Revolucija silicijeve fotonike – tehnologija s hitrostjo svetlobe, ki preoblikuje umetno inteligenco, podatkovne centre in več

• Silicijeva fotonika uporablja silicijeve fotonske integrirane vezja (PIC) za manipulacijo svetlobe pri obdelavi podatkov in komunikaciji, kar omogoča povezave na čipu in med čipi s hitrostmi, kot sta 100 Gb/s in 400 Gb/s.
• Silicijev fotonski čip v velikosti nohta lahko gosti ducate laserskih kanalov in z gostim multipleksiranjem po valovnih dolžinah prenaša terabite podatkov.
• Povezave v podatkovnih centrih imajo koristi od optičnih povezav, ki porabijo manj energije in nudijo večjo gostoto; predstavljeni so bili prototipi, kot so 51,2 Tb/s stikalni čipi z integriranim optičnim I/O.
• Leta 2024 je Ayar Labs predstavil optični čiplet, ki zagotavlja 8 Tbps pasovne širine z uporabo 16 valovnih dolžin, in v pozni 2024 seriji D zbral 155 milijonov dolarjev, pri čemer so sodelovali Nvidia, AMD in Intel, kar je vrednotenje podjetja dvignilo nad 1 milijardo dolarjev.
• Intel je konec leta 2023 zunanje izvajal proizvodnjo svojih silicijevih fotonskih oddajnikov podjetju Jabil, potem ko je od leta 2016 poslal več kot 8 milijonov fotonskih oddajniških čipov.
• InnoLight je konec leta 2023 predstavil prototip optičnega oddajnika s hitrostjo 1,6 Tbps, moduli s 3,2 Tbps pa so pričakovani do leta 2026, ko se približujejo večterabitne povezave.
• Ameriški inštitut AIM Photonics je prejel 321 milijonov dolarjev v sedemletnem programu do leta 2028 za napredek proizvodnje integrirane fotonike v ZDA, kar omogoča tovarno in pakirno linijo za silicijevo fotoniko v New Yorku.
• Broadcom je leta 2023 predstavil prototipe stikal s 25,6 Tbps in 51,2 Tbps s so-pakirano optiko in integriranimi laserskimi fotonskimi motorji.
• Lightmatter je v seriji D leta 2024 zbral 400 milijonov dolarjev za financiranje svoje optične AI pospeševalne platforme, PsiQuantum pa je leta 2024 javno predstavil pot do na izgube odpornega fotonskega kvantnega računalnika s svojim čipom Omega.
• Analitiki napovedujejo, da bo trg silicijeve fotonike do leta 2035 dosegel približno 54 milijard dolarjev, od tega približno 11 milijard iz ne-podatkovnih aplikacij, predvsem zaradi potreb podatkovnih centrov za umetno inteligenco.

Kaj je silicijeva fotonika in kako deluje?

Silicijeva fotonika je tehnologija, ki uporablja na siliciju osnovana fotonska integrirana vezja (PIC) za manipulacijo svetlobe (fotonov) za obdelavo in komunikacijo. Preprosto povedano, to pomeni izdelavo optičnih naprav (kot so laserji, modulatorji in detektorji) na silicijevih čipih, podobno kot so narejena elektronska vezja. Ti silicijevi fotonski čipi lahko pošiljajo in prejemajo podatke s svetlobo, kar omogoča izjemno hiter prenos podatkov z visoko pasovno širino in nizko energijsko izgubo ansys.com. Ključne komponente vključujejo valovode (majhne optične “žice”, ki vodijo svetlobo po čipu), modulatorje (ki kodirajo podatke na svetlobne žarke), laserje (običajno dodane z drugimi materiali, saj sam silicij ne more oddajati svetlobe) in fotodetektorje (za pretvorbo prihajajoče svetlobe nazaj v električne signale) ansys.com. Z integracijo teh komponent na silicijevo platformo inženirji izkoriščajo uveljavljeno proizvodnjo polprevodnikov (CMOS) za množično proizvodnjo fotonskih naprav, s čimer združujejo hitrost svetlobe z obsegom sodobne izdelave čipov ansys.com.

Kako deluje? Namesto električnih impulzov v bakrenih žicah silicijevi fotonski vezji uporabljajo infrardečo lasersko svetlobo, ki teče skozi valovode v mikronskem merilu. Silicij je prosojen za infrardeče valovne dolžine, kar omogoča, da se svetloba širi z minimalnimi izgubami, ko je omejena z okoliškimi materiali, kot je silicijev dioksid, ki ima nižji lomni količnik ansys.comansys.com. Podatki so kodirani na te svetlobne valove preko modulatorjev, ki lahko hitro spreminjajo intenziteto ali fazo svetlobe. Na drugi strani fotodetektorji na čipu pretvorijo optične signale nazaj v električno obliko. Ker svetloba niha pri frekvencah, ki so veliko višje od električnih signalov, lahko optične povezave prenašajo neprimerno več podatkov na sekundo kot električne žice. Ena sama majhna vlakna ali valovod lahko prenaša desetine ali stotine gigabitov na sekundo, in z uporabo več valovnih dolžin svetlobe (gosta valovna delitev multipleksiranja) lahko eno vlakno prenaša terabite podatkov. V praksi silicijeva fotonika omogoča komunikacijo na čipu ali med čipi s hitrostmi, kot so 100 Gb/s, 400 Gb/s ali več, kar bi sicer zahtevalo veliko bakrenih povezav ali pa bi bilo na daljših razdaljah preprosto neizvedljivo ansys.comoptics.org.

Silicijeve fotonske naprave so kompaktne, hitre in energijsko učinkovite. Svetloba lahko potuje skozi valovode z zelo majhnim uporom (brez električne kapacitivnosti ali težav s segrevanjem, ki se pojavijo pri bakru pri visokih hitrostih), kar pomeni potencialno manjšo porabo energije za prenos podatkov. Ena analiza ugotavlja, da lahko optične povezave drastično zmanjšajo ozka grla pri prenosu podatkov in toploto v visokozmogljivih sistemih – “optične povezave, omogočene s silicijevo fotoniko, so edina skalabilna pot naprej” za obvladovanje eksplozivnih zahtev po pasovni širini laserfocusworld.com. Skratka, silicijeva fotonika združuje poceni, množično proizvedljivo platformo silicijevih čipov s fiziko svetlobe in ustvarja “vezja za fotone” na čipu ansys.com. Ta tehnologija nam omogoča, da dobesedno premikamo podatke s svetlobno hitrostjo v okoljih, kjer tradicionalna elektronika dosega svoje meje.

Ključne uporabe silicijeve fotonike

Silicijeva fotonika se je začela v optičnih komunikacijah po vlaknih, danes pa je vsestranska platforma, ki se uporablja na številnih najnaprednejših področjih. Zaradi svoje visoke hitrosti in energijske učinkovitosti je vsak sektor, ki potrebuje prenos ogromnih količin podatkov (ali natančen nadzor svetlobe), potencialni uporabnik. Tukaj je nekaj ključnih uporab:

Podatkovni centri in visokohitrostna omrežja v oblaku

Ena najpomembnejših uporab je znotraj podatkovnih centrov in superračunalnikov, kjer silicijeva fotonika odgovarja na nujno potrebo po hitrejših in učinkovitejših povezavah. Sodobni oblaki in hiperskalarni podatkovni centri obdelujejo ogromne količine podatkovnih tokov med strežniki, regali in prek omrežij na ravni kampusa. Bakreni kabli in tradicionalna električna stikala postajajo vse bolj ozko grlo – porabijo preveč energije in jih ni mogoče razširiti preko določenih razdalj ali hitrosti (na primer, 100 Gb/s bakrene povezave delujejo le na nekaj metrih). Silicijeve fotonske povezave to rešujejo z uporabo optičnih vlaken in vgrajenih optičnih enot za povezovanje strežnikov in stikal pri zelo visokih hitrostih z minimalnimi izgubami. Optični oddajnik-sprejemniki na osnovi silicijeve fotonike že nadomeščajo ali dopolnjujejo električne povezave za komunikacijo med regali in celo znotraj regalov tanaka-preciousmetals.com.

