Revolúcia v silikónovej fotonike – technológia svetelnej rýchlosti mení AI, dátové centrá a ďalšie oblasti

• Silikónová fotonika využíva silikónové fotonické integrované obvody (PIC) na manipuláciu so svetlom na spracovanie a prenos dát, čo umožňuje prepojenia na čipe a medzi čipmi pri rýchlostiach ako 100 Gb/s a 400 Gb/s.
• Silikónový fotonický čip veľkosti nechtu môže obsahovať desiatky laserových kanálov a s hustým vlnovým multiplexovaním prenášať terabity dát.
• Prepojenia v dátových centrách profitujú z optických liniek, ktoré spotrebujú menej energie a poskytujú vyššiu hustotu, pričom boli demonštrované prototypy ako 51,2 Tb/s prepínacie čipy s integrovaným optickým vstupom/výstupom.
• V roku 2024 spoločnosť Ayar Labs demonštrovala optický čiplet poskytujúci 8 Tbps šírky pásma pomocou 16 vlnových dĺžok a v neskorom roku 2024 získala v kole Series D 155 miliónov dolárov s účasťou Nvidia, AMD a Intel, čím jej hodnota presiahla 1 miliardu dolárov.
• Intel v závere roka 2023 outsourcoval výrobu svojich silikónových fotonických transceiverov spoločnosti Jabil po tom, čo od roku 2016 dodal viac ako 8 miliónov fotonických transceiverových čipov.
• InnoLight v závere roka 2023 demonštroval prototyp optického transceivera s rýchlosťou 1,6 Tbps, pričom moduly s rýchlosťou 3,2 Tbps sa očakávajú do roku 2026, keď sa blížia viacterabitové prepojenia.
• Americký inštitút AIM Photonics získal sedemročný program vo výške 321 miliónov dolárov do roku 2028 na rozvoj výroby integrovaných fotoník v USA, čo umožní vznik silikónovej fotonickej továrne a baliacej linky v New Yorku.
• V roku 2023 spoločnosť Broadcom demonštrovala prototypy prepínačov s rýchlosťou 25,6 Tbps a 51,2 Tbps s integrovanými laserovými fotonickými motormi.
• Spoločnosť Lightmatter získala v roku 2024 v kole Series D 400 miliónov dolárov na financovanie svojej optickej AI akcelerátorovej platformy a PsiQuantum verejne predstavila cestu k fotonickému kvantovému počítaču odolnému voči stratám so svojím čipom Omega v roku 2024.
• Analytici predpovedajú, že trh so silikónovou fotonikou dosiahne do roku 2035 približne 54 miliárd dolárov, pričom asi 11 miliárd bude pochádzať z ne-dátových aplikácií, poháňaných najmä potrebami AI dátových centier.

Čo je silikónová fotonika a ako funguje?

Silikónová fotonika je technológia, ktorá využíva silikónové fotonické integrované obvody (PIC) na manipuláciu so svetlom (fotonmi) na spracovanie a komunikáciu. Jednoducho povedané, znamená to vytváranie optických zariadení (ako lasery, modulátory a detektory) na silikónových čipoch podobne, ako sa vyrábajú elektronické obvody. Tieto silikónové fotonické čipy môžu odosielať a prijímať dáta pomocou svetla, čo umožňuje ultrarýchly prenos dát s vysokou šírkou pásma a nízkymi energetickými stratami ansys.com. Kľúčové komponenty zahŕňajú vlnovody (drobné optické „drôty“, ktoré vedú svetlo na čipe), modulátory (ktoré kódujú dáta na svetelné lúče), lasery (zvyčajne pridané pomocou iných materiálov, keďže samotný silikón nevie emitovať svetlo) a fotodetektory (na konverziu prichádzajúceho svetla späť na elektrické signály) ansys.com. Integráciou týchto prvkov na silikónovej platforme môžu inžinieri využiť dobre zavedenú polovodičovú výrobu (CMOS) na masovú produkciu fotonických zariadení, čím kombinujú rýchlosť svetla s rozsahom modernej výroby čipov ansys.com.

Ako to funguje? Namiesto elektrických impulzov v medených drôtoch používajú kremíkové fotonické obvody infračervené laserové svetlo, ktoré prechádza vlnovodmi v mierke mikrónov. Kremík je priehľadný pre infračervené vlnové dĺžky, čo umožňuje svetlu šíriť sa s minimálnymi stratami, keď je obklopený materiálmi ako oxid kremičitý, ktoré majú nižší index lomu ansys.comansys.com. Dáta sa kódujú na tieto svetelné vlny pomocou modulátorov, ktoré môžu rýchlo meniť intenzitu alebo fázu svetla. Na druhej strane fotodetektory na čipe prevádzajú optické signály späť na elektrickú formu. Keďže svetlo kmitá na oveľa vyšších frekvenciách ako elektrické signály, optické prepojenia môžu prenášať mnohonásobne viac dát za sekundu ako elektrické drôty. Jeden malý vláknový alebo vlnovodný kanál môže prenášať desiatky alebo stovky gigabitov za sekundu a použitím viacerých vlnových dĺžok svetla (husté vlnové multiplexovanie) môže jedno vlákno prenášať terabity dát. V praxi kremíková fotonika umožňuje komunikáciu na čipe alebo medzi čipmi rýchlosťami ako 100 Gb/s, 400 Gb/s alebo viac, čo by inak vyžadovalo mnoho medených liniek alebo by bolo na väčšie vzdialenosti jednoducho neuskutočniteľné ansys.comoptics.org.

Kremíkové fotonické zariadenia sú kompaktné, rýchle a energeticky efektívne. Svetlo sa môže šíriť vlnovodmi s veľmi nízkym odporom (žiadna elektrická kapacita alebo problémy s prehrievaním ako pri medi pri vysokých rýchlostiach), čo znamená potenciálne nižšiu spotrebu energie na prenos dát. Jedna analýza uvádza, že optické prepojenia môžu drasticky zmierniť dátové úzke miesta a znížiť teplo vo vysokovýkonných systémoch – „optické prepojenia, umožnené kremíkovou fotonikou, sú jedinou škálovateľnou cestou vpred“ na zvládnutie explodujúcich požiadaviek na šírku pásma laserfocusworld.com. Stručne povedané, kremíková fotonika spája nízkonákladovú, masovo vyrábanú kremíkovú čipovú platformu s fyzikou svetla a vytvára „obvody pre fotóny“ na čipe ansys.com. Táto technológia nám umožňuje doslova prenášať dáta rýchlosťou svetla v situáciách, kde tradičná elektronika naráža na svoje limity.

Kľúčové aplikácie kremíkovej fotoniky

Kremíková fotonika začínala vo vláknovej optickej komunikácii, no dnes je to všestranná platforma, ktorá nachádza uplatnenie v mnohých špičkových oblastiach. Vďaka svojej vysokej rýchlosti a energetickej efektívnosti je kandidátom každé odvetvie, ktoré potrebuje presúvať obrovské množstvá dát (alebo presne riadiť svetlo). Tu sú niektoré z kľúčových aplikácií:

Dátové centrá a vysokorýchlostné cloudové siete

Jednou z najdôležitejších aplikácií je vo vnútri dátových centier a superpočítačov, kde kremíková fotonika rieši naliehavú potrebu rýchlejších a efektívnejších prepojení. Moderné cloudové a hyperscale dátové centrá spracovávajú obrovské toky dát medzi servermi, rackmi a naprieč sieťami v rámci areálu. Medené káble a tradičné elektrické prepínače sú čoraz väčšou prekážkou – spotrebúvajú príliš veľa energie a nedokážu škálovať nad určité vzdialenosti alebo rýchlosti (napríklad 100 Gb/s medené prepojenia fungujú len na niekoľko metrov). Kremíkové fotonické prepojenia to riešia použitím optických vlákien a zabudovaných optických modulov na prepojenie serverov a prepínačov veľmi vysokou rýchlosťou s minimálnymi stratami. Optické transceivery založené na kremíkovej fotonike už nahrádzajú alebo dopĺňajú elektrické prepojenia pre komunikáciu medzi rackmi a dokonca aj v rámci racku tanaka-preciousmetals.com.

Cisco a Intel boli v tomto smere priekopníkmi: Cisco teraz navrhuje vysokorýchlostné zasúvateľné optické transceivery využívajúce kremíkovú fotoniku na prepojenie sieťových zariadení expertmarketresearch.com. Intel rovnako využil kremíkovú fotoniku na zvýšenie konektivity dátových centier, pričom dodal milióny 100G optických transceiverových čipov a teraz zvyšuje výrobu 200G, 400G a testuje 800G optické moduly tanaka-preciousmetals.com. Motivácia je jasná – keď sa dátové rýchlosti zdvojnásobujú zo 100G na 200G a 400G, dosah medi dramaticky klesá. „Keď dnes vstúpite do dátového centra, uvidíte 100 Gb/s medené káble spájajúce servery s horným rackovým prepínačom… Tieto káble sú v poriadku na štyri metre alebo tak. Ale všetko za rackom už používa optiku,“ poznamenáva Robert Blum, senior riaditeľ pre fotoniku v Inteli, a dodáva, že „ako zvyšujeme dátové rýchlosti na 200 alebo 400 Gb/s, dosah medi sa stáva oveľa kratším a začíname vidieť trend, kde optika ide až k serveru.“ tanaka-preciousmetals.com V klastroch vysokovýkonného počítania (HPC) a AI superpočítačoch, kde tisíce procesorov potrebujú nízkolatenčné prepojenia, optické prepojenia poskytujú šírku pásma na zásobovanie všetkých týchto čipov dátami ansys.com, laserfocusworld.com. Zavedením fotoniky priamo do prepínača a dokonca aj do balíčkov procesorov (tzv. spolubalená optika) budú budúce siete dátových centier dosahovať oveľa vyššie priepustnosti. V skutočnosti sú na obzore 51,2 Tb/s prepínacie čipy s integrovaným optickým I/O a prototypy už boli demonštrované tanaka-preciousmetals.com.

Výhody pre dátové centrá sú významné: nižšia spotreba energie (optické prepojenia strácajú omnoho menej energie vo forme tepla než tlačenie elektrónov cez meď pri desiatkach GHz), vyššia hustota (mnoho optických kanálov je možné multiplexovať bez obáv z elektromagnetického rušenia) a dlhší dosah (optické signály môžu v prípade potreby cestovať kilometre). To znamená, že kremíková fotonika pomáha dátovým centrám škálovať výkon bez toho, aby boli obmedzované limitmi prepojení. Jeden trhový analytik poznamenal, že dátové centrá zamerané na AI poháňajú bezprecedentný dopyt po vysokovýkonných optických transceivroch a tvrdí, že „kremíková fotonika a PIC sú v popredí tejto revolúcie vďaka svojej schopnosti prenášať dáta rýchlosťou 1,6 Tbps a viac.“ optics.org V praktických termínoch môže jeden fotonický čip veľkosti nechtu obsahovať desiatky laserových kanálov, ktoré spolu prenášajú terabity dát – čo je kľúčové pre infraštruktúru cloudu novej generácie.

Zrýchlenie AI a strojového učenia

Explózia AI a strojového učenia je špeciálnym prípadom aplikácie v dátových centrách – zaslúži si samostatnú zmienku, pretože AI prináša niektoré jedinečné požiadavky a podnietila nové využitia kremíkovej fotoniky. Tréning pokročilých AI modelov (ako sú veľké jazykové modely poháňajúce chatboty) zahŕňa masívne paralelné výpočty rozložené medzi mnohé GPU alebo špecializované AI akcelerátory. Tieto čipy si musia vymieňať obrovské množstvá dát pri úlohách ako je tréning modelov, často až do vyčerpania kapacity bežných elektrických prepojení. Kremíková fotonika ponúka AI dvojakú výhodu: vysokopásmové prepojenia a dokonca potenciál pre optické výpočty.

