse, vedem deja hardware care apare pe piață:
- Module pluggabile 800G: Mai mulți furnizori (Intel, Marvell/Inphi, etc.) au început să livreze mostre de module 800G QSFP-DD și OSFP în 2024 care folosesc fotonică pe siliciu la interior. Acestea sunt probabil să fie implementate în switch-uri și rețele din 2025.
- Kituri demo CPO: Companii precum Ranovus și IBM au demonstrat kituri de dezvoltare pentru optica co-ambalată – un precursor al produselor comerciale CPO. De exemplu, prototipul de cercetare al IBM pentru un switch co-ambalat a fost prezentat funcțional, iar Ranovus are un modul CPO cu 8×100G lungimi de undă.
- Produse Lidar fotonice pe siliciu: Innovusion (China) și Voyant Photonics (SUA) au anunțat progrese în LiDAR-ul lor fotonic pe siliciu. Cel mai recent LiDAR al Innovusion pentru vehicule folosește unele componente fotonice pe siliciu pentru a obține FMCW la un cost competitiv. Voyant, un startup provenit din cercetarea de la Universitatea Columbia, vinde de fapt un modul LiDAR solid-state de dimensiuni mici, bazat pe fotonică pe siliciu, pentru utilizare pe drone și roboți.
- Chiplet-uri I/O optice: Până la mijlocul anului 2025, Ayar Labs plănuiește să aibă chiplet-ul său TeraPHY pentru I/O optic și sursa laser SuperNova în testare timpurie la clienți, oferind o legătură optică de 8 Tbps pentru sisteme HPC. Dacă acest lucru rămâne pe drumul cel bun, ar putea fi una dintre primele implementări ale I/O optic într-un sistem de calcul (probabil într-un laborator guvernamental sau un supercomputer pilot până în 2025–26).

Valul de știri recente conturează imaginea unui domeniu care avansează rapid pe mai multe fronturi: de la progrese în viteză (optică 1.6T) la mișcări strategice majore (externalizarea Intel, runde mari de finanțare) și implementări în premieră (motoare optice pentru AI). Este o perioadă interesantă, deoarece aceste evoluții indică faptul că fotonica pe siliciu trece de la o tehnologie promițătoare la o realitate comercială cu impact tot mai mare asupra produselor și industriilor.

Pentru publicul larg, concluzia principală din toate aceste știri este că fotonica pe siliciu nu este o promisiune îndepărtată – se întâmplă chiar acum. Companiile investesc bani și resurse în acest domeniu, produse reale sunt deja livrate, iar fiecare trimestru aduce noi repere care doboară recordurile anterioare. Este un domeniu care evoluează rapid, iar chiar și cititorii familiarizați cu tehnologia ar putea fi surprinși de cât de repede au apărut lucruri precum „chipleturi optice” sau „module de 1,6 terabiți”. Știrile subliniază, de asemenea, că aceasta este o cursă globală – cu activitate semnificativă în SUA, Europa și Asia – și că acoperă totul, de la startup-uri deep tech până la cele mai mari companii de cipuri și furnizori de rețea.

Perspective de viitor și previziuni

Privind spre viitor, fotonica pe siliciu pare extrem de promițătoare, cu potențialul de a redefini calculul și comunicațiile în următorul deceniu. Iată câteva previziuni și așteptări pentru ceea ce ne rezervă viitorul:

Adoptare pe scară largă în domeniul calculului: Până la sfârșitul anilor 2020, ne putem aștepta ca fotonica pe siliciu să fie o caracteristică standard în sistemele de calcul de top. După cum s-a menționat, până în 2026–2027 ar trebui să apară primele CPU, GPU sau acceleratoare AI cu I/O optic integrat nextplatform.com. Inițial, acestea pot fi prezente pe piețe specializate (supercomputere, sisteme de tranzacționare de înaltă frecvență, clustere AI de ultimă generație), dar vor deschide calea pentru o adoptare mai largă. Odată ce tehnologia este dovedită și volumele cresc, I/O-ul optic ar putea ajunge și în servere și dispozitive mainstream în anii 2030. Imaginați-vă servere rack în care fiecare CPU are porturi de fibră optică direct pe pachet, conectate la un switch optic top-of-rack; acest lucru ar putea deveni obișnuit. Blocajul de memorie ar putea fi, de asemenea, rezolvat prin legături optice – de exemplu, conectarea modulelor de memorie optic la procesoare pentru a permite o lățime de bandă mai mare la distanță (unii cercetători vorbesc despre „dezagregarea memoriei optice” pentru pool-uri mari de memorie partajată). În concluzie, centrul de date al viitorului (și, prin extensie, serviciile cloud ale viitorului) va fi probabil construit pe o rețea de interconectări optice la fiecare nivel, facilitate de fotonica pe siliciu.
Rețele Terabit pentru Toți: Capacitatea legăturilor de rețea va continua să crească spectaculos. Vorbim despre 1,6 Tb/s, 3,2 Tb/s, chiar 6,4 Tb/s transceivere optice într-un singur modul până la începutul anilor 2030. Aceste viteze sunt uluitoare – o legătură de 3,2 Tb/s ar putea transfera un film 4K într-o fracțiune de milisecundă. Deși aceste viteze vor fi folosite în backbone-urile centrelor de date și rețelele de telecomunicații, indirect ele aduc beneficii consumatorilor (internet mai rapid, servicii cloud mai robuste). Până în 2035, analiștii estimează că piața circuitelor integrate fotonice va ajunge la peste 50 de miliarde de dolari, în mare parte datorită acestor transceivere pentru AI și centre de date optics.org. Este posibil să vedem 800G și 1.6T devenind noul 100G, adică vor fi legăturile de bază în rețele. Și pe măsură ce volumul crește, costul per bit va scădea, făcând conectivitatea de mare viteză mai ieftină și mai omniprezentă. Este plauzibil ca chiar și dispozitivele de consum (cum ar fi o cască VR care are nevoie de o legătură cu lățime de bandă foarte mare către un PC sau consolă) să folosească un cablu USB optic sau Thunderbolt optic pentru a transporta zeci sau sute de gigabiți fără latență sau pierderi.
Revoluționarea Telecomunicațiilor: În telecomunicații, fotonica pe siliciu va ajuta la realizarea rețelelor complet optice cu o eficiență mult mai mare. Comunicațiile optice coerente cu fotonică integrată vor ajunge probabil la peste 1 Tb/s per lungime de undă (cu constelații avansate și poate DSP-uri de transceiver integrate). Acest lucru ar putea face canalele optice multi-terabit mai economice, reducând numărul de lasere/fibre necesare. Fotonica pe siliciu va face de asemenea multiplexoarele optice reconfigurabile add-drop (ROADMs) și alte echipamente de rețea mai compacte și mai eficiente energetic, ceea ce la rândul său facilitează implementarea rețelelor 5G/6G cu capacitate mai mare și o infrastructură mai bună de fibră până la domiciliu. O zonă specifică de urmărit este laserele integrate pentru TV prin cablu / acces pe fibră: laserele reglabile ieftine pe siliciu ar putea permite fiecărei locuințe să aibă, de exemplu, o legătură simetrică de fibră de 100G. Prin integrarea funcțiilor optice, operatorii telecom pot simplifica centralele și head-end-urile. Deci efectul net va fi servicii de internet și mai rapide și mai fiabile la costuri potențial mai mici, alimentate în culise de cipuri fotonice pe siliciu.
Calcul AI și Motoare Optice: În domeniul AI, dacă companii precum Lightmatter și Lightelligence reușesc, am putea asista la apariția primelor coprocesoare optice în centrele de date. Acestea ar accelera înmulțirile matriciale sau analiza grafurilor folosind lumina, oferind potențial salturi de performanță per watt. Este de conceput ca în următorii 5 ani, unele centre de date să aibă rack-uri de acceleratoare AI optice alături de GPU-uri, gestionând sarcini specializate extrem de rapid (de exemplu, inferență ultra-rapidă pentru servicii în timp real). Chiar dacă computerele complet optice rămân oarecum limitate, abordarea hibridă electro-optică (electronică pentru control logic, fotonică pentru transfer masiv de date și operații multiply-accumulate) ar putea deveni o strategie cheie pentru a susține scalarea performanței AI. Prin reducerea căldurii și a consumului de energie, fotonica poate ajuta la menținerea fezabilității antrenării AI pe măsură ce modelele ajung la trilioane de parametri. Pe scurt, fotonica pe siliciu ar putea fi ingredientul secret care permite următoarea creștere de 1000× a dimensiunii modelelor AI/date de antrenament fără a suprasolicita rețeaua electrică.