Cisco in Intel sta bila tu pionirja: Cisco zdaj načrtuje visokohitrostne vtične optične oddajnik-sprejemnike z uporabo silicijeve fotonike za povezovanje omrežne opreme expertmarketresearch.com. Intel je prav tako izkoristil silicijevo fotoniko za izboljšanje povezljivosti podatkovnih centrov, saj je poslal milijone 100G optičnih čipov oddajnik-sprejemnikov in zdaj povečuje proizvodnjo 200G, 400G ter preizkuša 800G optične module tanaka-preciousmetals.com. Motivacija je jasna – ko se hitrosti prenosa podatkov podvojijo s 100G na 200G in 400G, se doseg bakra drastično zmanjša. »Ko danes vstopite v podatkovni center, boste videli 100 Gb/s bakrene kable, ki povezujejo strežnike s stikalom na vrhu omare… Ti kabli so v redu za približno štiri metre. Vse, kar je izven omare, pa že uporablja optiko,« pravi Robert Blum, Intelov višji direktor za fotoniko, in dodaja, da »ko povečamo hitrosti prenosa podatkov na 200 ali 400 Gb/s, postane doseg bakra še krajši in začnemo opažati trend, kjer optika sega vse do strežnika.« tanaka-preciousmetals.com V grozdih za visokozmogljivo računalništvo (HPC) in AI superračunalnikih, kjer tisoči procesorjev potrebujejo povezave z nizko zakasnitvijo, optične povezave zagotavljajo pasovno širino, ki vse te čipe oskrbuje s podatki ansys.com, laserfocusworld.com. S tem, ko se fotonika prenaša na stikalo in celo v procesorske pakete (t.i. so-pakirane optike), bodo prihodnja omrežja podatkovnih centrov dosegla bistveno večje prepustnosti. Pravzaprav so 51,2 Tb/s stikalni čipi z integriranim optičnim I/O že na obzorju, prototipi pa so že bili prikazani tanaka-preciousmetals.com.

Koristi za podatkovne centre so pomembne: nižja poraba energije (optične povezave porabijo veliko manj energije kot toplota v primerjavi s prenosom elektronov skozi baker pri desetih GHz), večja gostota (številne optične kanale je mogoče multipleksirati brez skrbi glede elektromagnetnih motenj) in daljši doseg (optični signali lahko po potrebi potujejo kilometre daleč). To pomeni, da silicijeva fotonika pomaga podatkovnim centrom povečevati zmogljivost brez omejitev zaradi povezovalnih omejitev. Eden od analitikov trga je poudaril, da podatkovni centri, osredotočeni na umetno inteligenco, povzročajo neprimerljivo povpraševanje po visokozmogljivih optičnih oddajnikih, in dodal, da “silicijeva fotonika in PIC-ji so v ospredju te revolucije, saj omogočajo prenos podatkov s hitrostmi 1,6 Tb/s in več.” optics.org V praksi lahko ena sama fotonska čipka v velikosti nohta vsebuje ducate laserskih kanalov, ki skupaj prenašajo terabite podatkov – kar je ključno za infrastrukturo oblaka naslednje generacije.

Pospeševanje umetne inteligence in strojnega učenja

Eksplozija delovnih obremenitev umetne inteligence in strojnega učenja je poseben primer uporabe v podatkovnih centrih – zasluži si posebno omembo, saj umetna inteligenca prinaša edinstvene zahteve in je spodbudila nove uporabe silicijeve fotonike. Učenje naprednih modelov umetne inteligence (kot so veliki jezikovni modeli, ki poganjajo klepetalne robote) vključuje masivne vzporedne izračune, razporejene med številne GPU-je ali specializirane pospeševalnike za umetno inteligenco. Ti čipi morajo izmenjati ogromne količine podatkov za naloge, kot je učenje modelov, kar pogosto preobremeni običajne električne povezave. Silicijeva fotonika ponuja umetni inteligenci dvojno prednost: visokopasovne povezave in celo potencial za optično računanje.

Na strani medsebojnih povezav se razvijajo optične povezave za neposredno povezovanje čipov AI pospeševalnikov ali pomnilnika z uporabo svetlobe (včasih imenovane optični I/O). Z zamenjavo tradicionalnega strežniškega ozadja ali komunikacije GPU-GPU z optičnimi vlakni lahko AI sistemi bistveno zmanjšajo latenco in porabo energije pri komunikaciji. Na primer, zagonska podjetja, kot je Ayar Labs, ustvarjajo optične I/O čiplete, ki sedijo ob procesorjih in prenašajo podatke z uporabo svetlobe, s čimer odpravijo goste snope bakrenih povezav, ki bi sicer bili potrebni. Leta 2024 je Ayar Labs predstavil optični čiplet, ki zagotavlja 8 Tbps pasovne širine z uporabo 16 valovnih dolžin svetlobe – znak, kako bi lahko izgledale medsebojne povezave naslednje generacije AI businesswire.com. Glavni proizvajalci čipov so pozorni: Nvidia, AMD in Intel so vsi investirali v Ayar Labs kot del 155-milijonskega kroga financiranja, saj stavijo, da bodo optične medsebojne povezave ključne za skaliranje prihodnje AI strojne opreme nextplatform.com. Kot je pripomnil en novinar, če ne moreš doseči dovolj hitrosti samo s pospeševanjem čipov, je »naslednja najboljša stvar, v katero lahko vložiš denar, verjetno neka oblika optičnega I/O.« nextplatform.com

Poleg prenosa podatkov med AI čipi silicijeva fotonika omogoča tudi optično računanje za AI. To pomeni izvajanje določenih izračunov (kot so množenja matrik v nevronskih mrežah) s svetlobo namesto z elektriko, kar bi lahko zaobšlo nekatere omejitve hitrosti in energije današnjih elektronskih AI pospeševalnikov. Podjetja, kot sta Lightmatter in Lightelligence, so zgradila prototipne fotonske procesorje, ki uporabljajo interferenco svetlobe v silicijevih vodilih za vzporedno računanje rezultatov. Konec leta 2024 je Lightmatter zbral izjemnih 400 milijonov dolarjev v seriji D (s čimer je njegova vrednost dosegla 4,4 milijarde dolarjev) za razvoj svoje optične računske tehnologije nextplatform.com. Čeprav so ti fotonski AI pospeševalniki še v razvoju, obljubljajo izjemno hitro, nizko-latenčno izvajanje nevronskih mrež z veliko manjšo porabo energije, saj fotoni ustvarjajo minimalno toplote v primerjavi z milijardami preklopnih dogodkov tranzistorjev.

Na splošno, ko se modeli umetne inteligence povečujejo v velikosti in kompleksnosti (in zahtevajo gruče deset tisoč čipov), se silicijeva fotonika obravnava kot »paradigmatski premik«, ki lahko premaga ozka grla v komunikaciji v infrastrukturi umetne inteligence laserfocusworld.com. Ponuja način za linearno skaliranje pasovne širine med procesorji glede na povpraševanje, kar je za električne povezave težavno. Industrijski opazovalci napovedujejo, da bodo optične tehnologije (kot so so-pakirane optike, optične povezave med čipi in morda fotonski računalniški elementi) v prihodnjih letih postale standard v sistemih umetne inteligence – ne le nišni eksperiment. Pravzaprav naj bi po eni oceni podatkovni centri za umetno inteligenco rasli tako hitro (50 % letna rast porabe energije), da bi lahko do leta 2030 postali nevzdržni z obstoječimi električnimi vhodi/izhodi, zaradi česar bo silicijeva fotonika »nepogrešljiv del naše prihodnje infrastrukture« za ohranjanje skalabilnosti umetne inteligence laserfocusworld.com.

Telekomunikacije in omrežja

Silicijeva fotonika ima svoje korenine v telekomunikacijah in še naprej revolucionira način prenosa podatkov na dolge razdalje. V telekomunikacijskih omrežjih z optičnimi vlakni – bodisi v hrbtenici interneta, podmorskih kablih ali mestnih in dostopovnih omrežjih – se integrirana fotonika uporablja za izdelavo optičnih oddajnikov, ki so manjši, hitrejši in cenejši. Tradicionalni optični komunikacijski sistemi so pogosto temeljili na diskretnih komponentah (laserji, modulatorji, detektorji, sestavljeni posamezno), vendar lahko integracija silicijeve fotonike združi veliko teh komponent na en čip, kar izboljša zanesljivost in zmanjša stroške sestavljanja tanaka-preciousmetals.com.