Na strane prepojenia sa vyvíjajú optické prepojenia na priame spojenie AI akceleračných čipov alebo pamäte pomocou svetla (niekedy nazývané optické I/O). Nahradením tradičnej serverovej zadnej zbernice alebo komunikácie GPU-GPU optickým vláknom môžu AI systémy výrazne znížiť latenciu komunikácie a spotrebu energie. Napríklad startupy ako Ayar Labs vytvárajú optické I/O čiplety, ktoré sedia vedľa procesorov a prenášajú dáta dovnútra a von pomocou svetla, čím eliminujú husté zväzky medených vodičov, ktoré by inak boli potrebné. V roku 2024 Ayar Labs demonštrovali optický chiplet poskytujúci 8 Tbps šírky pásma pomocou 16 vlnových dĺžok svetla – čo je ukážka toho, ako by mohli vyzerať prepojenia AI novej generácie businesswire.com. Hlavní výrobcovia čipov tomu venujú pozornosť: Nvidia, AMD a Intel každý investovali do Ayar Labs v rámci investičného kola vo výške 155 miliónov dolárov, pričom vsádzajú na to, že optické prepojenia budú kľúčom k škálovaniu budúceho AI hardvéru nextplatform.com. Ako poznamenal jeden novinár, ak nemôžete získať dostatočnú rýchlosť len zrýchľovaním čipov, „ďalšia najlepšia vec, do ktorej investovať, je pravdepodobne nejaká forma optického I/O.“ nextplatform.com

Okrem presunu dát medzi AI čipmi, silikónová fotonika tiež umožňuje optické výpočty pre AI. To znamená vykonávanie určitých výpočtov (ako sú maticové násobenia v neurónových sieťach) pomocou svetla namiesto elektriny, čo by mohlo potenciálne obísť niektoré rýchlostné a energetické obmedzenia dnešných elektronických AI akcelerátorov. Spoločnosti ako Lightmatter a Lightelligence postavili prototypy fotonických procesorov, ktoré využívajú interferenciu svetla v silikónových vlnovodoch na paralelné výpočty výsledkov. Koncom roka 2024 Lightmatter získal pozoruhodné investičné kolo Series D vo výške 400 miliónov dolárov (čím jeho ohodnotenie vzrástlo na 4,4 miliardy dolárov) na rozvoj svojej optickej výpočtovej technológie nextplatform.com. Hoci sú tieto fotonické AI akcelerátory ešte len v začiatkoch, sľubujú ultra-rýchle, nízkolatenčné vykonávanie neurónových sietí s oveľa nižšou spotrebou energie, keďže fotóny generujú minimálne teplo v porovnaní s miliardami spínacích udalostí tranzistorov.

Celkovo, ako modely AI rastú vo veľkosti a zložitosti (a vyžadujú klastry desiatok tisíc čipov), kremíková fotonika je vnímaná ako „paradigmatický posun“, ktorý dokáže prekonať komunikačné úzke miesta v AI infraštruktúre laserfocusworld.com. Ponúka spôsob, ako škálovať šírku pásma medzi procesormi lineárne podľa dopytu, s čím majú elektrické prepojenia problém. Odborníci z odvetvia predpovedajú, že optické technológie (ako sú optika zabudovaná priamo v balení čipov, optické prepojenia medzi čipmi a možno aj fotonické výpočtové prvky) sa v nasledujúcich rokoch stanú štandardom v AI systémoch – nielen okrajovým experimentom. Podľa jedného odhadu budú AI dátové centrá rásť tak rýchlo (50 % CAGR v spotrebe energie), že do roku 2030 by mohli byť s existujúcimi elektrickými I/O neudržateľné, čo robí z kremíkovej fotoniky „nepostrádateľnú súčasť našej budúcej infraštruktúry“, aby bola AI škálovateľná laserfocusworld.com.

Telekomunikácie a sieťovanie

Kremíková fotonika má svoje korene v telekomunikáciách a naďalej revolučným spôsobom mení spôsob, akým prenášame dáta na veľké vzdialenosti. Vo vláknovo-optických telekomunikačných sieťach – či už ide o internetovú chrbticu, podmorské káble alebo metropolitné a prístupové siete – sa integrovaná fotonika používa na výrobu optických transceiverov, ktoré sú menšie, rýchlejšie a lacnejšie. Tradičné optické komunikačné systémy často spoliehali na diskrétne komponenty (lasery, modulátory, detektory montované jednotlivo), ale integrácia kremíkovej fotoniky môže umiestniť mnohé z týchto komponentov na jeden čip, čím sa zvyšuje spoľahlivosť a znižujú náklady na montáž tanaka-preciousmetals.com.

Dnes sú optické transceiverové moduly využívajúce kremíkovú fotoniku bežné v prepojeniach dátových centier a čoraz viac sa zavádzajú aj v telekomunikačnej infraštruktúre pre 100G, 400G a viac. Napríklad spoločnosti ako Infinera a Cisco (Acacia) vyvinuli koherentné optické transceivery využívajúce kremíkovú fotoniku pre 400G a 800G prepojenia v telekomunikačných sieťach. Širokopásmové a 5G/6G bezdrôtové siete taktiež profitujú – optické vlákna, ktoré spájajú mobilné veže alebo prenášajú fronthaul/backhaul dáta, môžu byť vďaka kremíkovej fotonike efektívnejšie. Intel zdôraznil, že kremíková fotonika bude hrať úlohu v „nasadzovaní ďalšej generácie 5G s menšími formátmi a vyššími rýchlosťami, od dnešných 100G po 400G a viac v budúcnosti“ expertmarketresearch.com. Schopnosť integrovať desiatky laserových vlnových dĺžok na jeden čip je užitočná pre systémy hustého vlnového multiplexu (DWDM), ktoré telekomunikační operátori používajú na zvýšenie počtu kanálov na jednom vlákne. V roku 2023 čínska spoločnosť InnoLight dokonca demonštrovala 1,6 Tb/s optický transceiver (využívajúci viacero vlnových dĺžok a pokročilú moduláciu) – čo je znak, že multi-terabitové optické prepojenia sú už na blízkom horizonte optics.org.

Ďalšou sieťovou aplikáciou je jadrové smerovacie a prepínacie zariadenie. Špičkové routery a optické prepínacie platformy začínajú využívať kremíkové fotonické obvody na funkcie ako optické prepínanie, smerovanie signálu a dokonca aj filtrovanie vlnových dĺžok priamo na čipe. Napríklad boli prototypované veľké kremíkovo-fotonické prepínacie matice, ktoré využívajú kremíkové MEMS alebo termo-optické efekty na rýchle prepínanie svetelných ciest, čo potenciálne umožňuje plne optické obvodové prepínanie. Tie by sa mohli v budúcnosti použiť v sieťach dátových centier na optickú rekonfiguráciu spojení v reálnom čase (Google naznačil využitie optických prepínačov v niektorých svojich AI klastroch) nextplatform.com.

Celkovo, v telekomunikáciách sú cieľmi vyššia kapacita a nižšia cena za bit. Silikónová fotonika pomáha škálovaním kapacity optických vlákien (100G → 400G → 800G a 1,6T na vlnovú dĺžku) a znižovaním výrobných nákladov vďaka procesom CMOS výroby. Je príznačné, že divízia silikónovej fotoniky spoločnosti Intel, pred reštrukturalizáciou, dodala viac ako 8 miliónov fotonických transceiverových čipov v rokoch 2016 až 2023 pre použitie v dátových centrách a sieťových aplikáciách optics.org. A priemyselné spolupráce rastú: napríklad Intel koncom roka 2023 oznámil, že presunie výrobu svojich transceiverov do spoločnosti Jabil (zmluvný výrobca), aby ešte viac rozšíril produkciu optics.org. Medzitým optickí giganti ako Coherent (predtým II-VI) a tradiční telekomunikační dodávatelia (Nokia, Ciena, atď.) všetci investujú do silikónovej fotoniky pre optické moduly novej generácie optics.org. Táto technológia sa stáva základným kameňom fyzickej infraštruktúry internetu aj rýchlo sa vyvíjajúceho ekosystému 5G/6G komunikácií.

Snímanie a LiDAR

Silikónová fotonika nie je len o komunikáciách – umožňuje aj nové typy senzorov vďaka presnému riadeniu svetla na čipe. Jednou z najzaujímavejších oblastí je biochemické a environmentálne snímanie. Silikónové fotonické senzory dokážu detegovať veľmi malé zmeny indexu lomu alebo absorpcie, keď vzorka (napríklad kvapka krvi alebo chemická para) interaguje s vedeným svetelným lúčom. Napríklad silikónový fotonický čip môže obsahovať malý kruhový rezonátor alebo interferometer, ktorý zmení frekvenciu, keď sa naň naviažu určité molekuly. To umožňuje laboratórne snímanie biomarkerov – proteínov, DNA, plynov atď. – s vysokou citlivosťou a potenciálne nízkymi nákladmi. Takéto fotonické biosenzory by sa mohli použiť na lekársku diagnostiku, environmentálne monitorovanie alebo dokonca v aplikáciách „umelého nosa“ optics.orgoptics.org. Kľúčové sú výhody miniaturizácie a integrácie: jeden silikónový fotonický senzorový čip môže integrovať svetelné zdroje, snímacie prvky a fotodetektory, čím ponúka kompaktný, odolný senzor namiesto objemného optického laboratórneho vybavenia. Výskum v oblasti fotoniky na báze kremíkového nitridu (varianta, ktorá lepšie funguje pre viditeľné vlnové dĺžky) otvára ešte viac možností snímania, keďže SiN dokáže viesť viditeľné svetlo na snímanie javov ako fluorescencia alebo Ramanove signály, ktoré čistý kremík nedokáže.

Ďalšou rýchlo rastúcou aplikáciou je LiDAR (Light Detection and Ranging) pre autonómne vozidlá, drony a robotiku. LiDAR systémy vysielajú laserové impulzy a merajú odrazené svetlo na mapovanie vzdialeností – v podstate „3D laserové videnie“. Tradičné LiDAR jednotky často využívajú mechanické skenovanie a samostatné lasery/detektory, čo ich robí drahými a pomerne objemnými. Silikónová fotonika ponúka spôsob, ako postaviť LiDAR na čipe: integráciou prvkov na smerovanie lúča, deličov, modulátorov a detektorov monoliticky. Silikónový fotonický LiDAR môže používať pevné smerovanie lúča (napríklad optické fázové polia) na skenovanie prostredia bez pohyblivých častí. To výrazne zmenšuje veľkosť a cenu LiDAR jednotiek. V skutočnosti spoločnosť Intel Mobileye uviedla, že používa silikónové fotonické integrované obvody vo svojich LiDAR senzoroch pre autonómne riadenie novej generácie okolo roku 2025 tanaka-preciousmetals.com. Takáto integrácia by mohla znížiť náklady na LiDAR a umožniť jeho masové nasadenie v autách. LiDAR založený na silikónovej fotonike môže tiež dosiahnuť rýchlejšie skenovanie a vyššie rozlíšenie vďaka využitiu viacerých vlnových dĺžok alebo koherentných detekčných techník zabudovaných priamo na čipe. Ako ďalšia výhoda, tieto integrované riešenia majú tendenciu spotrebovať menej energie – čo je dôležitý faktor pre elektrické vozidlá.

Podľa spoločnosti Ansys „silikónom podporované LiDAR riešenia sú kompaktnejšie, spotrebujú menej energie a sú lacnejšie na výrobu ako systémy zostavené z diskrétnych komponentov.“ ansys.com Toto stručne vystihuje, prečo sa firmy od startupov po technologických gigantov pretekajú vo vývoji fotonického LiDARu. Už teraz vidíme prototypy FMCW LiDAR (LiDAR s frekvenčne modulovanou spojitou vlnou), ktorý vyžaduje citlivé fotonické obvody ako laditeľné lasery a interferometre. Silikónová fotonika je pre toto prirodzenou platformou a odborníci predpovedajú, že integrovaná fotonika bude kľúčom k tomu, aby sa FMCW LiDAR stal životaschopným vo veľkom meradle (pre jeho dlhý dosah a odolnosť voči rušeniu) optics.orgoptics.org. V blízkej budúcnosti môžeme očakávať autá a drony vybavené malými, čipovými LiDAR jednotkami s vysokým výkonom – priamy produkt inovácií v silikónovej fotonike.