Impact asupra tehnologiei de consum: Deși o mare parte din fotonica pe siliciu este în prezent folosită în infrastructuri mari (centre de date, rețele), în cele din urmă aceasta va ajunge și în dispozitivele de consum. Un candidat evident sunt căștile AR/VR (unde trebuie să transmiți cantități uriașe de date către ecrane și camere minuscule – interconectările optice ar putea ajuta). Un alt exemplu sunt LiDAR-urile de consum sau senzorii de adâncime – viitoarele smartphone-uri sau dispozitive purtabile ar putea avea senzori fotonici pe siliciu de dimensiuni foarte mici pentru monitorizarea sănătății (așa cum urmărea Rockley Photonics) sau pentru scanarea 3D a mediului. Mobileye de la Intel a indicat deja că LiDAR-ul său fotonic pe siliciu va fi integrat în mașini, astfel încât până la sfârșitul anilor 2020, noua ta mașină ar putea avea un cip fotonic integrat care să ghideze discret senzorii de conducere autonomă tanaka-preciousmetals.com. În timp, pe măsură ce costurile scad, astfel de senzori ar putea apărea în tot mai multe dispozitive de zi cu zi (imaginează-ți ceasuri inteligente care folosesc un senzor fotonic pe siliciu pentru a monitoriza neinvaziv glucoza sau analizele de sânge prin spectroscopie optică direct pe încheietură – există companii care lucrează la acest concept). Chiar și în domeniul audio/vizual de top, cipurile optice ar putea îmbunătăți camerele (LiDAR pentru focalizare sau cartografiere 3D în fotografie) sau ar putea permite display-uri holografice prin modularea luminii la scară microscopică (puțin speculativ, dar nu imposibil, pe măsură ce modulatorii de lumină spațiali pe siliciu devin mai buni). Așadar, peste un deceniu, consumatorii ar putea folosi fotonica pe siliciu în gadgeturile lor fără să știe, la fel cum astăzi folosim senzori MEMS peste tot fără să ne gândim la asta.
Fotonica în domeniul cuantic: Dacă privim și mai departe în viitor, tehnologiile fotonice cuantice s-ar putea maturiza. Dacă PsiQuantum sau alții reușesc, am putea avea un computer cuantic fotonic care să depășească supercomputerele clasice pentru anumite sarcini – cu poate milioane de fotoni înlănțuiți procesați pe cip. Aceasta ar fi o realizare monumentală, probabil la fel de transformatoare ca primele computere electronice. Deși acest lucru ar putea fi după 2030, progresele intermediare ar putea aduce simulatoare cuantice sau sisteme de comunicații cuantice în rețea folosind fotonica pe siliciu. De exemplu, legături de comunicație cuantică securizată (rețele QKD) ar putea fi implementate la nivel de oraș folosind emițătoare QKD fotonice pe siliciu standardizate în centrele de date. Există, de asemenea, potențialul pentru senzori cuantici pe cip (cum ar fi giroscoape optice cu sensibilitate la nivel cuantic) care să fie folosiți în navigație sau știință.
Cercetare continuă și noi orizonturi: Domeniul fotonicii pe siliciu va continua să evolueze. Cercetătorii explorează deja integrarea 3D – suprapunerea cipurilor fotonice cu cele electronice pentru o cuplare și mai strânsă (unii investighează micro-bumps sau tehnici de lipire pentru a plasa un interposer fotonic sub un CPU, de exemplu). Se discută și despre rețele optice pe cip (ONoC), unde, în loc de sau pe lângă rețelele electrice pe cip, procesoarele folosesc lumina pentru a comunica între nuclee. Dacă într-o zi procesoarele cu multe nuclee vor folosi rețele optice interne, acest lucru ar putea elimina blocajele de lățime de bandă din interiorul cipului (este ceva mai îndepărtat, dar demonstrat conceptual în laboratoare). Nano-fotonica ar putea, de asemenea, să joace un rol: componente optice plasmonice sau la scară nanometrică care funcționează la viteze foarte mari sau pe suprafețe extrem de mici, potențial integrate cu fotonica pe siliciu pentru anumite sarcini (cum ar fi modulatori ultra-compacți). Și cine știe, poate într-o zi cineva va reuși să obțină Sfântul Graal al unui laser pe siliciu printr-un truc ingenios de material – ceea ce ar simplifica cu adevărat integrarea fotonică.
Perspective asupra pieței și industriei: Din punct de vedere economic, este probabil să vedem o explozie a pieței fotonicii pe siliciu. Conform IDTechX, până în 2035, aproximativ 54 de miliarde de dolari valoare de piață este estimată optics.org. Notabil, deși comunicațiile de date vor reprezenta cea mai mare parte, se estimează că aproximativ 11 miliarde de dolari ar putea proveni din aplicații non-date (telecom, lidar, senzori, cuantic etc.) optics.org. Asta înseamnă că beneficiile tehnologiei se vor răspândi în mai multe sectoare. Am putea vedea, de asemenea, unele schimbări majore în industrie sau parteneriate: de exemplu, ar putea un gigant tech să achiziționeze una dintre startup-urile unicorn din fotonică (imaginează-ți ca Nvidia să cumpere Ayar Labs sau Lightmatter pentru a-și asigura un avans în calculul optic)? Este posibil, pe măsură ce miza crește. Mai mult, concurența internațională s-ar putea intensifica – am putea vedea investiții semnificative din partea guvernelor pentru a asigura leadership-ul (asemănător cu modul în care industria semiconductorilor este considerată strategică). Fotonică pe siliciu ar putea deveni o parte cheie a strategiilor naționale de tehnologie, ceea ce poate stimula suplimentar finanțarea R&D și infrastructura.