Danes so optični transceiverski moduli, ki uporabljajo silicijevo fotoniko, pogosti pri povezavah podatkovnih centrov in se vse bolj uveljavljajo v telekomunikacijski infrastrukturi za 100G, 400G in več. Na primer, podjetja kot sta Infinera in Cisco (Acacia) so razvila koherentne optične transceiverje s silicijevo fotoniko za 400G in 800G povezave v telekom omrežjih. Tudi širokopasovna in 5G/6G brezžična omrežja imajo koristi – optične povezave, ki povezujejo bazne postaje ali prenašajo fronthaul/backhaul podatke, so lahko učinkovitejše s silicijevo fotoniko. Intel je poudaril, da bo silicijeva fotonika igrala vlogo pri »naslednji generaciji 5G uvedb z manjšimi formati in višjimi hitrostmi, od 100G danes do 400G in več v prihodnosti« expertmarketresearch.com. Sposobnost integracije več deset laserskih valovnih dolžin na čip je uporabna za sisteme z gostim multipleksiranjem po valovni dolžini (DWDM), ki jih telekom operaterji uporabljajo za povečanje števila kanalov na posameznem vlaknu. Leta 2023 je kitajsko podjetje InnoLight celo demonstriralo 1,6 Tb/s optični transceiver (z uporabo več valovnih dolžin in napredne modulacije) – kar kaže, da so večterabitne optične povezave tik pred vrati optics.org.

Druga omrežna uporaba je v osrednji usmerjevalni in stikalni opremi. Visokozmogljivi usmerjevalniki in optične stikalne platforme začenjajo uporabljati silicijeve fotonske vezja za funkcije, kot so optično preklapljanje, usmerjanje signalov in celo filtriranje valovnih dolžin na čipu. Na primer, prototipirane so bile velike silicijevo-fotonske stikalne matrike, ki uporabljajo silicijeve MEMS ali termo-optične učinke za hitro preklapljanje svetlobnih poti, kar bi lahko omogočilo popolnoma optično preklapljanje vezij. Te bi se lahko sčasoma uporabljale v omrežjih podatkovnih centrov za optično rekonfiguracijo povezav v realnem času (Google je namignil na uporabo optičnih stikal v nekaterih svojih AI grozdih) nextplatform.com.

Na splošno so v telekomunikacijah cilji večja zmogljivost in nižji strošek na bit. Silicijeva fotonika pomaga z povečevanjem zmogljivosti optičnih vlaken (100G → 400G → 800G in 1,6T na valovno dolžino) ter z zniževanjem proizvodnih stroškov prek CMOS proizvodnih procesov. Zgovorno je, da je Intelova divizija za silicijevo fotoniko, preden je bila prestrukturirana, od leta 2016 do 2023 dobavila več kot 8 milijonov fotonskih transceiverskih čipov za uporabo v podatkovnih centrih in omrežjih optics.org. In industrijska sodelovanja se povečujejo: na primer, Intel je konec leta 2023 napovedal, da bo proizvodnjo svojih transceiverjev prenesel na Jabil (pogodbenega proizvajalca), da bi še dodatno povečal obseg proizvodnje optics.org. Medtem pa optični velikani, kot je Coherent (prej II-VI) in tradicionalni telekomunikacijski dobavitelji (Nokia, Ciena itd.) vsi vlagajo v silicijevo fotoniko za optične module naslednje generacije optics.org. Tehnologija postaja temelj tako fizične infrastrukture interneta kot hitro razvijajočega se ekosistema 5G/6G komunikacij.

Senzorika in LiDAR

Silicijeva fotonika ni namenjena le komunikacijam – omogoča tudi nove vrste senzorjev z izkoriščanjem natančnega nadzora svetlobe na čipu. Eno izmed vznemirljivih področij je biokemijsko in okoljsko zaznavanje. Silicijevi fotonski senzorji lahko zaznajo izjemno majhne spremembe v lomnem količniku ali absorpciji, ko vzorec (na primer kapljica krvi ali kemična para) interagira z vodenim svetlobnim žarkom. Na primer, silicijev fotonski čip lahko vsebuje majhen obročni resonator ali interferometer, ki spremeni frekvenco, ko se nanj vežejo določene molekule. To omogoča zaznavanje biomarkerjev v slogu laboratorija na čipu – proteinov, DNK, plinov itd. – z visoko občutljivostjo in potencialno nizkimi stroški. Takšni fotonski biosenzorji bi se lahko uporabljali za medicinsko diagnostiko, okoljsko spremljanje ali celo za aplikacije “umetnega nosu” optics.orgoptics.org. Ključne so prednosti miniaturizacije in integracije: en sam silicijev fotonski senzorski čip lahko integrira svetlobne vire, senzorske elemente in fotodetektorje ter tako ponudi kompakten, robusten senzor v primerjavi z obsežno optično laboratorijsko opremo. Raziskave na področju silicijeve nitridne fotonike (različica, ki bolje deluje za vidne valovne dolžine) odpirajo še več možnosti za zaznavanje, saj lahko SiN vodi vidno svetlobo za zaznavanje, kot so fluorescenca ali Ramanovi signali, ki jih čisti silicij ne more.

Druga hitro rastoča uporaba je LiDAR (Light Detection and Ranging) za avtonomna vozila, drone in robotiko. LiDAR sistemi oddajajo laserske pulze in merijo odbito svetlobo za mapiranje razdalj – v bistvu “3D laserski vid.” Tradicionalne LiDAR enote pogosto temeljijo na mehanskem skeniranju in ločenih laserjih/detektorjih, zaradi česar so drage in nekoliko okorne. Silicijeva fotonika ponuja način za izdelavo LiDAR-ja na čipu: monolitno integracijo elementov za usmerjanje žarka, delilnikov, modulatorjev in detektorjev. Silicijev fotonski LiDAR lahko uporablja trdno-stanjsko usmerjanje žarka (na primer optične fazne matrike) za skeniranje okolice brez gibljivih delov. To drastično zmanjša velikost in stroške LiDAR enot. Pravzaprav je Intelov Mobileye nakazal, da uporablja silicijeve fotonske integrirane vezja v svojih LiDAR senzorjih za avtonomno vožnjo naslednje generacije okoli leta 2025 tanaka-preciousmetals.com. Takšna integracija bi lahko znižala stroške LiDAR-ja in omogočila množično uporabo v avtomobilih. Na silicijevi fotoniki temelječ LiDAR lahko doseže tudi hitrejše skeniranje in višjo ločljivost z uporabo več valovnih dolžin ali koherentnih detekcijskih tehnik, vgrajenih na čip. Kot dodatna prednost te integrirane rešitve običajno porabijo manj energije – kar je pomemben dejavnik za električna vozila.

Po podatkih podjetja Ansys “so z silicijevo fotoniko omogočene LiDAR rešitve bolj kompaktne, porabijo manj energije in so cenejše za izdelavo kot sistemi iz diskretnih komponent.” ansys.com To jedrnato povzema, zakaj podjetja od zagonskih do tehnoloških velikanov tekmujejo v razvoju fotonskega LiDAR-ja. Že vidimo prototipe FMCW LiDAR (LiDAR s frekvenčno moduliranim zveznim valom), ki zahteva občutljive fotonske vezje, kot so nastavljivi laserji in interferometri. Silicijeva fotonika je naravna platforma za to, strokovnjaki pa napovedujejo, da bo integrirana fotonika ključna za množično uporabo FMCW LiDAR-ja (zaradi njegovega dolgega dosega in odpornosti na motnje) optics.orgoptics.org. V bližnji prihodnosti pričakujte avtomobile in drone, opremljene z majhnimi, čipnimi LiDAR enotami z visoko zmogljivostjo – neposreden rezultat inovacij v silicijevi fotoniki.