Okrem LiDARu zahŕňajú ďalšie senzorické využitia aj gyroskopy a inerciálne senzory (využívajúce prstencové laserové gyroskopy na čipe pre navigáciu) a spektrometre (integrované optické spektrometre na chemickú analýzu). Spoločným menovateľom je, že silikónová fotonika prináša presnosť optického merania v miniaturizovanom, vyrobiteľnom formáte. To otvára nové možnosti v spotrebnej elektronike (predstavte si optický zdravotný senzor v inteligentných hodinkách), priemyselnom monitoringu a vedeckých prístrojoch.

Kvantové počítanie a fotonické kvantové technológie

V úsilí o kvantové počítače zohrávajú fotóny (častice svetla) jedinečnú úlohu. Na rozdiel od elektrónov môžu fotóny cestovať na veľké vzdialenosti bez interakcie s prostredím (čo je užitočné na prenos kvantových informácií) a niektoré schémy kvantového počítania používajú fotóny ako samotné qubity. Kremíková fotonika sa stala poprednou platformou pre výskum kvantového počítania a sietí.

Niekoľko startupov a výskumných skupín pracuje na fotonických kvantových počítačoch, ktoré používajú kremíkové fotonické obvody na generovanie a manipuláciu s qubitmi zakódovanými vo svetle. Napríklad PsiQuantum, startup s veľkým financovaním, spolupracuje s polovodičovou fabrikou na výstavbe veľkého kvantového počítača využívajúceho tisíce kremíkových fotonických qubitových kanálov. Cieľom je integrovať zariadenia ako zdroje jednotlivých fotónov, deliče lúča, fázové posúvače a detektory fotónov na jeden čip, aby sa vykonávala kvantová logika s fotónmi. Výhodou kremíkovej fotoniky je v tomto prípade škálovateľnosť – pretože využíva výrobu CMOS, je (v zásade) možné vytvoriť veľmi zložité kvantové fotonické obvody so stovkami alebo tisíckami komponentov, čo je oveľa ťažšie pri iných prístupoch ku kvantovému hardvéru. Vedci nedávno skutočne demonštrovali kremíkové fotonické čipy s tisíckami komponentov pracujúcich spoločne na manipulácii s kvantovým svetlom nature.com.

Kremíková fotonika tiež umožňuje kvantové siete – bezpečnú komunikáciu pomocou kvantovej distribúcie kľúčov (QKD) a prepletených fotónov – tým, že poskytuje platformu pre kompaktné, stabilné optické kvantové vysielače a prijímače. Okrem toho môžu niektoré technológie kvantových senzorov (ako optické kvantové gyroskopy alebo jednofotónové LiDARy) používať kremíkové fotonické čipy ako svoj základ.

Jednou z hlavných výziev vo fotonickom kvantovom počítaní je generovanie jednotlivých fotónov na požiadanie a ich smerovanie s nízkymi stratami. Zaujímavé je, že rovnaké obmedzenia (a riešenia), ktoré platia pre klasickú kremíkovú fotoniku, platia aj v kvantovej oblasti: kremík prirodzene nelasuje, takže kvantové fotonické čipy často používajú integrované nelineárne procesy alebo zdroje kvantových bodiek na vytváranie jednotlivých fotónov, alebo hybridne integrujú špecializované materiály. Výhody sú však podobné – vysoká presnosť a miniaturizácia. Ako uvádza správa Ansys, kvantové počítače používajú fotóny na výpočty a správa týchto fotónov pomocou integrovanej fotoniky prináša výhody v rýchlosti, presnosti a nákladoch ansys.com. V praxi môže kremíková fotonika poskytnúť stabilitu a vyrobiteľnosť, ktoré sú potrebné na rozšírenie kvantových systémov z laboratórnych experimentov na skutočné stroje.

Okrem výpočtovej techniky, kvantové fotonické senzory (ako interferometre využívajúce kvantové stavy na zvýšenú citlivosť) a kvantové generátory náhodných čísel sú ďalšími oblasťami, kde má kremíková fotonika vplyv. Zatiaľ čo fotonické kvantové počítače sú stále vo vývoji a pravdepodobne ešte niekoľko rokov vzdialené od zrelosti, veľké investície do tejto oblasti zdôrazňujú jej potenciál. V roku 2022 popredný výskumník, prof. John Bowers, zdôraznil, že kremíková fotonika napreduje rýchlo s mnohými novými aplikáciami, vrátane kvantových, na obzore nature.com. Je predvídateľné, že prvé kvantové počítače veľkého rozsahu môžu byť v skutočnosti optické zariadenia postavené na kremíkových fotonických čipoch – fascinujúci návrat k technológii, ktorá bola pôvodne vyvinutá pre telekomunikácie a môže umožniť ďalší skok vo výpočtovej technike.

Súčasné trendy a vývoj (2025)

K roku 2025 kremíková fotonika získava obrovskú dynamiku. Viacero trendov sa spojilo a posunulo túto technológiu z laboratórií a špecifických použití do hlavného prúdu technologického priemyslu:

• Úzke hrdlo dát a spolubalená optika: Nenásytný dopyt po dátach (najmä zo strany AI a cloudových služieb) spôsobil, že elektrické prepojenia sa stali vážnym úzkym hrdlom. Sme v bode, keď zakaždým, keď zdvojnásobíte šírku pásma prepojenia, musíte skrátiť dĺžku medeného kábla na polovicu, aby ste zachovali integritu signálu nextplatform.com – čo je neudržateľný kompromis. Táto naliehavosť upriamila pozornosť na prístupy ako spolubalená optika (CPO), kde sú optické moduly umiestnené priamo vedľa prepínacích ASIC alebo procesorových čipov, aby sa takmer úplne eliminovala vzdialenosť elektrického prenosu. V roku 2023 viaceré spoločnosti predviedli spolubalenú optiku v prepínačoch (napr. Broadcom prototypy prepínačov s rýchlosťou 25,6 Tb/s a 51,2 Tb/s s integrovanými laserovými fotonickými modulmi). Odborné plány naznačujú, že 51,2 Tb/s Ethernet prepínacie čipy so spolubalenou kremíkovou fotonikou by sa mali objaviť na trhu v priebehu nasledujúceho roka alebo dvoch tanaka-preciousmetals.com, a že okolo rokov 2026–2027 pravdepodobne uvidíme prvé CPU/GPU, ktoré budú využívať optické I/O priamo nextplatform.com. Inými slovami, optická éra prepojení sa čoskoro začne v praktických systémoch. Spoločnosti ako Intel, Nvidia a Cisco aktívne vyvíjajú CPO riešenia. V skutočnosti Intelov projekt Tomambe a ďalšie už predviedli 1,6 Tb/s fotonické moduly integrované s prepínacími čipmi tanaka-preciousmetals.com. Všeobecný konsenzus: po rokoch výskumu sa spolubalená optika presúva z prototypu do produktu s cieľom znížiť spotrebu energie na bit tým, že zdroje svetla priblíži k zdroju dát (úspora energie 30 % v porovnaní s pluggable modulmi, podľa jedného odhadu laserfocusworld.com).
• Nárast investícií a startupovej aktivity: Posledných pár rokov prinieslo významné investície a financovanie do podnikov v oblasti kremíkovej fotoniky. To odráža dôveru, ktorú má priemysel v budúcnosť tejto technológie. Napríklad koncom roka 2024 Ayar Labs získali v kole Series D 155 miliónov dolárov (čím dosiahli status „jednorožca“ s hodnotením nad 1 miliardu dolárov) na rozšírenie svojich optických I/O riešení; pozoruhodné je, že toto kolo zahŕňalo strategické investície od Nvidia, AMD a Intel samotných nextplatform.com. Podobne startup v oblasti fotonického výpočtového výkonu Lightmatter získal 400 miliónov dolárov v roku 2024 na rozvoj svojej optickej AI akcelerátorovej platformy nextplatform.com. Ďalší startup, Celestial AI, ktorý sa zameriava na optické prepojenia pre AI, nielenže získal 175 miliónov dolárov začiatkom roka 2024, ale tiež získal portfólio IP v oblasti kremíkovej fotoniky spoločnosti Rockley Photonics (kedysi firma zameraná na fotoniku pre senzory) za 20 miliónov dolárov v októbri 2024 datacenterdynamics.com. Táto akvizícia poskytla spoločnosti Celestial AI viac ako 200 patentov v oblasti kremíkovej fotoniky a signalizuje určitú konsolidáciu v odvetví – menší hráči s hodnotnou fotonickou technológiou (Rockley vyvinul pokročilé modulátory a integrovanú optiku pre nositeľné zariadenia) sú absorbovaní firmami zameranými na trhy dátových centier a AI. Videli sme tiež, že HyperLight a Lightium, dva startupy špecializujúce sa na fotonické čipy z tenkovrstvového lítného niobátu, prilákali v roku 2023 spolu investíciu 44 miliónov dolárov optics.org, čo poukazuje na záujem o nové materiály na zlepšenie kremíkovej fotoniky (TFLN modulátory môžu ponúknuť vyššie rýchlosti a nízke straty). Celkovo je financovanie rizikovým kapitálom a podpora korporácií pre firmy v oblasti kremíkovej fotoniky na historickom maxime, čo odráža uvedomenie si, že optická technológia je kľúčová pre budúce polovodiče.
• Dozrievanie technológií a rast ekosystému: Ďalším trendom je dozrievanie ekosystému silikónovej fotoniky. Do hry vstupuje viac zlievarní a dodávateľov. V minulosti mali komplexné schopnosti len niektorí hráči (ako Intel alebo Luxtera). Teraz veľké polovodičové zlievarne ako GlobalFoundries, TSMC a dokonca aj STMicroelectronics ponúkajú výrobné linky na silikónovú fotoniku alebo štandardizované fotonické PDK (Process Design Kits) pre zákazníkov ansys.com. Táto štandardizácia znamená, že startupy alebo menšie firmy môžu navrhovať fotonické obvody a dať si ich vyrobiť bez potreby vlastnej továrne – podobne ako fungujú fabless spoločnosti v oblasti elektronických čipov. Pravidelne sa organizujú multi-projektové wafer (MPW) shuttle pre fotonické čipy, kde si viacero návrhov delí jeden wafer, čo výrazne znižuje náklady na prototypovanie. Priemyselné skupiny pracujú na štandardizovaných riešeniach balenia (optické I/O rozhrania, metódy pripojenia vlákien), aby bolo možné fotonické čipy jednoduchšie integrovať do produktov. Založenie American Institute for Manufacturing Integrated Photonics (AIM Photonics) bolo veľkým impulzom: toto verejno-súkromné konzorcium zriadilo zlievareň a baliacu linku na silikónovú fotoniku v New Yorku a nedávno získalo 321 miliónov dolárov na 7-ročný program (do roku 2028) na podporu výroby integrovaných fotoník v USA. nsf.gov. Podobne v Európe poskytujú výskumné inštitúty ako IMEC v Belgicku a CEA-Leti vo Francúzsku platformy pre silikónovú fotoniku a podporili vznik klastrov fotonických startupov. V Číne sa tiež rozbieha silikónová fotonika, pričom spoločnosti ako InnoLight a Huawei investujú do domácich schopností výroby fotonických čipov optics.orgoptics.org. Všetky tieto udalosti naznačujú, že silikónová fotonika už nie je experimentálnou technológiou – stáva sa štandardnou súčasťou polovodičového nástrojového vybavenia.
• Vyššie rýchlosti a nové materiály: Z technologického hľadiska vidíme rýchly pokrok v zvyšovaní výkonu kremíkových fotonických zariadení. 800G optické transceivery sú už vo fáze vzoriek, boli demonštrované 1,6 Tb/s moduly optics.org a do roku 2026 sa očakávajú 3,2 Tb/s zasúvateľné moduly optics.org. Na dosiahnutie týchto rýchlostí inžinieri využívajú všetko od 16-kanálového vlnového multiplexovania až po pokročilé modulačné formáty – v podstate využívajú optickú doménu na zabalenie väčšieho množstva bitov. Na úrovni zariadení sa do kremíkovej fotoniky integrujú nové materiály, aby sa prekonali obmedzenia kremíka. Hlavným príkladom je tenkovrstvový lítium-niobát (TFLN) na kremíku, ktorý poskytuje veľmi rýchle modulátory s Pockelsovým efektom s nízkymi stratami. To by mohlo umožniť modulátory zvládajúce šírky pásma modulácie nad 100 GHz, vhodné pre budúce 1,6T a 3,2T linky alebo dokonca pre kvantové aplikácie optics.org. Startupy ako HyperLight komercializujú tieto hybridné LiNbO3/Si čipy. Ďalšie materiály vo výskume a vývoji zahŕňajú bárium-titanátové (BTO) elektrooptické modulátory a materiály dopované vzácnymi zeminami pre lasery/zosiľňovače na čipe optics.org. Pokračuje sa aj v práci na integrácii III-V polovodičov (InP, GaAs) na kremík pre lepšie lasery a optické zosilňovače – napríklad kvantovo-bodkové lasery priamo pestované na kremíku dosiahli veľký pokrok a riešia problémy so spoľahlivosťou, ktoré trápili skoršie pokusy nature.comnature.com. Stručne povedané, paleta materiálov pre kremíkovú fotoniku sa rozširuje, čo prinesie vyšší výkon a nové funkcie. Dokonca vidíme, že kremíkovo-fotonické mikrokombinátory (zdroje optických frekvenčných hrebienkov) sa používajú na aplikácie ako ultrarýchly prenos dát a presná spektroskopia, čo by pred desiatimi rokmi znelo ako sci-fi.
• Nové aplikácie a produkty: Popri hlavných aplikáciách sa v roku 2025 objavujú aj nové prípady použitia. Jedným z nich je optické počítanie pre AI (spomínané vyššie), ktoré sa posúva z výskumných demonštrácií k prvým produktom – napríklad Lightelligence predstavila fotonický hardvér na urýchlenie AI inferencie. Ďalším príkladom sú optické prepojenia medzi čipmi v pokročilom balení: keďže firmy skúmajú multichipové moduly a čipletové architektúry, optické prepojenia môžu tieto čiplety spájať vysokou rýchlosťou naprieč balením alebo interposerom. Štandardy ako UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express) dokonca zvažujú optické PHY rozšírenia. Vidíme aj záujem vlád: DARPA a ďalšie agentúry majú programy na využitie fotonických prepojení v obranných systémoch (pre špičkové spracovanie a smerovanie RF signálov). A v spotrebiteľskej oblasti sa špekuluje, že v priebehu niekoľkých rokov by sa optické I/O mohlo objaviť v spotrebiteľských zariadeniach – napríklad AR/VR headset využívajúci kremíkový fotonický čip na vysokopásmové prepojenie senzorov, alebo optický Thunderbolt kábel pre AR okuliare. Hoci tu ešte nie sú, tieto nápady sú už na rysovacích doskách.