Într-un sens mai larg, dacă facem un pas înapoi, viitorul cu fotonică pe siliciu este unul în care granițele dintre calcul și comunicație se estompează. Distanța devine mai puțin limitativă – datele ar putea circula în interiorul unui cip sau între orașe cu aceeași ușurință pe fire optice. Acest lucru ar putea permite arhitecturi precum calculul distribuit, unde locația fizică a resurselor contează puțin deoarece legăturile optice fac ca latența să fie scăzută și lățimea de bandă ridicată. Am putea vedea centre de date cu adevărat disaggregate, unde calculul, stocarea și memoria sunt conectate optic ca niște piese LEGO. Câștigurile de eficiență energetică din fotonică ar putea contribui, de asemenea, la un ICT mai verde, ceea ce este important pe măsură ce apetitul energetic al infrastructurii digitale crește.

Pentru a împrumuta cuvintele unui veteran al industriei, „drumul spre scalarea fotonicii pe siliciu este la fel de palpitant pe cât este de provocator.” laserfocusworld.com Anii următori vor avea, fără îndoială, obstacole, dar există o determinare colectivă atât în mediul academic, cât și în industrie pentru a le depăși. Prin colaborare și inovație – aliniind știința materialelor, ingineria semiconductorilor și fotonica – experții sunt încrezători că vom face față acestor provocări și vom debloca întregul potențial al fotonicii pe siliciu laserfocusworld.com. Perspectivele de viitor sunt că această tehnologie va trece de la periferie (conectând dispozitivele noastre sau augmentând sisteme specializate) la chiar inima calculului și conectivității. Practic, asistăm la zorii unei noi ere – una în care lumina, nu doar electronii, poartă seva informației prin dispozitivele și rețelele care stau la baza vieții moderne. Și aceasta este cu adevărat o schimbare revoluționară care se va desfășura în următorul deceniu și dincolo de el.

Surse: Definiții și avantaje ale fotonicii pe siliciu ansys.com ansys.com; aplicații în detecție, LiDAR, cuantic ansys.com ansys.com; tendințe în centre de date și AI laserfocusworld.com, optics.org; citate și perspective de la experți laserfocusworld.com, tanaka-preciousmetals.com, nature.com; lideri din industrie expertmarketresearch.com; știri și investiții recente datacenterdynamics.com, nextplatform.com, nextplatform.com; proiecții de viitor optics.org