Poleg LiDAR-ja so druge uporabe v zaznavanju žiroskopi in inercialni senzorji (uporaba obročnih laserskih žiroskopov na čipu za navigacijo) ter spektrometri (integrirani optični spektrometri za kemijsko analizo). Skupna nit je, da silicijeva fotonika prinaša natančnost optičnih meritev v miniaturizirani, proizvedljivi obliki. To odpira nove možnosti v potrošniški elektroniki (predstavljajte si optični zdravstveni senzor v pametni uri), industrijskem nadzoru in znanstvenih instrumentih.

Kvantno računalništvo in fotonske kvantne tehnologije

V iskanju kvantnih računalnikov imajo fotoni (delci svetlobe) edinstveno vlogo. Za razliko od elektronov lahko fotoni potujejo na dolge razdalje, ne da bi pri tem interagirali z okoljem (kar je uporabno za prenos kvantnih informacij), določene sheme kvantnega računalništva pa uporabljajo fotone kot same kubite. Silicijeva fotonika se je uveljavila kot vodilna platforma za raziskave kvantnega računalništva in omrežij.

Več zagonskih podjetij in raziskovalnih skupin dela na fotoniskih kvantnih računalnikih, ki uporabljajo silicijeve fotonske vezja za generiranje in manipulacijo kubitov, kodiranih v svetlobi. Na primer, PsiQuantum, močno financirano zagonsko podjetje, sodeluje s polprevodniško tovarno pri gradnji velikega kvantnega računalnika z uporabo tisočev silicijevih fotonskih kanalov za kubite. Ideja je integrirati naprave, kot so viri posameznih fotonov, delilniki žarkov, fazni zamikači in detektorji fotonov na čip, da bi izvajali kvantno logiko s fotoni. Prednost silicijeve fotonike je tukaj v razširljivosti – ker temelji na CMOS proizvodnji, je mogoče (v teoriji) ustvariti zelo kompleksna kvantna fotonska vezja s stotinami ali tisoči komponent, kar je pri drugih pristopih kvantne strojne opreme veliko težje. Raziskovalci so nedavno celo demonstrirali silicijeve fotonske čipe s tisoči komponent, ki skupaj delujejo za manipulacijo kvantne svetlobe nature.com.

Silicijeva fotonika omogoča tudi kvantno omreženje – varno komunikacijo z uporabo kvantne porazdelitve ključev (QKD) in prepletenih fotonov – saj zagotavlja platformo za kompaktne, stabilne optične kvantne oddajnike in sprejemnike. Poleg tega lahko določene tehnologije kvantnih senzorjev (kot so optični kvantni žiroskopi ali enofotonski LiDAR) uporabljajo silicijeve fotonske čipe kot svojo osnovo.

Eden glavnih izzivov pri fotonskem kvantnem računalništvu je generiranje posameznih fotonov na zahtevo in njihovo usmerjanje z majhnimi izgubami. Zanimivo je, da za kvantno, tako kot za klasično silicijevo fotoniko, veljajo enake omejitve (in rešitve): silicij sam po sebi ne seva laserske svetlobe, zato kvantni fotonski čipi pogosto uporabljajo integrirane nelinearne procese ali vire kvantnih pik za ustvarjanje posameznih fotonov, ali pa hibridno integrirajo specializirane materiale. Prednosti so podobne – visoka natančnost in miniaturizacija. Kot navaja poročilo Ansys, kvantni računalniki uporabljajo fotone za izračune, upravljanje teh fotonov z integrirano fotoniko pa prinaša prednosti hitrosti, natančnosti in stroškov ansys.com. V praksi lahko silicijeva fotonika zagotovi stabilnost in možnost proizvodnje, ki sta potrebni za prehod kvantnih sistemov iz laboratorijskih eksperimentov v dejanske naprave.

Poleg računalništva so kvantni fotonski senzorji (kot so interferometri, ki izkoriščajo kvantna stanja za dodatno občutljivost) in kvantni generatorji naključnih števil druga področja, kjer ima silicijeva fotonika velik vpliv. Čeprav je fotonsko kvantno računalništvo še v razvoju in bo verjetno zrelo šele čez nekaj let, velike investicije na tem področju poudarjajo njegov potencial. Leta 2022 je vodilni raziskovalec, prof. John Bowers, izpostavil, da silicijeva fotonika hitro napreduje s številnimi novimi aplikacijami, vključno s kvantnimi, ki so na obzorju nature.com. Zdi se verjetno, da bodo prvi kvantni računalniki velikega obsega dejansko optični, zgrajeni na silicijevih fotonskih čipih – fascinanten krog, kjer bi tehnologija, prvotno razvita za telekomunikacije, lahko omogočila naslednji preskok v računalništvu.

Trenutni trendi in razvoj (2025)

Do leta 2025 silicijeva fotonika pridobiva izjemen zagon. Več trendov se je združilo in potisnilo to tehnologijo iz laboratorijev in nišnih uporab v glavni tok tehnološke industrije:

• Podatkovno ozko grlo in so-pakirane optike: Nezajezljiva potreba po podatkih (zlasti zaradi umetne inteligence in oblačnih storitev) je električne povezave spremenila v resno ozko grlo. Trenutno smo na točki, ko je treba ob vsakem podvajanju pasovne širine povezave prepoloviti dolžino bakrene žice, da ohranimo integriteto signala nextplatform.com – nevzdržen kompromis. Ta nujnost je v ospredje postavila pristope, kot je so-pakirana optika (CPO), kjer so optični moduli nameščeni tik ob ASIC stikalu ali procesorskih čipih, da se skoraj v celoti odpravi električna prenosna razdalja. Leta 2023 je več podjetij predstavilo so-pakirano optiko v stikalih (npr. Broadcomovi prototipi stikal s 25,6 Tb/s in 51,2 Tb/s z integriranimi laserskimi fotonskimi moduli). Industrijski načrti nakazujejo, da naj bi 51,2 Tb/s Ethernet stikala s so-pakirano silicijevo fotoniko prišla na trg v naslednjem letu ali dveh tanaka-preciousmetals.com, in da bomo okoli leta 2026–2027 verjetno videli prve CPU/GPU, ki bodo neposredno uporabljali optični I/O nextplatform.com. Z drugimi besedami, optična doba povezav se bo kmalu začela v praktičnih sistemih. Podjetja kot so Intel, Nvidia in Cisco aktivno razvijajo CPO rešitve. Pravzaprav so Intelov projekt Tomambe in drugi že prikazali 1,6 Tb/s fotonske module, integrirane s stikalnimi čipi tanaka-preciousmetals.com. Splošno soglasje: po letih raziskav so-pakirana optika prehaja iz prototipa v izdelek, s ciljem zmanjšati porabo energije na bit s približevanjem svetlobnih virov viru podatkov (30 % prihranka energije v primerjavi s priključnimi rešitvami, po eni oceni laserfocusworld.com).
• Val investicij in zagonske dejavnosti: Zadnjih nekaj let smo priča večjim investicijam in financiranju v podjetja s področja silicijeve fotonike. To odraža zaupanje industrije v prihodnost te tehnologije. Na primer, konec leta 2024 je Ayar Labs zbral 155 milijonov dolarjev v seriji D (s čimer je dosegel status “samoroga” z več kot milijardo dolarjev vrednotenja) za širitev svojih optičnih I/O rešitev; pomembno je, da so v tem krogu sodelovali tudi strateški vlagatelji kot so Nvidia, AMD in Intel sami nextplatform.com. Podobno je zagonsko podjetje za fotonsko računalništvo Lightmatter v letu 2024 pridobilo 400 milijonov dolarjev financiranja za nadaljnji razvoj svoje optične AI pospeševalne platforme nextplatform.com. Drugo zagonsko podjetje, Celestial AI, ki se osredotoča na optične povezave za umetno inteligenco, je v začetku leta 2024 ne le zbralo 175 milijonov dolarjev, temveč tudi pridobilo portfelj intelektualne lastnine silicijeve fotonike podjetja Rockley Photonics (nekdanje podjetje, osredotočeno na fotoniko za zaznavanje) za 20 milijonov dolarjev oktobra 2024 datacenterdynamics.com. S tem prevzemom je Celestial AI pridobil več kot 200 patentov na področju silicijeve fotonike, kar nakazuje določeno konsolidacijo v industriji – manjši igralci z dragoceno fotonsko tehnologijo (Rockley je razvil napredne modulatorje in integrirano optiko za nosljive naprave) se vključujejo v podjetja, ki ciljajo na podatkovne centre in trge umetne inteligence. Prav tako smo videli, da sta HyperLight in Lightium, dva zagonska podjetja, specializirana za tanko-plastni litijev niobat fotonske čipe, skupaj pritegnila 44 milijonov dolarjev investicij v letu 2023 optics.org, kar poudarja zanimanje za nove materiale za izboljšanje silicijeve fotonike (TFLN modulatorji lahko omogočajo višje hitrosti in nizke izgube). Na splošno so tvegan kapital in korporativna podpora podjetjem s področja silicijeve fotonike na najvišji ravni doslej, kar odraža spoznanje, da je optična tehnologija ključna za prihodnje polprevodnike.
• Zorenje tehnologije in rast ekosistema: Drugi trend je zorenje ekosistema silicijeve fotonike. V igro vstopa vedno več livarn in dobaviteljev. V preteklosti so imeli celovite zmogljivosti le redki igralci (kot sta Intel ali Luxtera). Zdaj pa velike polprevodniške livarne, kot so GlobalFoundries, TSMC in celo STMicroelectronics, ponujajo proizvodne linije za silicijevo fotoniko ali standardizirane fotonske PDK-je (kompleti za načrtovanje procesov) za stranke ansys.com. Ta standardizacija pomeni, da lahko zagonska ali manjša podjetja načrtujejo fotonska vezja in jih dajo izdelati brez lastne tovarne – podobno kot delujejo podjetja za elektronske čipe brez lastne proizvodnje. Redno potekajo skupni prevozi več projektov na rezinah (MPW) za fotonske čipe, kjer si več načrtov deli eno serijo rezin, kar močno zniža stroške prototipiranja. Industrijske skupine delajo na standardiziranih rešitvah za pakiranje (optični I/O vmesniki, metode pritrditve vlaken), da bi bilo mogoče fotonske čipe lažje vključiti v izdelke. Ustanovitev American Institute for Manufacturing Integrated Photonics (AIM Photonics) je bil velik pospešek: ta javno-zasebni konzorcij je vzpostavil livarno in linijo za pakiranje silicijeve fotonike v New Yorku in nedavno prejel 321 milijonov dolarjev v 7-letnem programu (do leta 2028) za napredek proizvodnje integrirane fotonike v ZDA. nsf.gov. Podobno v Evropi raziskovalni inštituti, kot sta IMEC v Belgiji in CEA-Leti v Franciji, zagotavljajo platforme za silicijevo fotoniko in so spodbudili nastanek grozda fotonskih zagonskih podjetij. Na Kitajskem se področje silicijeve fotonike prav tako razvija, podjetja kot sta InnoLight in Huawei pa vlagajo v domače zmogljivosti za fotonske čipe optics.orgoptics.org. Vsi ti razvojni dogodki kažejo, da silicijeva fotonika ni več eksperimentalna tehnologija – postaja standardni del polprevodniškega nabora orodij.
• Višje hitrosti in novi materiali: Tehnološko smo priča hitremu napredku pri izboljševanju zmogljivosti silicijevih fotonskih naprav. 800G optični transceiverji so že v fazi vzorčenja, 1,6 Tb/s moduli so bili demonstrirani optics.org, pričakovani pa so tudi 3,2 Tb/s vtični moduli do leta 2026 optics.org. Za doseganje teh hitrosti inženirji uporabljajo vse od 16-kanalnega valovnodolžinskega multipleksiranja do naprednih modulacijskih formatov – v bistvu izkoriščajo optično področje za prenos več bitov. Na ravni naprav se v silicijevo fotoniko vključujejo novi materiali, da bi premagali omejitve silicija. Odličen primer je tanko-plastni litijev niobat (TFLN) na siliciju, ki omogoča zelo hitre modulatorje s Pockelsovim učinkom in nizkimi izgubami. To bi lahko omogočilo modulatorje, ki obvladujejo pasovne širine modulacije nad 100 GHz, primerno za prihodnje 1,6T in 3,2T povezave ali celo za kvantne aplikacije optics.org. Startupi, kot je HyperLight, komercializirajo te hibridne LiNbO3/Si čipe. Drugi materiali v raziskavah in razvoju vključujejo barijev titanat (BTO) elektro-optične modulatorje in materiale, dopirane z redkimi zemljami, za laserske/ojačevalne elemente na čipu optics.org. Nadaljuje se tudi delo na integraciji polprevodnikov III-V (InP, GaAs) na silicij za boljše laserje in optične ojačevalnike – na primer, laserske diode s kvantnimi pikami, neposredno vzgojene na siliciju, so zelo napredovale in rešujejo težave z zanesljivostjo, ki so pestile prejšnje poskuse nature.comnature.com. Skratka, nabor materialov za silicijevo fotoniko se širi, kar bo prineslo večje zmogljivosti in nove funkcionalnosti. Vidimo celo, da se na silicijevi fotoniki osnovani mikrogrebeni (viri optičnih frekvenčnih grebenov) uporabljajo za aplikacije, kot so ultrahitri prenos podatkov in natančna spektroskopija, kar bi se pred desetletjem zdelo neverjetno.
• Nastajajoče aplikacije in izdelki: Poleg osnovnih aplikacij se v letu 2025 pojavljajo nekateri novi primeri uporabe. Eden izmed njih je optično računalništvo za umetno inteligenco (AI) (o katerem smo že govorili), ki prehaja iz raziskovalnih demonstracij v zgodnje izdelke – na primer, podjetje Lightelligence je predstavilo fotonsko računalniško strojno opremo za pospeševanje AI inferenc. Drugi primer so optične povezave med čipi v naprednem pakiranju: ko podjetja raziskujejo veččipovske module in čiplete, lahko optične povezave povezujejo te čiplete z visoko hitrostjo prek paketa ali interposerja. Standardi, kot je UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express), celo razmišljajo o optičnih PHY razširitvah. Vidimo tudi zanimanje vlad: DARPA in druge agencije imajo programe za uporabo fotonskih povezav v obrambnih sistemih (za vrhunsko procesiranje in usmerjanje RF signalov). Na področju potrošniške elektronike pa se špekulira, da bi se v nekaj letih lahko pojavili optični I/O v potrošniških napravah – na primer, AR/VR slušalke z uporabo silicijevega fotonskega čipa za povezave s senzorji z visoko pasovno širino ali optični Thunderbolt kabel za AR očala. Čeprav tega še ni, so te ideje že na risalnih deskah.

Povzetek: leto 2025 pomeni prelomnico za silicijevo fotoniko: na trg prihajajo pomembni komercialni izdelki (zlasti v omrežjih), vlaganja so ogromna, ekosistem pa dozoreva. Vedno bolj je jasno, da bodo optične tehnologije v prihodnje igrale temeljno vlogo v računalništvu in povezljivosti. Kot je dejal eden izmed komentatorjev iz industrije, mnogi pričakujejo, da se bo v drugi polovici tega desetletja optični I/O preselil iz pilotnih linij v množično proizvodnjo – “generacija računalniških pogonov iz leta 2025 morda še ne bo imela silicijeve fotonike, a generacija 2026 bi jo lahko imela, generacija 2027 pa jo bo skoraj zagotovo imela”, saj na koncu nimamo izbire – “čas za baker je potekel.” nextplatform.com

Izzivi in omejitve

Kljub vsemu navdušenju se silicijeva fotonika sooča z številnimi izzivi in omejitvami, ki jih raziskovalci in inženirji aktivno poskušajo premagati. Gre za preobrazbeno tehnologijo, vendar še ni čudežna rešitev – vsaj za zdaj ne. Tukaj so ključne ovire:

• Integracija svetlobnih virov: Morda je najbolj zloglasna omejitev ta, da silicij ni dober pri generiranju svetlobe. Silicij ima posreden energijski pas, kar pomeni, da ne more delovati kot laser ali učinkovit LED. Kot je fotonski pionir John Bowers neposredno povedal, “Silicij je izjemno slab kot oddajnik svetlobe.” nature.com Njegova notranja učinkovitost je skoraj ničelna – približno en elektron na milijon v siliciju bo proizvedel foton – medtem ko lahko polprevodniki III-V, kot sta indijev fosfid ali galijev arzenid, oddajajo svetlobo z skoraj 100% učinkovitostjo nature.com. To pomeni, da morate za laserje na silicijevem fotonskem čipu običajno uvesti druge materiale. To je mogoče doseči z hibridno integracijo (spajanje kosa InP rezine z laserskimi diodami na silicijevo rezino) ali z novejšimi tehnikami, kot je neposredna rast nanostrukturiranih III-V laserjev na siliciju. Napredek na tem področju je obetaven: podjetja in laboratoriji (Intel, UCSB itd.) so na velikem merilu prikazali hibridno integrirane laserje, pred kratkim pa celo kvantno-točkovne laserje, vzgojene na 300 mm silicijevih rezinah z dobro zanesljivostjo nature.comnature.com. Kljub temu integracija laserjev poveča kompleksnost in stroške. Če je laser izven čipa (v ločenem laserskem modulu, povezanem preko vlakna), se nato soočite z izzivom učinkovitega spajanja te svetlobe v majhne valovode na čipu. Skratka, pridobivanje svetlobe na čip ni trivialna naloga. Industrija raziskuje rešitve, kot je heterogena integracija (več materialov na enem čipu) in celo nove pristope, kot so električno črpani germano-silicijevi laserji ali Ramanovi laserji na siliciju, vendar so ti še v razvoju. Leta 2025 večina silicijevih fotonskih sistemov uporablja bodisi hibridne laserje bodisi zunanje laserje, ki so priklopljeni. To je eno ključnih področij nadaljnjih raziskav.
• Proizvodnja in izkoristek: Silicijeve fotonske vezje je mogoče izdelovati v obstoječih tovarnah, vendar imajo drugačne zahteve kot elektronski čipi. Optika namreč zahteva zelo natančen nadzor dimenzij – odstopanja le nekaj nanometrov v širini ali razmiku valovodov lahko spremenijo valovno dolžino resonatorjev ali fazo svetlobe. Doseganje visokega izkoristka (tj. dosledne zmogljivosti na številnih čipih) je zahtevno. Poleg tega lahko integracija več vrst materialov (silicij, silicijev nitrid, III-V materiali, kovine) v enem proizvodnem procesu prinese dodatno kompleksnost. Sklopka vlaken na čip je prav tako izziv pri izkoristku in proizvodnji; poravnava majhnih optičnih vlaken z valovodnimi fasetami v mikronskem merilu trenutno pogosto zahteva drago aktivno poravnavo. Nekateri od teh korakov so v proizvodnji še vedno polročno izvedeni, kar ni dobro za večje obsege. Veliko dela je vloženega v izboljšanje tehnik pakiranja, kot je uporaba standardiziranih enot za pritrditev vlaken ali vključevanje rešetkastih sklopk, ki omogočajo lažje spajanje svetlobe iz vlaken nad čipom. Pakiranje kombiniranih elektronskih + fotonskih čipov je prav tako zahtevno – na primer, če imate fotonski čip in elektronski ASIC v istem paketu, ju morate poravnati in hkrati upravljati toploto (saj lahko vroča elektronika moti fotoniko). Ansys navaja, da če si elektronika in fotonika delita čip, mora proizvodni pristop uravnotežiti potrebe obeh, če pa gre za ločene čipe, je potrebno napredno pakiranje – “nastajanje toplote v elektroniki lahko vpliva na fotoniko.” ansys.com Toplotno uravnavanje je še ena težava: številni silicijevi fotonski filtri in modulatorji temeljijo na toplotnih učinkih, zato lahko spremembe temperature razglasijo vezja, kar zahteva dodatno energijo za stabilizacijo. Vse to otežuje proizvodnjo in zvišuje stroške.
• Stroški in obseg: Ko govorimo o stroških – čeprav silicijeva fotonika obljublja nizke stroške z izkoriščanjem visokih količin v silicijevih tovarnah, je današnja realnost, da so ti izdelki še vedno razmeroma nišni in dragi. Industrija sicer pošilja milijone enot (kot oddajnike v podatkovnih centrih), vendar bo za resnično znižanje stroškov verjetno treba letno poslati milijarde enot ansys.com. Z drugimi besedami, še ni dosegla obsega potrošniške elektronike. Naprave pogosto zahtevajo tudi specializirano pakiranje (kot omenjeno) in testiranje, kar povečuje stroške. Trenutni silicijev fotonski oddajnik za podatkovne centre lahko stane več sto ali tisoč dolarjev, kar je za ta trg sprejemljivo, za potrošniške trge pa previsoko. Ekonomika je nekoliko negotova pri zelo velikih količinah – kot je poudarilo eno poročilo, veliki kupci iz oblaka skrbijo za zanesljivost in stroškovno strukturo, če bi široko sprejeli silicijevo fotoniko, saj tehnologija še ni dosegla proizvodne učne krivulje glavnega toka silicija nextplatform.com. Vendar se stroški vztrajno izboljšujejo, prizadevanja, kot so standardizirani PDK-ji v livarnah in avtomatizacija, pa pomagajo. V naslednjih nekaj letih, ko se bo obseg povečal (zaradi umetne inteligence in podatkovnih centrov), bi morali videti znižanje stroškov, kar bo odprlo več trgov (gre za začarani krog, ko se enkrat sproži). Kljub temu so lahko leta 2025 stroški na napravo omejevalni dejavnik za sprejetje silicijeve fotonike v cenovno občutljivih aplikacijah.
• Poraba energije in učinkovitost: Čeprav lahko silicijeva fotonika zmanjša porabo energije za prenos podatkov pri zelo visokih hitrostih, same naprave še vedno porabljajo energijo – npr. modulatorji pogosto uporabljajo toplotno nastavljanje ali PN-spoje, ki porabljajo tok, in laserji seveda porabljajo energijo. Obstaja določen strošek pri pretvorbi elektronskih signalov v optične in nazaj. Da bi resnično prihranili energijo na ravni sistema, morajo biti ti stroški manjši od prihrankov, ki jih prinaša opustitev dolgih električnih povezav. Današnji silicijevi fotonski oddajniki so precej energetsko učinkoviti (nekaj pikodžulov na bit za optično pretvorbo), vendar si prizadevajo za še nižjo porabo, še posebej, če se optični I/O uporablja na čipu ali v pomnilniških vodilih, kjer mora biti učinkovitost zelo visoka. Ena obetavna možnost je uporaba elektro-optičnih materialov (kot sta LiNbO3 ali BTO), ki lahko modulirajo svetlobo z zelo nizko napetostjo (in s tem nižjo porabo) namesto toplotnega nastavljanja. Prav tako bi lahko integracija učinkovitejših virov svetlobe (kot so kvantno-točkovni laserji) zmanjšala izgubo energije pri laserjih (trenutni laserski viri z razpršeno povratno zvezo pogosto veliko energije izgubijo kot toploto). Torej, čeprav silicijeva fotonika rešuje problem porabe energije za povezave na makro ravni, inženirji na mikro ravni še vedno optimizirajo porabo energije posameznih naprav. Dobra novica: tudi s trenutno tehnologijo lahko optika v skupnem paketu zmanjša skupno porabo energije za povezave za ~30 % v primerjavi s tradicionalnimi priključnimi rešitvami laserfocusworld.com, prihodnje izboljšave pa bodo verjetno te prihranke še povečale.
• Načrtovanje in orodja za načrtovanje: To je manj očiten, a pomemben izziv: načrtovanje fotonskih vezij je nova veščina, poleg tega pa EDA (Electronic Design Automation) orodja za fotoniko niso tako zrela kot tista za elektroniko. Simulacija optičnih vezij, še posebej velikih z mnogimi komponentami, je lahko zapletena. Spremenljivost v izdelavi je treba upoštevati pri načrtovanju (morda boste potrebovali toplotne nastavljalnike za popravljanje manjših napak). Obstaja potreba po boljših orodjih za načrtovanje, ki lahko so-optimizirajo elektronske in fotonske dele vezja, kar pogosto imenujemo EPDA (Electronic Photonic Design Automation). Ekosistem dohiteva – podjetja kot so Synopsys, Cadence in Lumerical (Ansys) imajo orodja za fotonsko načrtovanje – vendar je to še vedno razvijajoče se področje. Povezan izziv je pomanjkanje standardov na nekaterih področjih: čeprav številne livarne ponujajo PDK-je, ima lahko vsaka različne knjižnice komponent in parametre. To lahko naredi načrte manj prenosljive kot elektronske načrte. Industrija se premika proti skupnim standardom (na primer format za izmenjavo postavitev za fotonska vezja ali standardizirani modeli komponent), vendar je potrebno še več dela za poenostavitev načrtovalskega procesa. Ključno je tudi graditi robusten kader: potrebni so inženirji, ki razumejo tako RF/mikrovalovno analogno načrtovanje kot optično fiziko, a jih je malo (čeprav številne univerze zdaj izobražujejo diplomante na tem interdisciplinarnem področju).
• Omejitve zmogljivosti: Čeprav silicijeva fotonika močno izboljša določene metrike, ima svoje fizične omejitve. Optične izgube v vodilih, čeprav nizke (~dB/cm), se v velikih vezjih seštevajo, tesni zavoji ali majhne značilnosti pa lahko povečajo izgube. Prav tako je treba zmanjšati izgube pri spajanju vlakna na čip. Toplotna občutljivost silicija (lomni količnik se spreminja s temperaturo) pomeni, da številna silicijeva fotonska vezja potrebujejo stabilizacijo ali kalibracijo. Omejitve pasovne širine se lahko pojavijo pri modulatorjih ali detektorjih – na primer, silicijevi obročni modulatorji imajo končno pasovno širino in so lahko občutljivi na temperaturo, medtem ko Mach-Zehnderjevi modulatorji zahtevajo natančno načrtovanje za dosego zelo visokih hitrosti brez popačenja. Kromatska disperzija v vodilih lahko omeji zelo širokopasovne valovne aplikacije (čeprav to običajno ni težava na kratkih razdaljah na čipu). Še ena podrobnost: elektronsko-fotonska integracija pogosto zahteva so-načrtovanje elektronike (kot so gonilni ojačevalniki, TIA za detektorje) s fotoniko. Vmesnik med njima lahko omeji celotno zmogljivost (npr. če modulator potrebuje določen napetostni zamah, potrebujete gonilnik, ki ga lahko hitro zagotovi). Torej je sistemsko inženirstvo zapleteno. Poleg tega niso vse aplikacije upravičene do fotonike – za zelo kratke, nizkohitrostne povezave je elektrika še vedno lahko cenejša in enostavnejša. Torej je že samo odločanje, kje uporabiti silicijevo fotoniko za največjo korist, pomemben dejavnik.