Zhrnuté, rok 2025 nachádza kremíkovú fotoniku v bode zlomu: na trh prichádzajú významné komerčné produkty (najmä v oblasti sietí), prúdi obrovské množstvo investícií a ekosystém dozrieva. Je čoraz jasnejšie, že optika bude v budúcnosti zohrávať základnú úlohu v oblasti výpočtov a konektivity. Ako to vyjadril jeden z komentátorov odvetvia, v druhej polovici tohto desaťročia mnohí očakávajú, že optické I/O sa presunie z pilotných liniek do hlavnej výroby – „generácia výpočtových jednotiek v roku 2025 možno ešte nebude mať kremíkovú fotoniku, ale generácia 2026 už áno a generácia 2027 takmer určite“, pretože v konečnom dôsledku nemáme na výber – „čas medi sa skončil.“ nextplatform.com

Výzvy a obmedzenia

Napriek všetkému nadšeniu kremíková fotonika čelí niekoľkým výzvam a obmedzeniam, ktoré sa výskumníci a inžinieri aktívne snažia prekonať. Je to prelomová technológia, ale zatiaľ nie zázračné riešenie – aspoň zatiaľ nie. Tu sú hlavné prekážky:

• Integrácia svetelných zdrojov: Pravdepodobne najznámejším obmedzením je, že kremík nie je dobrý na generovanie svetla. Kremík má nepriamu pásmovú medzeru, čo znamená, že nemôže fungovať ako laser alebo efektívna LED. Ako to priamo pomenoval priekopník fotoniky John Bowers, „Kremík je neuveriteľne zlý ako svetelný emitor.“ nature.com Jeho vnútorná účinnosť je takmer nulová – asi jeden z milióna elektrónov v kremíku vyprodukuje fotón – zatiaľ čo polovodiče III-V ako fosfid india alebo arzenid gália môžu emitovať svetlo s takmer 100% účinnosťou nature.com. To znamená, že ak chcete mať lasery na kremíkovej fotonickej čipe, zvyčajne musíte zaviesť iné materiály. Dá sa to dosiahnuť hybridnou integráciou (spájanie kúsku InP doštičky s laserovými diódami na kremíkovú doštičku) alebo novšími technikami, ako je priame pestovanie nanostruktúrovaných III-V laserov na kremíku. Pokrok v tejto oblasti je sľubný: firmy a laboratóriá (Intel, UCSB, atď.) už demonštrovali hybridne integrované lasery vo veľkom meradle a nedávno aj kvantovo-bodové lasery pestované na 300 mm kremíkových doštičkách s dobrou spoľahlivosťou nature.comnature.com. Napriek tomu integrácia laserov pridáva zložitosť a náklady. Ak je laser mimo čipu (v samostatnom laserovom module pripojenom cez optické vlákno), potom čelíte výzve efektívneho navádzania tohto svetla do malých vlnovodov na čipe. Stručne povedané, dostať svetlo na čip nie je triviálna úloha. Priemysel skúma riešenia ako heterogénna integrácia (viac materiálov na jednom čipe) a dokonca aj nové prístupy ako elektricky čerpané germáno-kremíkové lasery alebo Ramanove lasery na kremíku, ale tieto sú stále vo vývoji. K roku 2025 väčšina kremíkových fotonických systémov používa buď hybridné lasery, alebo externé lasery pripojené zvonka. Toto je jedna z kľúčových oblastí prebiehajúceho výskumu.
• Výroba a výťažnosť: Kremíkové fotonické obvody je možné vyrábať v existujúcich fabrikách, ale majú odlišné požiadavky ako elektronické čipy. Optika napríklad vyžaduje veľmi presnú kontrolu rozmerov – odchýlky len niekoľkých nanometrov v šírke alebo rozstupe vlnovodov môžu zmeniť vlnovú dĺžku rezonátorov alebo fázu svetla. Dosiahnutie vysokej výťažnosti (t. j. konzistentného výkonu naprieč mnohými čipmi) je náročné. Navyše, integrácia viacerých typov materiálov (kremík, kremíkový nitrid, III-V, kovy) v jednom výrobnom procese môže priniesť zložitosť. Spojenie vlákien s čipom je tiež výzvou pre výťažnosť a výrobu; zarovnanie drobných optických vlákien s vlnovodmi v mierke mikrónov často v súčasnosti zahŕňa drahé aktívne zarovnávanie. Niektoré z týchto krokov sú vo výrobe stále polo-manualne, čo sa zle škáluje. Prebieha veľa práce na zlepšení obalových techník, napríklad použitím štandardizovaných jednotiek na pripojenie vlákien alebo začlenením mriežkových spojok, ktoré umožňujú jednoduchšie pripojenie vlákien zozadu čipu. Balenie kombinovaných elektronických + fotonických čipov je tiež zložité – napríklad ak máte fotonický čip a elektronický ASIC v jednom balení, musíte ich zarovnať a zároveň riadiť teplo (pretože horúca elektronika môže rušiť fotoniku). Ansys poznamenáva, že ak elektronika a fotonika zdieľajú čip, výrobný prístup musí vyvážiť potreby oboch, a ak sú to samostatné čipy, je potrebné pokročilé balenie – „tvorba tepla v elektronike môže ovplyvniť fotoniku.“ ansys.com Tepelné ladenie je ďalší problém: mnohé kremíkové fotonické filtre a modulátory sa spoliehajú na tepelné efekty, takže zmeny teploty môžu rozladiť obvody, čo si vyžaduje energiu na stabilizáciu. Toto všetko komplikuje výrobu a zvyšuje náklady.
• Náklady a objem: Keď už hovoríme o nákladoch – hoci kremíková fotonika sľubuje nízke náklady vďaka využitiu veľkoobjemových kremíkových fabrík, dnešná realita je taká, že tieto zariadenia sú stále relatívne špecifické a drahé. Priemysel dodáva milióny kusov (ako transceivery v dátových centrách), ale na skutočné zníženie nákladov bude pravdepodobne potrebné dodávať miliardy kusov ročne ansys.com. Inými slovami, ešte nedosiahla úroveň komoditnej elektroniky. Zariadenia často tiež vyžadujú špeciálne balenie (ako bolo spomenuté) a testovanie, čo zvyšuje náklady. Súčasný kremíkový fotonický transceiver pre dátové centrá môže stáť stovky až tisíce dolárov, čo je pre tento trh prijateľné, ale pre spotrebiteľské trhy príliš vysoké. Ekonomika je pri veľmi veľkom objeme trochu neistá – ako poukázala jedna správa, veľkí cloudoví zákazníci sa obávajú spoľahlivosti a nákladovej štruktúry, ak by mali kremíkovú fotoniku široko prijať, keďže technológia ešte nedosiahla výrobnú krivku učenia ako bežný kremík nextplatform.com. Náklady sa však postupne zlepšujú a pomáhajú aj snahy ako štandardizované PDK vo foundry a automatizácia. V priebehu nasledujúcich rokov, ako sa bude zvyšovať objem (poháňaný AI a dátovými centrami), by sme mali vidieť pokles nákladov, čo následne otvorí ďalšie trhy (je to pozitívny cyklus, keď sa rozbehne). Napriek tomu v roku 2025 môže byť cena za zariadenie obmedzujúcim faktorom pre prijatie kremíkovej fotoniky v aplikáciách citlivých na cenu.
• Spotreba energie a účinnosť: Hoci kremíková fotonika môže znížiť spotrebu energie pri prenose dát pri veľmi vysokých rýchlostiach, samotné zariadenia stále spotrebúvajú energiu – napr. modulátory často využívajú tepelné ladenie alebo PN prechody, ktoré odoberajú prúd, a lasery samozrejme spotrebúvajú energiu. Existuje režijný náklad na konverziu elektronických signálov na optické a späť. Aby sa na úrovni systému skutočne ušetrila energia, tieto režijné náklady musia byť menšie ako úspory z odstránenia dlhých elektrických prepojení. Dnešné kremíkové fotonické transceivery sú pomerne energeticky efektívne (v rádoch niekoľkých pikojoulov na bit pri optickej konverzii), ale je snaha dostať sa ešte nižšie, najmä ak sa optické I/O používa na čipe alebo v pamäťových zberniciach, kde musí byť účinnosť veľmi vysoká. Jedným sľubným prístupom je použitie elektrooptických materiálov (ako LiNbO3 alebo BTO), ktoré dokážu modulovať svetlo pri veľmi nízkom napätí (a teda nižšej spotrebe) namiesto tepelného ladenia. Tiež integrácia efektívnejších svetelných zdrojov (ako kvantovo-bodkové lasery) by mohla znížiť plytvanie energiou v laseroch (súčasné lasery s distribuovanou spätnou väzbou často veľa energie premieňajú na teplo). Takže hoci kremíková fotonika rieši problém spotreby energie pre prepojenia v makro mierke, v mikro mierke inžinieri stále optimalizujú spotrebu energie zariadení jednotlivo. Dobrá správa: aj pri súčasnej technológii môžu optiky zabudované v balení znížiť celkovú spotrebu energie na prepojenia o ~30 % v porovnaní s tradičnými zasúvateľnými riešeniami laserfocusworld.com, a budúce vylepšenia pravdepodobne tieto úspory ešte zvýšia.
• Dizajn a dizajnové nástroje: Toto je menej zrejmá, ale dôležitá výzva: navrhovanie fotonických obvodov je nová zručnosť a EDA (Electronic Design Automation) nástroje pre fotoniku nie sú také vyspelé ako tie pre elektroniku. Simulácia optických obvodov, najmä veľkých s mnohými komponentmi, môže byť zložitá. Variabilita vo výrobe musí byť zohľadnená v návrhu (môžete potrebovať tepelné tunery na opravu drobných chýb). Je potrebné lepšie dizajnové nástroje, ktoré dokážu ko-optimalizovať elektronické a fotonické časti obvodov, často nazývané EPDA (Electronic Photonic Design Automation). Ekosystém dobieha – spoločnosti ako Synopsys, Cadence a Lumerical (Ansys) majú nástroje na fotonický dizajn – ale stále ide o rozvíjajúcu sa oblasť. S tým súvisí aj nedostatok štandardov v niektorých oblastiach: hoci mnohé foundrie ponúkajú PDK, každá môže mať iné knižnice komponentov a parametre. To môže spôsobiť, že dizajny sú menej prenositeľné ako elektronické návrhy. Priemysel smeruje k spoločným štandardom (napríklad výmenný formát rozloženia pre fotonické obvody alebo štandardizované modely komponentov), ale je potrebné ešte viac práce na zefektívnení návrhového procesu. Budovanie robustného talentového zázemia je tiež kľúčové: sú potrební inžinieri, ktorí rozumejú aj RF/mikrovlnnému analógovému návrhu aj optickej fyzike, a tých je nedostatok (hoci mnohé univerzity už produkujú absolventov v tejto medziodborovej oblasti).
• Výkonnostné obmedzenia: Aj keď kremíková fotonika dramaticky zlepšuje niektoré parametre, má svoje vlastné fyzikálne limity. Optické straty vo vlnovodoch, hoci sú nízke (~dB/cm), sa v rozsiahlych obvodoch kumulujú a tesné ohyby alebo malé prvky môžu straty zvýšiť. Je tiež potrebné minimalizovať straty pri prechode z vlákna na čip. Tepelná citlivosť kremíka (refrakčný index sa mení s teplotou) znamená, že mnohé kremíkové fotonické obvody potrebujú stabilizáciu alebo kalibráciu. Šírkové obmedzenia pásma sa môžu objaviť v modulátoroch alebo detektoroch – napríklad kremíkové kruhové modulátory majú konečnú šírku pásma a môžu byť citlivé na teplotu, zatiaľ čo Mach-Zehnderove modulátory potrebujú starostlivé inžinierstvo na dosiahnutie veľmi vysokej rýchlosti bez skreslenia. Chromatická disperzia vo vlnovodoch môže obmedziť veľmi širokopásmové aplikácie (hoci zvyčajne to nie je problém na krátke vzdialenosti na čipe). Ďalší jemný bod: elektronicko-fotonická integrácia znamená, že často musíte spolunavrhnúť elektroniku (napríklad budiace zosilňovače, TIA pre detektory) s fotonikou. Rozhranie medzi nimi môže obmedziť celkový výkon (napr. ak modulátor potrebuje určitý napäťový rozsah, potrebujete budič, ktorý to dokáže rýchlo dodať). Takže systémové inžinierstvo je zložité. Navyše, nie všetky aplikácie odôvodňujú použitie fotoniky – pre veľmi krátke, nízkorýchlostné prepojenia môže byť elektrické riešenie stále lacnejšie a jednoduchšie. Takže vedieť, kde nasadiť kremíkovú fotoniku pre maximálny úžitok, je samo o sebe dôležité rozhodnutie.

Zhrnuté, hoci žiadna z týchto výziev nie je neprekonateľná, spoločne znamenajú, že kremíková fotonika má pred sebou ešte určitý vývoj. Mnohé z najbystrejších myslí v oblasti fotoniky a elektroniky aktívne riešia tieto problémy: integráciu lepších laserov, zlepšovanie balenia, škálovanie výroby a rozširovanie dizajnérskych možností. Pokrok dokonca aj za posledných pár rokov je povzbudzujúci. Ako poznamenal prof. Bowers, výzvy ako integrácia III-V laserov do CMOS, zlepšovanie výťažnosti a pripájania vlákien, či znižovanie nákladov sa všetky riešia s „veľmi rýchlym pokrokom“ nature.com. Každý rok prináša zlepšenia a rozdiel medzi laboratórnym prototypom a masovou výrobou sa trochu zmenšuje. Stojí za to si pripomenúť, že elektronické integrované obvody potrebovali desaťročia intenzívneho úsilia, aby dosiahli dnešný rozsah – kremíková fotonika je v porovnaní s tým ešte v oveľa skoršej fáze svojej cesty, ale rýchlo dobieha.

Popredné spoločnosti a inštitúcie v tejto oblasti

Kremíková fotonika sa stala globálnym úsilím, pričom mnohé spoločnosti (od startupov po technologických gigantov) a výskumné inštitúcie posúvajú tento odbor vpred. Podľa prieskumov trhu patria medzi najväčších hráčov na trhu kremíkovej fotoniky (k roku 2025) priemyselní giganti ako Cisco, Intel a IBM, spolu so špecialistami ako NeoPhotonics (Lumentum), Hamamatsu Photonics a STMicroelectronics expertmarketresearch.com. Tu je prehľad niektorých kľúčových prispievateľov:

• Intel Corporation (USA): Priekopník v oblasti kremíkovej fotoniky, Intel investoval do tejto technológie skoro a vo veľkom. V roku 2016 predstavil jeden z prvých 100G kremíkových fotonických transceiverov a odvtedy dodal milióny zariadení optics.org. Intel používa kremíkovú fotoniku vo vysokorýchlostných optických transceivroch a presadzuje ju aj do budúcich serverových CPU a edge aplikácií. Víziou spoločnosti je „umožniť budúci rast šírky pásma dátových centier“ pomocou fotoniky, škálovať od 100G po 400G a viac, a integrovať optiku s procesormi pre aplikácie ako 5G a autonómne vozidlá expertmarketresearch.com, tanaka-preciousmetals.com. Divízia Silicon Photonics spoločnosti Intel nedávno nadviazala partnerstvo s Jabilom na výrobu, čo naznačuje dozrievanie smerom k vysokoobjemovej produkcii optics.org. Intel tiež skúma ko-balenú optiku pre prepínače a má podiel v mnohých fotonických startupoch (napríklad Ayar Labs).
• Cisco Systems (USA): Cisco, gigant v oblasti sietí, vstúpilo do kremíkovej fotoniky prostredníctvom akvizícií (napr. akvizícia Luxtera v roku 2019) a teraz je popredným dodávateľom kremíkových fotonických optických transceiverov pre dátové centrá a telekomunikácie. Cisco využíva svoju fotonickú technológiu v produktoch od 100G/400G zasúvateľných modulov až po budúce ko-balené optické prepínače. Riešenia Cisco profitujú z interného návrhu fotonických IO, ktoré dosahujú vysokú hustotu a energetickú efektívnosť. Vďaka využitiu kremíkovej fotoniky poskytuje Cisco zákazníkom vysokorýchlostné prepojenia s menšími rozmermi. V roku 2025 je Cisco jedným z lídrov trhu, ktorý dodáva kremíkovú fotoniku vo veľkých objemoch expertmarketresearch.com.
• IBM Corporation (USA): IBM má dlhú históriu vo výskume optických prepojení. Jeho tím Silicon Photonics, s viac ako desaťročím výskumu a vývoja, vyvinul vysokorýchlostnú technológiu optických prepojení zameranú na prepojenia na úrovni dosiek a procesorov expertmarketresearch.com. Výskum IBM priniesol pokroky v oblasti kremíkových mikrokruhových modulátorov, vlnovej multiplexácie a balenia. Hoci IBM nepredáva transceivery ako Intel alebo Cisco, často spolupracuje na prototypoch (napríklad IBM a Mellanox v roku 2015 predstavili optické prepojenie pre servery). Dôraz IBM je na využívaní fotoniky na riešenie výkonnostných úzkych miest v počítačoch (napr. procesor POWER10 využíva fotonické prepojenia na off-chip signalizáciu prostredníctvom partnerstiev). IBM tiež prispieva k štandardom a otvorenému výskumu; jeho práca sa často objavuje na konferenciách ako OFC a CLEO.
• NeoPhotonics/Lumentum (USA): NeoPhotonics (teraz súčasťou Lumentum od roku 2022) sa špecializuje na lasery a fotonické komponenty pre telekomunikácie a dátové centrá. Vyvinuli ultračisté laditeľné lasery a vysokorýchlostné modulátory. Významné je, že NeoPhotonics predstavila kremíkové fotonické koherentné optické submontáže (COSA) pre komunikáciu 400G na vlnovú dĺžku a skúmala 800G a viac expertmarketresearch.com. Ako súčasť Lumentum (významného hráča v optickom priemysle) táto expertíza prispieva k novej generácii koherentných transceiverov a pluggable modulov pre telekomunikácie. Vlastníctvo Lumentum znamená, že tieto kremíkové fotonické produkty môžu byť integrované s existujúcim portfóliom fotoniky Lumentum (napr. ich indium-fosfidové modulátory a zosilňovače).
• Hamamatsu Photonics (Japonsko): Líder v oblasti optoelektronických komponentov, Hamamatsu vyrába širokú škálu fotonických zariadení (fotodiódy, fotonásobiče, obrazové senzory atď.). Hamamatsu využíva kremíkové procesy na výrobu zariadení ako sú kremíkové fotodiódové polia a kremíkové optické senzory expertmarketresearch.com. Hoci sa nezameriavajú tak silno na vysokorýchlostné transceivery, práca Hamamatsu v oblasti kremíkovej fotoniky je kľúčová pre snímanie a vedecké prístroje. Poskytujú kremíkové PIN fotodiódy, APD a optické senzorové čipy, ktoré sú základom pre prijímače optickej komunikácie a detektory LiDAR. Ich expertíza v oblasti nízkošumovej, vysoko citlivej fotoniky dopĺňa digitálnu komunikačnú stránku kremíkovej fotoniky.
• STMicroelectronics (Švajčiarsko/Európa): STMicro je veľký výrobca polovodičov, ktorý vyvinul vlastné kapacity v oblasti kremíkovej fotoniky. STMicro sa zameriava na integrované zobrazovacie a snímacie riešenia – napríklad vyrobili kremíkové fotonické čipy pre vláknové gyroskopy a pracovali na výskume a vývoji optických prepojení v európskych konzorciách. Pokročilé továrne a MEMS schopnosti STMicro ho dobre predurčujú na kremíkovú fotoniku, ktorá vyžaduje integráciu s inými senzormi alebo elektronikou expertmarketresearch.com. Krajiny ako Francúzsko a Taliansko (kde má ST významné prevádzky) podporujú fotoniku prostredníctvom iniciatív a ST je často ich partnerom. Hovorí sa tiež, že dodávajú niektoré kremíkové fotonické komponenty pre priemyselné a automobilové systémy.
• GlobalFoundries (USA) a TSMC (Taiwan): Títo zmluvní výrobcovia čipov si každý vybudoval ponuku v oblasti kremíkovej fotoniky. GlobalFoundries má známy 45 nm proces kremíkovej fotoniky (GF 45CLO) a spolupracoval so startupmi ako Ayar Labs na výrobe optických I/O čipov. TSMC je v tomto smere tajomnejší, ale údajne spolupracuje s veľkými technologickými firmami na výrobe fotonických integrovaných čipov (napríklad niektoré fámy o Apple naznačujú zapojenie TSMC do fotonických senzorov). Obaja sú kľúčoví pre škálovanie výroby – zapojenie veľkých foundrií znamená, že každá fabless spoločnosť môže ľahšie získať prototypy a sériovú výrobu fotonických čipov. V skutočnosti je zapojenie takýchto foundrií silným indikátorom, že kremíková fotonika sa stáva mainstreamom.
• Infinera (USA) a Coherent/II-VI (USA): Infinera je výrobca telekomunikačných zariadení, ktorý sa už v začiatkoch zameral na fotonické integrované obvody (hoci na indiumfosfide). Odvtedy sa prispôsobili a v niektorých produktoch alebo na spolubalenie s ich InP PICs používajú aj kremíkovú fotoniku. Coherent (ktorý získal Finisar a neskôr prevzal názov Coherent) je hlboko zapojený do optických komponentov; majú vlastné InP továrne, ale vyvíjajú aj kremíkové fotonické transceivery pre dátové centrá optics.org. Tieto spoločnosti prinášajú telekomunikačný dôraz na spoľahlivosť a výkon, čím posúvajú kremíkovú fotoniku k splneniu požiadaviek operátorskej triedy (napr. moduly 400ZR pre koherentné spoje na väčšie vzdialenosti).
• Ayar Labs, Lightmatter a startupy: Vlna inovatívnych startupov poháňa kremíkovú fotoniku do nových oblastí. Diskutovali sme o Ayar Labs (optické I/O pre AI/HPC) a Lightmatter (optické výpočty). Medzi ďalšie patria Lightelligence (ďalší startup s optickým AI čipom), Luminous Computing (integrácia fotoniky a elektroniky pre AI), Celestial AI (optické siete pre výpočtové klastre), OpenLight (spoločný podnik ponúkajúci otvorenú fotonickú platformu s integrovanými lasermi) a Rockley Photonics (zamerané na zdravotné senzory, teraz väčšinou získané spoločnosťou Celestial). Tieto startupy sú pozoruhodné svojimi ambicióznymi prístupmi – napr. Lightmatterov 3D-integrovaný fotonický tenzorový jadro alebo snaha Luminous vybudovať plnohodnotný fotonický počítač. Často spolupracujú s veľkými spoločnosťami (napríklad HPE spolupracovalo s Ayar Labs na použití optických prepojení v superpočítačovej prepojovacej sieti nextplatform.com). Startupová scéna je živá a ich prítomnosť prinútila etablované firmy zrýchliť tempo. Jeden z pozorovateľov odvetvia poznamenal, že spolu s Ayar majú spoločnosti ako Lightmatter a Celestial AI „všetky šancu presadiť sa, keďže kremíková fotonika prepája výpočtové jednotky a prepojenia.“ nextplatform.com
• Akademické a výskumné inštitúcie: Na inštitucionálnej strane zohrávajú popredné univerzity a národné laboratóriá kľúčovú úlohu v pokroku kremíkovej fotoniky. University of California, Santa Barbara (UCSB) pod vedením prof. Johna Bowersa je lídrom v odbore, priekopníkom hybridných kremíkových laserov a kvantových bodových laserov na kremíku. MIT, Stanford, Columbia (so skupinou prof. Michala Lipsona) a Caltech sú ďalšie americké centrá výskumu kremíkovej fotoniky, ktoré sa venujú všetkému od novej fyziky modulátorov až po architektúry fotonického počítania. V Európe vedie významný program kremíkovej fotoniky a službu viacerých projektových waferov (iSiPP) IMEC v Belgicku a silné skupiny majú aj University of Southampton, TU Eindhoven, EPFL a ďalšie. Inštitút AIM Photonics v USA (spomenutý vyššie) spája mnohé z týchto univerzít a firiem na spoluprácu a poskytuje národné kapacity pre výrobu čipov. Vládne laboratóriá ako MIT Lincoln Lab a IMEC dokonca predviedli sofistikovanú integrovanú fotoniku pre obranu (napr. optické fázové polia pre LiDAR). Okrem toho medzinárodné spolupráce a konferencie (ako Optical Fiber Conference, ISSCC, IEEE Photonics Society meetings) umožňujú týmto inštitúciám zdieľať prelomové objavy. Odbor profituje zo zdravého prepojenia akademickej sféry a priemyslu: mnohí zakladatelia startupov a lídri v priemysle boli vyškolení v týchto výskumných laboratóriách a prebiehajúci akademický výskum naďalej posúva hranice (napríklad v integrácii nových materiálov alebo kvantovej fotonike, ako bolo spomenuté).

Všetci títo hráči – veľké technologické firmy, špecializovaní výrobcovia komponentov, ambiciózne startupy a špičkové výskumné laboratóriá – tvoria bohatý ekosystém, ktorý spoločne posúva kremíkovú fotoniku vpred. Konkurencia a spolupráca medzi nimi urýchľuje inovácie. Výraznú úlohu zohráva aj geopolitika: je tu uvedomelá súťaž medzi USA, Európou a Čínou o to, kto bude lídrom vo fotonických technológiách csis.org, vzhľadom na ich strategický význam pre komunikácie a výpočty. To viedlo k zvýšeným verejným investíciám (napr. PhotonHub EÚ a čínske národné fotonické iniciatívy). Pre bežného technologického nadšenca je záverom to, že veľa šikovných ľudí a značné zdroje na celom svete sa sústreďujú na to, aby naše budúce čipy komunikovali pomocou svetla.

Odborné pohľady a citáty

Počas vzostupu kremíkovej fotoniky ponúkali odborníci v odbore pohľady, ktoré pomáhajú zasadiť jej vplyv do kontextu. Tu je niekoľko pozoruhodných postrehov:

• O paradigmatickej zmene v oblasti kremíkovej fotoniky: „Kremíkovú fotoniku som často opisoval ako viac než len inkrementálne zlepšenie — je to paradigmatická zmena,“ hovorí René Jonker, výkonný pracovník spoločnosti Soitec, pričom zdôrazňuje, že na rozdiel od medených prepojení, ktoré narážajú na svoje limity, optické prepojenia poskytujú udržateľný spôsob zvládania rastúcich požiadaviek na dáta. Hoci stále existujú výzvy v znižovaní nákladov a škálovaní výroby, výhody – „vyššia priepustnosť, nižšia latencia a nižšia spotreba energie“ – robia z kremíkovej fotoniky „nepostrádateľnú súčasť našej budúcej infraštruktúry.“ laserfocusworld.com
• O spotrebe energie a optike v dátových centrách: Komentár v Laser Focus World z roku 2025 zdôraznil naliehavosť v dátových centrách: do konca desaťročia by dátové centrá mohli spotrebovať 8 % elektriny v USA, ak budú trendy pokračovať, čo je „neudržateľné s existujúcimi elektrickými prepojeniami.“ Autor dospel k záveru, že „optické prepojenia, umožnené kremíkovou fotonikou, sú jedinou škálovateľnou cestou vpred.“ laserfocusworld.com Inými slovami, aby sme sa vyhli energetickej a priepustnostnej kríze, prechod na optické prepojenia nie je len možnosť – je to nevyhnutnosť.
• O výzvach integrácie: Profesor John Bowers (UCSB), významná osobnosť v oblasti fotoniky, sa vyjadril k najväčšej výzve: „Hlavnou výzvou je integrácia III–V materiálov do kremíkového CMOS… Stále existujú problémy s vysokou výťažnosťou, vysokou spoľahlivosťou, znižovaním nákladov a pripájaním vlákien. Balenie elektroniky a fotoniky dohromady je výzva… Ale pokrok je veľmi rýchly.“ nature.com To podčiarkuje, že hoci je integrácia laserov (III–V materiály) a dosiahnutie dokonalých výťažkov náročné, lídri v odvetví ako Intel dosahujú stabilný pokrok a riešenia sú na obzore.
• O emisií svetla v kremíku: V tom istom rozhovore Bowers pestro vysvetlil, prečo lasery potrebujú niečo iné než kremík: „Kremík je neuveriteľne zlý ako žiarič svetla. Jeho vnútorná kvantová účinnosť je asi jedna časť z milióna, zatiaľ čo účinnosť priamopásmových III–V je v podstate 100 %. Od začiatku som vedel, že potrebujeme priamopásmový polovodič…“ nature.com. Toto úprimné hodnotenie vysvetľuje, prečo jeho tím už na začiatku vyvíjal hybridné lasery (spájanie InP so Si) – prístup, ktorý sa vyplatil s Intelovým hybridným kremíkovým laserom v roku 2007 a neskôr.
• O dosahovaní servera pomocou optiky: Robert Blum, senior riaditeľ pre fotoniku v Inteli, ilustroval, ako sa optika postupne presúva do vnútra dátových centier: „Keď dnes vojdete do dátového centra, uvidíte 100 Gb/s medené káble… stačí to na štyri metre. Ale všetko mimo racku už používa optiku. Ako prechádzame na 200 alebo 400 Gb/s, [dosah] medi sa výrazne skracuje a začíname vidieť trend, kde optika siaha až k serveru.“ tanaka-preciousmetals.com Tento citát živo vystihuje prebiehajúci prechod – optika postupne nahrádza meď od jadra siete smerom k okrajom.
• O raste trhu a umelej inteligencii: „Nárast AI vyvolal bezprecedentný dopyt po vysokovýkonných transceivroch… Kremíková fotonika a PIC sú v popredí tejto revolúcie,“ poznamenáva Sam Dale, technologický analytik v IDTechX, pričom poukazuje na schopnosť kremíkovej fotoniky dosahovať „rýchlosti 1,6 Tbps a viac.“ optics.org Jeho správa predpovedá, že trh s fotonickými integrovanými obvodmi by mohol do roku 2035 narásť takmer desaťnásobne (na 54 miliárd dolárov), a to najmä vďaka potrebám AI dátových centier optics.org.
• O budúcnosti výpočtovej techniky: Analytici z The Next Platform predpovedajú, že optické I/O sa čoskoro objaví v HPC systémoch. Poznamenávajú, že v rokoch 2026–2027 pravdepodobne uvidíme bežné CPU/GPU s optickými rozhraniami, pretože „v blízkej budúcnosti nemáme na výber.“ Ich farebným vyjadrením, „Čas medi sa skončil.“ nextplatform.com Toto vystihuje bežný názor v odvetví: elektrické prepojenia nebudú stačiť pre ďalšiu éru výpočtovej techniky a fotonika musí prevziať vedenie, aby sme sa vyhli narazeniu na stenu.

Tieto poznatky od odborníkov zdôrazňujú ako prísľub, tak aj prekážky kremíkovej fotoniky. Opakuje sa tu jeden motív: kremíková fotonika je prelomová – umožňuje potrebný skok vo výkone – no prináša so sebou vážne technologické výzvy, ktoré sa rýchlo riešia. Odborníci zdôrazňujú zmes optimizmu (paradigmatická zmena, nevyhnutná budúcnosť) a realizmu (problémy s integráciou, náklady a otázky škálovania). Ich pohľady pomáhajú širokej verejnosti pochopiť, prečo je kremíková fotonika taká vzrušujúca pre toľko firiem a výskumníkov, a tiež prečo trvalo niekoľko desaťročí, kým sa táto technológia rozbehla. Počuť to priamo od ľudí z prvej línie – či už je to skúsený výskumník alebo produktový manažér – dáva kontext, že ide o oblasť, kde sa fyzika, inžinierstvo a trhové sily stretávajú fascinujúcim spôsobom.

Najnovšie správy a míľniky

Oblasť kremíkovej fotoniky je veľmi dynamická. Tu je niekoľko najnovších správ a míľnikov (zhruba za posledný rok), ktoré ilustrujú rýchly pokrok v tomto odbore:

• Celestial AI získava duševné vlastníctvo Rockley Photonics (október 2024): Celestial AI, startup vyvíjajúci optické prepojenia Photonic Fabric™ pre AI, oznámil, že získal portfólio patentov na kremíkovú fotoniku spoločnosti Rockley Photonics za 20 miliónov dolárov datacenterdynamics.com. Rockley vyvinul pokročilé kremíkové fotonické senzory a neskôr sa zameral na nositeľné zdravotnícke zariadenia, než čelil bankrotu. Táto dohoda poskytla Celestial AI viac ako 200 patentov, vrátane technológií pre elektro-optické modulátory a optické prepínanie využiteľné v dátových centrách datacenterdynamics.com. Ide o významnú konsolidáciu, ktorá naznačuje, akú hodnotu má fotonické duševné vlastníctvo v oblasti AI/dátových centier. Inovácie spoločnosti Rockley (ako širokopásmové lasery na snímanie) môžu nájsť nové uplatnenie integrované do optických prepojovacích riešení Celestial.
• Významné financovanie startupov – Ayar Labs & Lightmatter (koniec 2024): Dva americké startupy získali veľké investičné kolá. Ayar Labs uzavrel 155 miliónov dolárov v kole Series D v decembri 2024, pričom sa zúčastnili lídri polovodičového priemyslu (Nvidia, Intel, AMD prispeli spolu s VC) nextplatform.com. Toto kolo zvýšilo hodnotu Ayar nad 1 miliardu dolárov, čo signalizuje dôveru v jeho optickú I/O technológiu v balíčku, ktorá má nahradiť elektrické I/O v budúcich procesoroch. Len niekoľko týždňov predtým získal Lightmatter 400 miliónov dolárov v kole Series D (október 2024), čím zdvojnásobil svoje celkové financovanie a jeho hodnota dosiahla 4,4 miliardy dolárov nextplatform.com. Lightmatter vyvíja fotonické výpočtové čipy a technológiu optických prepojovacích platforiem pre AI akceleráciu. Takéto veľké investície sú pozoruhodné – ukazujú, že investori (a strategickí partneri) veria, že tieto startupy dokážu vyriešiť kľúčové problémy v AI a výpočtovej technike pomocou optických technológií. Znamená to tiež, že môžeme očakávať prechod týchto spoločností z prototypov na produkty; Lightmatter už nasadzuje testovacie systémy a optické čiplety Ayar sú určené na pilotné použitie v HPC systémoch.
• Intel outsourcuje transceivery spoločnosti Jabil (koniec roka 2023): V zaujímavom zvrate sa Intel na konci roka 2023 rozhodol previesť svoj vysokoobjemový biznis so silikónovými fotonickými transceivermi na Jabil, výrobného partnera optics.org. Intel od roku 2016 dodal viac ako 8 miliónov fotonických transceiverových čipov optics.org – tieto sa používajú na 100G/200G konektivitu v dátových centrách. Odovzdaním výroby spoločnosti Jabil (zmluvný výrobca) Intel signalizoval strategický posun: bude sa sústrediť na integráciu fotoniky so svojimi kľúčovými platformami (ako sú spolubalené optiky a fotonika priamo na procesore), zatiaľ čo partner bude riešiť komoditizovaný trh s transceivermi. Tento krok tiež odráža dozrievajúci priemysel – to, čo bolo pred pár rokmi špičkovou technológiou (100G pluggables), je dnes už rutinné natoľko, že sa to dá outsourcovať. Jabil na svojej strane buduje optickú výrobu, ktorá by potenciálne mohla slúžiť aj ďalším zákazníkom. Spolupráca medzi Intelom a Jabilom bola analytikmi vyzdvihnutá ako kľúčový vývoj v odvetví optics.org, pričom ju označili za súčasť evolúcie ekosystému.
• InnoLight predstavuje 1,6 Tb/s modul (koniec roka 2023): V pretekoch za vyššími rýchlosťami InnoLight, čínska spoločnosť vyrábajúca optické transceivery, oznámila, že dosiahla prototyp optického transceivera s rýchlosťou 1,6 terabitov za sekundu optics.org. Pravdepodobne to zahŕňa viacero vlnových dĺžok (napr. 16×100G alebo 8×200G kanálov) na silikónovo-fotonickej platforme. Dosiahnutie 1,6 Tb/s v jednom module o rok skôr ako niektorí konkurenti ukazuje rastúcu silu Číny v oblasti silikónovej fotoniky. Modul InnoLight by mohol byť použitý na uplinky top-of-rack prepínačov alebo na prepojenie AI systémov. Je to tiež náznak, že 3,2 Tb/s moduly (ktoré by napríklad využívali 8 vlnových dĺžok po 400G) nie sú ďaleko – v skutočnosti IDTechX predpovedá 3,2 Tb/s moduly do roku 2026 optics.org. Išlo o rekord, ktorý upútal pozornosť médií a podčiarkuje intenzívnu globálnu konkurenciu; Coherent (USA) a ďalší taktiež pracujú na 1,6T a 3,2T dizajnoch optics.org.
• Pokrok PsiQuantum v oblasti fotonických kvantových čipov (2024): Na kvantovom fronte spoločnosť PsiQuantum (ktorá je tajnostkárska, ale je známe, že spolupracuje s GlobalFoundries) zverejnila štúdiu načrtávajúcu cestu k na straty tolerantnému fotonickému kvantovému počítaču a oznámila čip s názvom „Omega“ pre svoju fotonickú kvantovú architektúru thequantuminsider.com. Hoci zatiaľ nejde o komerčný produkt, ukazuje to, že hardvér pre fotonické kvantové počítanie napreduje – so silikónovou fotonikou v jadre. Prístup PsiQuantum si vyžaduje integráciu tisícov zdrojov a detektorov jednotlivých fotónov. Novinkou je tu overenie vyrobiteľnosti: článok v Nature z roku 2022 demonštroval kľúčové komponenty (zdroje, filtre, detektory) na jednom silikónovom fotonickom čipe, ktorý by bolo možné škálovať nature.com. To naznačuje, že sú na dobrej ceste k míľniku okolo polovice 20. rokov až začiatku 30. rokov tohto storočia pre prototyp optického kvantového počítača s miliónom kubitov (ich dlhodobý cieľ). Takéto vývojové trendy, hoci sú úzko zamerané, sú pozorne sledované, pretože by mohli nanovo definovať špičkové výpočty.
• Startupy s lítium-niobátovou fotonikou získali financovanie (2023): Ako bolo spomenuté, dva startupy zamerané na integráciu LiNbO₃ so silikónovou fotonikou, HyperLight (USA) a Lightium (Švajčiarsko), získali v roku 2023 spolu 44 miliónov dolárov optics.org. Táto správa o financovaní bola pozoruhodná, pretože poukazuje na trend: pridávanie nových materiálov do silikónovej fotoniky na prekonanie výkonnostných bariér. Tieto spoločnosti propagujú modulátory, ktoré môžu pracovať s vyššou linearitou a v širokom rozsahu vlnových dĺžok (od viditeľného po stredné IR) s veľmi nízkymi stratami optics.org. Bezprostredné využitie by mohli byť ultrarýchle modulátory pre komunikáciu alebo špecializované zariadenia pre kvantovú a RF fotoniku. Širším záverom je, že investičná komunita podporuje aj inovácie v oblasti materiálov vo fotonike, nielen zjavnejšie startupy s transceivermi. Je to znak, že aj pokroky v materiálovej vede (ako TFLN na izolátore) sa môžu v tomto odvetví rýchlo pretaviť do startupov a produktov.
• Aktualizácie štandardov a konzorcií (2024–25): Na fronte štandardizácie došlo k posunom. Continuous-Wave WDM MSA (konzorcium definujúce štandardné moduly svetelných zdrojov pre co-packaged optiku) predstavilo počiatočné špecifikácie pre spoločné laserové zdroje, ktoré môžu napájať viacero fotonických čipov. To je dôležité pre zabezpečenie kompatibility medzi viacerými dodávateľmi pre co-packaged optiku. Taktiež, UCIe konzorcium (pre prepojenie čipletov) vytvorilo optickú pracovnú skupinu, ktorá zvažuje, ako by mohli byť štandardizované optické prepojenia čipletov. Medzitým organizácie ako COBO (Consortium for On-Board Optics) a CPO Alliance organizovali summity (napr. na OFC 2024), kde diskutovali o najlepších postupoch pre co-packaged optiku ansys.com. To všetko naznačuje, že priemysel si uvedomuje potrebu zjednotiť rozhrania a vyhnúť sa fragmentácii, ktorá by mohla spomaliť adopciu. Nedávne správy z IEEE tiež naznačili pokrok v štandardoch pre 1.6T Ethernet a súvisiacich optických rozhraniach, ktoré predpokladajú využitie kremíkovej fotoniky.
• Uvedenie produktov na trh: Na strane produktov už vidíme, že sa objavuje skutočný hardvér:
  • 800G zasúvateľné moduly: Viacerí dodávatelia (Intel, Marvell/Inphi, atď.) začali v roku 2024 vzorkovať 800G QSFP-DD a OSFP moduly, ktoré využívajú kremíkovú fotoniku. Tie by sa mali nasadiť v prepínačoch a sieťach v roku 2025.
  • CPO demo sady: Spoločnosti ako Ranovus a IBM predviedli co-packaged optické vývojové sady – predstupeň komerčných CPO produktov. Napríklad, IBM ukázalo funkčný výskumný prototyp co-packaged prepínača a Ranovus má CPO modul s 8×100G vlnovými dĺžkami.
  • Produkty s kremíkovou fotonickou LiDAR: Innovusion (Čína) a Voyant Photonics (USA) oznámili pokrok vo svojich kremíkových fotonických LiDARoch. Najnovší LiDAR od Innovusion pre vozidlá využíva niektoré kremíkové fotonické komponenty na dosiahnutie FMCW za konkurencieschopnú cenu. Voyant, startup z výskumu na Columbia University, už predáva malý pevný LiDAR modul založený na kremíkovej fotonike pre použitie v dronoch a robotoch.
  • Optické I/O čiplety: Do polovice roku 2025 plánuje Ayar Labs mať svoje TeraPHY optické I/O čiplet a SuperNova laserový zdroj v počiatočnom testovaní u zákazníkov, pričom poskytne 8 Tbps optické prepojenie pre HPC systémy. Ak to pôjde podľa plánu, mohlo by ísť o jedno z prvých nasadení optického I/O v počítačovom systéme (pravdepodobne v štátnom laboratóriu alebo pilotnom superpočítači v rokoch 2025–26).

Súčasné správy vykresľujú obraz oblasti, ktorá rýchlo napreduje na viacerých frontoch: od prelomov v rýchlosti (1.6T optika) cez veľké strategické kroky (outsourcing Intelu, veľké investičné kolá) až po prvé nasadenia svojho druhu (optické enginy pre AI). Je to vzrušujúce obdobie, pretože tieto udalosti naznačujú, že kremíková fotonika sa mení z nádejnej technológie na komerčnú realitu s rastúcim vplyvom na produkty a odvetvia.

Pre širokú verejnosť je hlavné posolstvo všetkých týchto správ to, že silikónová fotonika nie je vzdialený prísľub – deje sa to už teraz. Firmy do nej investujú peniaze a zdroje, reálne produkty sa už dodávajú a každý štvrťrok prináša nové míľniky, ktoré prekonávajú predchádzajúce rekordy. Je to rýchlo sa rozvíjajúca oblasť a aj technicky zdatní čitatelia môžu byť prekvapení, ako rýchlo sa objavili veci ako „optické čiplety“ alebo „1,6 terabitové moduly“. Správy tiež zdôrazňujú, že ide o globálne preteky – s významnou aktivitou v USA, Európe a Ázii – a že zahŕňa všetko od deep tech startupov až po najväčšie čipové spoločnosti a poskytovateľov sietí.

Budúci výhľad a predpovede

Pri pohľade do budúcnosti sa zdá, že budúcnosť silikónovej fotoniky je mimoriadne sľubná, s potenciálom predefinovať výpočtovú techniku a komunikácie v priebehu nasledujúceho desaťročia. Tu sú niektoré predpovede a očakávania, čo prinesie budúcnosť:

• Masové rozšírenie vo výpočtovej technike: Koncom 20. rokov 21. storočia môžeme očakávať, že silikónová fotonika bude štandardnou súčasťou špičkových výpočtových systémov. Ako bolo uvedené, v rokoch 2026–2027 by sa mali objaviť prvé CPU, GPU alebo AI akcelerátory s integrovaným optickým I/O nextplatform.com. Spočiatku to môže byť v špecializovaných segmentoch (superpočítače, systémy na vysokofrekvenčné obchodovanie, najmodernejšie AI klastre), ale pripraví to cestu pre širšie rozšírenie. Keď sa technológia osvedčí a objemy narastú, optické I/O by sa mohlo v 30. rokoch rozšíriť aj do bežnejších serverov a zariadení. Predstavte si rackové servery, kde má každý CPU optické vláknové porty priamo na balíku, ktoré sa pripájajú na optický top-of-rack prepínač; toto by sa mohlo stať bežným. Pamäťové úzke hrdlo by mohlo byť tiež riešené optickými prepojeniami – napríklad optickým prepojením pamäťových modulov s procesormi, čo umožní väčšiu šírku pásma na väčšiu vzdialenosť (niektorí výskumníci hovoria o „optickej disaggregácii pamäte“ pre veľké zdieľané pamäťové pooly). Zhrnuté, dátové centrum budúcnosti (a tým aj cloudové služby budúcnosti) bude pravdepodobne postavené na štruktúre optických prepojení na každej úrovni, umožnených silikónovou fotonikou.
• Terabitové siete pre všetkých: Kapacita sieťových liniek bude naďalej prudko rásť. Hovoríme o 1,6 Tb/s, 3,2 Tb/s, dokonca 6,4 Tb/s optických transceivroch v jednom module už začiatkom 30. rokov tohto storočia. Tieto rýchlosti sú ohromujúce – 3,2 Tb/s linka by dokázala preniesť 4K film za zlomok milisekundy. Hoci sa tieto rýchlosti využijú v chrbticových sieťach dátových centier a telekomunikačných sieťach, nepriamo z nich budú ťažiť aj spotrebitelia (rýchlejší internet, robustnejšie cloudové služby). Do roku 2035 analytici predpovedajú, že trh s fotonickými integrovanými obvodmi dosiahne viac ako 50 miliárd dolárov, najmä vďaka týmto transceivrom pre AI a dátové centrá optics.org. Môžeme očakávať, že 800G a 1,6T sa stanú novým 100G, teda budú hlavnými pracovnými linkami v sieťach. A ako bude rásť objem, cena za bit klesne, čo sprístupní vysokorýchlostné pripojenie lacnejšie a rozšírenejšie. Je pravdepodobné, že aj spotrebiteľské zariadenia (napríklad VR headset vyžadujúci veľmi vysokú priepustnosť k PC alebo konzole) môžu využívať optický USB alebo optický Thunderbolt kábel na prenos desiatok či stoviek gigabitov bez oneskorenia alebo strát.
• Revolúcia v telekomunikáciách: V telekomunikáciách pomôže kremíková fotonika realizovať plne optické siete s oveľa vyššou efektivitou. Koherentná optická komunikácia s integrovanou fotonikou pravdepodobne dosiahne viac ako 1 Tb/s na vlnovú dĺžku (s pokročilými konšteláciami a možno aj integrovanými transceiverovými DSP). To by mohlo spraviť viacterabitové optické kanály ekonomickými, čím sa zníži počet potrebných laserov/vlákien. Kremíková fotonika tiež umožní, aby boli reconfigurovateľné optické add-drop multiplexery (ROADM) a ďalšie sieťové zariadenia kompaktnejšie a energeticky úspornejšie, čo uľahčí zavádzanie sietí s vyššou kapacitou 5G/6G a lepšiu infraštruktúru optiky do domácností. Jednou konkrétnou oblasťou, ktorú treba sledovať, sú integrované lasery pre káblovú TV / optický prístup: lacné laditeľné lasery na kremíku by mohli umožniť, aby každá domácnosť mala napríklad 100G symetrické optické pripojenie. Integráciou optických funkcií môžu telekomunikační operátori zjednodušiť ústredne a hlavné stanice. Čistý efekt teda bude ešte rýchlejší a spoľahlivejší internet za potenciálne nižšie náklady, poháňaný v pozadí kremíkovými fotonickými čipmi.
• AI výpočty a optické enginy: V oblasti AI, ak budú spoločnosti ako Lightmatter a Lightelligence úspešné, môžeme byť svedkami prvých optických koprocesorov v dátových centrách. Tie by urýchľovali maticové násobenia alebo grafové analýzy pomocou svetla, čo by mohlo priniesť obrovský nárast výkonu na watt. Je predstaviteľné, že do 5 rokov budú mať niektoré dátové centrá racky optických AI akcelerátorov popri GPU, ktoré budú extrémne rýchlo spracovávať špecializované úlohy (napríklad ultra-rýchle inferencie pre služby v reálnom čase). Aj keď plne optické počítače zostanú čiastočne obmedzené, hybridný elektro-optický prístup (elektronika na logickú kontrolu, fotonika na masívny prenos dát a operácie multiply-accumulate) by sa mohol stať kľúčovou stratégiou na udržanie rastu výkonu AI. Znížením tepla a spotreby energie môže fotonika pomôcť udržať tréning AI uskutočniteľný aj pri modeloch so škálou biliónov parametrov. Stručne povedané, kremíková fotonika môže byť tajnou prísadou, ktorá umožní ďalšie 1000-násobné zväčšenie veľkosti AI modelov/tréningových dát bez preťaženia elektrickej siete.
• Dopad na spotrebiteľskú techniku: Hoci sa väčšina kremíkovej fotoniky v súčasnosti využíva vo veľkých serveroch (dátové centrá, siete), časom sa presunie aj do spotrebiteľských zariadení. Jedným z očividných kandidátov sú AR/VR headsety (kde je potrebné prenášať obrovské množstvo dát do malých displejov a kamier – optické prepojenia by mohli pomôcť). Ďalším sú spotrebiteľské LiDAR alebo hĺbkové senzory – budúce smartfóny alebo nositeľné zariadenia by mohli mať miniatúrne kremíkové fotonické senzory na monitorovanie zdravia (ako to plánovala Rockley Photonics) alebo na 3D skenovanie prostredia. Intelov Mobileye už naznačil, že jeho kremíkový fotonický LiDAR bude v autách, takže koncom 20. rokov môže mať vaše nové auto integrovaný fotonický čip, ktorý ticho riadi senzory autonómneho riadenia tanaka-preciousmetals.com. Postupom času, ako budú náklady klesať, sa takéto senzory môžu objaviť v bežných zariadeniach (predstavte si smart hodinky, ktoré používajú kremíkový fotonický senzor na neinvazívne monitorovanie glukózy alebo krvných analytík pomocou optickej spektroskopie priamo na vašom zápästí – firmy na tomto koncepte skutočne pracujú). Dokonca aj vo vysokej triede audio/video by optické čipy mohli zlepšiť kamery (LiDAR na zaostrovanie alebo 3D mapovanie vo fotografii) alebo umožniť holografické displeje modulovaním svetla v mikroskopickom meradle (trochu špekulatívne, ale nie nemožné, keďže priestorové svetelné modulátory na kremíku sa zlepšujú). Takže o desať rokov môžu spotrebitelia nevedomky používať kremíkovú fotoniku vo svojich zariadeniach, rovnako ako dnes používame MEMS senzory všade bez toho, aby sme o tom premýšľali.
• Fotonika v kvantovej oblasti: Ak sa pozrieme ešte ďalej do budúcnosti, kvantové fotonické technológie by mohli dozrieť. Ak PsiQuantum alebo iní uspejú, mohli by sme mať fotonický kvantový počítač, ktorý prekoná klasické superpočítače v určitých úlohách – možno s miliónmi prepletených fotónov spracovávaných na čipe. To by bol monumentálny úspech, azda rovnako prelomový ako prvé elektronické počítače. Hoci to môže byť až po roku 2030, pokrok v medziobdobí by mohol priniesť kvantové simulátory alebo prepojené kvantové komunikačné systémy využívajúce kremíkovú fotoniku. Napríklad bezpečné kvantové komunikačné linky (QKD siete) by sa mohli nasadiť v mestských sieťach pomocou štandardizovaných kremíkových fotonických QKD vysielačov v dátových centrách. Existuje tiež potenciál pre kvantové senzory na čipe (napríklad optické gyroskopy s kvantovou citlivosťou), ktoré by našli využitie v navigácii alebo vede.
• Pokračujúci výskum a nové horizonty: Samotné pole kremíkovej fotoniky sa bude naďalej vyvíjať. Vedci už skúmajú 3D integráciu – vrstvenie fotonických čipov s elektronickými pre ešte tesnejšie prepojenie (niektorí skúmajú mikrospojky alebo techniky spájania na umiestnenie fotonického prepojovacieho prvku pod CPU, napríklad). Hovorí sa aj o optických sieťach na čipe (ONoC), kde by procesory namiesto alebo popri elektrických sieťach na čipe komunikovali medzi jadrami pomocou svetla. Ak by raz mnohojadrové CPU používali interné optické siete, mohlo by to odstrániť úzke miesta v priepustnosti v rámci čipu (to je ešte vzdialenejšia budúcnosť, ale konceptuálne už dokázané v laboratóriách). Nano-fotonika by tiež mohla vstúpiť do hry: plazmonické alebo nanoskopické optické komponenty, ktoré pracujú pri veľmi vysokých rýchlostiach alebo na extrémne malých plochách, potenciálne integrované s kremíkovou fotonikou pre určité úlohy (napríklad ultra-kompaktné modulátory). A kto vie, možno raz niekto dosiahne svätý grál – kremíkový laser pomocou nejakého šikovného materiálového triku – čo by skutočne zjednodušilo fotonickú integráciu.
• Trhový a priemyselný výhľad: Z ekonomického hľadiska pravdepodobne uvidíme, ako trh so silikónovou fotonikou zažije boom. Podľa IDTechX sa do roku 2035 predpokladá, že trhová hodnota dosiahne približne 54 miliárd dolárov optics.org. Pozoruhodné je, že hoci dátová komunikácia bude tvoriť väčšinu, odhaduje sa, že približne 11 miliárd dolárov z toho môže pochádzať z iných než dátových aplikácií (telekomunikácie, lidar, senzory, kvantové technológie atď.) optics.org. To znamená, že výhody tejto technológie sa rozšíria do mnohých sektorov. Môžeme tiež očakávať veľké otrasenia v odvetví alebo partnerstvá: napríklad, mohol by technologický gigant kúpiť jeden z fotonických startupov-unicornov (predstavte si, že Nvidia kúpi Ayar Labs alebo Lightmatter, aby si zabezpečila náskok v optickom výpočtovaní)? Je to možné, keďže ide o čoraz väčšie stávky. Okrem toho by sa mohla medzinárodná konkurencia vyostriť – môžeme vidieť významné investície vlád na zabezpečenie vedúcej pozície (podobne ako je polovodičový priemysel považovaný za strategický). Silikónová fotonika sa môže stať kľúčovou súčasťou národných technologických stratégií, čo môže ďalej podporiť financovanie výskumu a vývoja a infraštruktúry.

V širšom zmysle, ak sa pozrieme späť, budúcnosť so silikónovou fotonikou je taká, kde sa hranice medzi výpočtom a komunikáciou stierajú. Vzdialenosť prestáva byť obmedzením – dáta môžu cestovať v rámci čipu alebo medzi mestami s rovnakou ľahkosťou po optických vláknach. To by mohlo umožniť architektúry ako distribuované výpočty, kde fyzická poloha zdrojov je menej dôležitá, pretože optické prepojenia zabezpečujú nízku latenciu a vysokú priepustnosť. Mohli by sme vidieť skutočne rozčlenené dátové centrá, kde sú výpočty, úložisko a pamäť opticky prepojené ako LEGO kocky. Zisky v energetickej efektívnosti vďaka fotonike by mohli tiež prispieť k ekologickejšiemu IKT, čo je dôležité, keďže energetická náročnosť digitálnej infraštruktúry rastie.

Ako povedal jeden z veteránov odvetvia, „cesta k škálovaniu silikónovej fotoniky je rovnako vzrušujúca ako náročná.“ laserfocusworld.com Nasledujúce roky nepochybne prinesú prekážky, no existuje kolektívne odhodlanie v akademickej aj priemyselnej sfére ich prekonať. Prostredníctvom spolupráce a inovácií – zosúladením materiálového inžinierstva, polovodičovej techniky a fotoniky – sú odborníci presvedčení, že tieto výzvy zvládneme a odomkneme plný potenciál silikónovej fotoniky laserfocusworld.com. Budúci výhľad je, že táto technológia sa presunie z periférie (spájania našich zariadení alebo rozširovania špecializovaných systémov) do samotného jadra výpočtov a konektivity. V podstate sme svedkami úsvitu novej éry – takej, v ktorej informácie v zariadeniach a sieťach, ktoré tvoria základ moderného života, prenáša nielen elektrón, ale aj svetlo. A to je skutočne revolučný posun, ktorý sa bude odohrávať v nasledujúcom desaťročí a neskôr.

Zdroje: Definície a výhody kremíkovej fotoniky ansys.comansys.com; aplikácie v oblasti senzoriky, LiDAR, kvantovej technológie ansys.comansys.com; trendy v dátových centrách a AI laserfocusworld.com, optics.org; odborné citácie a postrehy laserfocusworld.com, tanaka-preciousmetals.com, nature.com; lídri v odvetví expertmarketresearch.com; najnovšie správy a investície datacenterdynamics.com, nextplatform.com, nextplatform.com; prognózy do budúcnosti optics.org