Povzemimo, čeprav nobeden od teh izzivov ni nepremostljiv, skupaj pomenijo, da ima silicijeva fotonika še nekaj razvoja pred seboj. Številni najbistrejši umi na področju fotonike in elektronike se aktivno ukvarjajo s temi težavami: vključevanje boljših laserjev, izboljšanje pakiranja, povečanje proizvodnje in širitev oblikovalskih zmogljivosti. Napredek, dosežen celo v zadnjih nekaj letih, je spodbuden. Kot je poudaril prof. Bowers, se izzivi, kot so vključevanje III-V laserjev v CMOS, izboljšanje izkoristka in priklopa na vlakna ter zniževanje stroškov, vsi rešujejo z »zelo hitrim napredkom« nature.com. Vsako leto prinaša izboljšave in razkorak med laboratorijskim prototipom in množično proizvodnjo se nekoliko oži. Vredno se je spomniti, da so elektronska integrirana vezja potrebovala desetletja intenzivnega razvoja, da so dosegla današnji obseg – silicijeva fotonika je v primerjavi s tem še v precej zgodnejši fazi svoje poti, a hitro napreduje.

Vodilna podjetja in inštitucije na tem področju

Silicijeva fotonika je postala globalni podvig, pri katerem številna podjetja (od zagonskih do tehnoloških velikanov) in raziskovalne ustanove poganjajo področje naprej. Po podatkih tržnih raziskav so glavni akterji na trgu silicijeve fotonike (stanje 2025) industrijski velikani, kot so Cisco, Intel in IBM, poleg specialistov, kot so NeoPhotonics (Lumentum), Hamamatsu Photonics in STMicroelectronics expertmarketresearch.com. Tukaj je pregled nekaterih ključnih prispevalcev:

• Intel Corporation (ZDA): Intel, pionir na področju silicijeve fotonike, je zgodaj in močno vlagal v to tehnologijo. Leta 2016 je predstavil enega prvih 100G silicijevih fotonskih oddajnikov in od takrat dostavil milijone naprav optics.org. Intel uporablja silicijevo fotoniko v visokohitrostnih optičnih oddajnikih in jo uvaja v prihodnje strežniške procesorje ter robne aplikacije. Vizija podjetja je “omogočiti prihodnjo rast pasovne širine podatkovnih centrov” s fotoniko, s skaliranjem od 100G do 400G in več, ter integracijo optike s procesorji za aplikacije, kot so 5G in avtonomna vozila expertmarketresearch.com, tanaka-preciousmetals.com. Intelov oddelek za silicijevo fotoniko je pred kratkim sklenil partnerstvo z Jabilom za proizvodnjo, kar kaže na zrelost za proizvodnjo v velikih količinah optics.org. Intel prav tako raziskuje so-pakirano optiko za stikala in ima deleže v številnih fotonskih zagonskih podjetjih (kot je Ayar Labs).
• Cisco Systems (ZDA): Cisco, velikan na področju omrežij, je vstopil v silicijevo fotoniko z akvizicijami (npr. prevzem Luxtere leta 2019) in je zdaj vodilni dobavitelj silicijevih fotonskih optičnih oddajnikov za podatkovne centre in telekomunikacije. Cisco uporablja svojo fotonsko tehnologijo v izdelkih od 100G/400G vtičnih modulov do prihodnjih so-pakiranih optičnih stikal. Ciscojeve rešitve imajo koristi od lastnega razvoja fotonskih IC-jev, ki dosegajo visoko gostoto in energijsko učinkovitost. Z izkoriščanjem silicijeve fotonike Cisco svojim strankam nudi visokohitrostne povezave z manjšimi oblikovnimi faktorji. Leta 2025 je Cisco eden vodilnih na trgu, ki v velikih količinah dobavlja silicijevo fotoniko expertmarketresearch.com.
• IBM Corporation (ZDA): IBM ima dolgo zgodovino raziskav optičnih povezav. Njegova ekipa za silicijevo fotoniko, z več kot desetletjem raziskav in razvoja, je razvila visokohitrostno optično povezovalno tehnologijo, namenjeno povezavam na ravni plošč in procesorjev expertmarketresearch.com. IBM-ove raziskave so prinesle napredek na področju silicijevih mikroobročnih modulatorjev, multipleksiranja valovnih dolžin in pakiranja. Čeprav IBM ne prodaja oddajnikov kot Intel ali Cisco, pogosto sodeluje pri prototipih (na primer, IBM in Mellanox sta leta 2015 predstavila optično povezavo za strežnike). IBM-ov poudarek je na uporabi fotonike za reševanje ozkih grl v računalništvu (npr. procesor POWER10 uporablja fotonske povezave za signalizacijo izven čipa prek partnerstev). IBM prav tako prispeva k standardom in odprtim raziskavam; njihovo delo se pogosto pojavlja na konferencah, kot sta OFC in CLEO.
• NeoPhotonics/Lumentum (ZDA): NeoPhotonics (ki je zdaj del Lumentuma od leta 2022) se specializira za laserje in fotonske komponente za telekomunikacije in podatkovne centre. Razvili so ultra-čiste nastavljive laserske vire svetlobe in visokohitrostne modulatorje. NeoPhotonics je posebej predstavil koherentne optične podsestave na osnovi silicijeve fotonike (COSA) za komunikacije s 400G na valovno dolžino in raziskoval 800G in več expertmarketresearch.com. Kot del Lumentuma (enega večjih igralcev v optični industriji) to znanje prispeva k naslednji generaciji koherentnih oddajnikov in vtičnih modulov za telekomunikacije. Lastništvo Lumentuma pomeni, da je mogoče te izdelke iz silicijeve fotonike integrirati z obstoječim fotonskim portfeljem Lumentuma (npr. z njihovimi indijevo-fosfidnimi modulatorji in ojačevalniki).
• Hamamatsu Photonics (Japonska): Vodilni proizvajalec optoelektronskih komponent, Hamamatsu izdeluje širok nabor fotonskih naprav (fotodiode, fotopomnoževalke, slikovne senzorje itd.). Hamamatsu je sprejel silicijeve procese za proizvodnjo, kot so silicijeve fotodiodne matrike in silicijevi optični senzorji expertmarketresearch.com. Čeprav niso tako močno usmerjeni v visokohitrostne oddajnike, je delo Hamamatsuja na področju silicijeve fotonike ključno za zaznavanje in znanstvene instrumente. Ponuja silicijeve PIN fotodiode, APD-je in optične senzorske čipe, ki so temeljni za optične komunikacijske sprejemnike in LiDAR detektorje. Njihovo znanje na področju nizkošumne, visokoobčutljive fotonike dopolnjuje digitalno komunikacijsko plat silicijeve fotonike.
• STMicroelectronics (Švica/Evropa): STMicro je velik proizvajalec polprevodnikov, ki je razvil lastne zmogljivosti na področju silicijeve fotonike. STMicro se osredotoča na integrirane rešitve za slikanje in zaznavanje – na primer, izdelali so silicijeve fotonske čipe za vlaknovodne žiroskope in sodelovali pri raziskavah in razvoju optičnih povezav v evropskih konzorcijih. Napredne tovarne in MEMS zmogljivosti STMicroja ga dobro pozicionirajo za silicijevo fotoniko, ki zahteva integracijo z drugimi senzorji ali elektroniko expertmarketresearch.com. Države, kot sta Francija in Italija (kjer ima ST pomembne obrate), podpirajo fotoniko prek različnih pobud, ST pa je pogosto partner v teh projektih. Govori se tudi, da dobavljajo nekatere silicijeve fotonske komponente za industrijske in avtomobilske sisteme.
• GlobalFoundries (ZDA) in TSMC (Tajvan): Ta proizvajalca čipov po pogodbi sta vsak zase vzpostavila ponudbo na področju silicijeve fotonike. GlobalFoundries ima dobro znan 45 nm proces silicijeve fotonike (GF 45CLO) in je sodeloval s startupi, kot je Ayar Labs, pri izdelavi optičnih I/O čipov. TSMC je bolj skrivnosten, vendar naj bi sodeloval z velikimi tehnološkimi podjetji pri izdelavi fotonsko integriranih čipov (na primer, nekatera Appleova ugibanja nakazujejo vpletenost TSMC pri fotonskih senzorjih). Oba sta ključna za povečanje proizvodnje – sodelovanje velikih tovarn pomeni, da lahko katerokoli podjetje brez lastne proizvodnje lažje dobi prototipe in serijsko proizvodnjo fotonskih čipov. Pravzaprav je vključenost takšnih tovarn močan pokazatelj, da silicijeva fotonika postaja del glavnega toka.
• Infinera (ZDA) in Coherent/II-VI (ZDA): Infinera je proizvajalec telekomunikacijske opreme, ki je zgodaj zagovarjal fotonske integrirane vezja (čeprav na indijevem fosfidu). Kasneje so se prilagodili in v nekaterih izdelkih uporabljajo tudi silicijevo fotoniko ali za so-pakiranje s svojimi InP PIC-i. Coherent (ki je prevzel Finisar in kasneje prevzel ime Coherent) je globoko vključen v optične komponente; imajo lastne InP tovarne, razvijajo pa tudi silicijeve fotonske oddajnike za podatkovne centre optics.org. Ta podjetja prinašajo telekomunikacijsko raven zanesljivosti in zmogljivosti, s čimer silijo silicijevo fotoniko, da doseže zahteve operaterjev (npr. moduli 400ZR za koherentne povezave na daljavo).
• Ayar Labs, Lightmatter in zagonska podjetja: Val inovativnih zagonskih podjetij potiska silicijevo fotoniko na nova področja. Omenili smo Ayar Labs (optični I/O za AI/HPC) in Lightmatter (optično računalništvo). Drugi vključujejo Lightelligence (še en zagonski AI optični čip), Luminous Computing (integracija fotonike in elektronike za AI), Celestial AI (optično omrežje za računske grozde), OpenLight (skupno podjetje, ki ponuja odprto fotonsko platformo z integriranimi laserji) in Rockley Photonics (osredotočen na zdravstvene senzorje, zdaj večinoma v lasti Celestial). Ta zagonska podjetja so znana po svojih ambicioznih pristopih – npr. Lightmatterjev 3D integrirani fotonski tenzorski jedro ali Luminousov poskus izgradnje celotnega fotonskega računalnika. Pogosto sodelujejo z velikimi podjetji (na primer, HPE je sodeloval z Ayar Labs za uporabo optičnih povezav v superračunalniškem povezovalnem tkivu nextplatform.com). Zagonska scena je živahna in njihova prisotnost je spodbudila uveljavljene igralce k hitrejšemu razvoju. Industrijski opazovalec je poudaril, da imajo poleg Ayar tudi podjetja, kot sta Lightmatter in Celestial AI, »vsi možnost prodreti, saj silicijeva fotonika povezuje računske enote in povezave.« nextplatform.com
• Akademske in raziskovalne ustanove: Na institucionalni strani so vodilne univerze in nacionalni laboratoriji ključni za napredek silicijeve fotonike. Univerza Kalifornije v Santa Barbari (UCSB) pod vodstvom prof. Johna Bowersa je prava velesila, ki je pionirsko razvila hibridne silicijeve laserje in kvantno točkovne laserje na siliciju. MIT, Stanford, Columbia (s skupino prof. Michal Lipson) in Caltech so druga ameriška žarišča raziskav na področju silicijeve fotonike, kjer se ukvarjajo z vsem, od nove fizike modulatorjev do arhitektur fotonskega računalništva. V Evropi ima IMEC v Belgiji pomemben program silicijeve fotonike in storitev večprojektnih rezin (iSiPP), močne skupine pa imajo tudi Univerza v Southamptonu, TU Eindhoven, EPFL in drugi. Inštitut AIM Photonics v ZDA (omenjen zgoraj) združuje številne od teh univerz in podjetij za sodelovanje ter nudi nacionalne proizvodne zmogljivosti. Vladni laboratoriji, kot sta MIT Lincoln Lab in IMEC, so celo demonstrirali napredno integrirano fotoniko za obrambo (npr. optične fazne matrike za LiDAR). Poleg tega mednarodna sodelovanja in konference (kot so Optical Fiber Conference, ISSCC, srečanja IEEE Photonics Society) omogočajo tem ustanovam izmenjavo prebojev. Področje ima koristi od zdravega povezovanja akademije in industrije: številni ustanovitelji zagonskih podjetij in vodilni v industriji so se izšolali v teh raziskovalnih laboratorijih, tekoče akademske raziskave pa še naprej premikajo meje (na primer z novo integracijo materialov ali kvantno fotoniko, kot je omenjeno).

Vsi ti akterji – velika tehnološka podjetja, specializirani proizvajalci komponent, ambiciozni startupi in vrhunski raziskovalni laboratoriji – tvorijo bogat ekosistem, ki skupaj poganja razvoj silicijeve fotonike naprej. Konkurenca in sodelovanje med njimi pospešujeta inovacije. Omeniti velja, da ima celo geopolitika svojo vlogo: zavedajo se tekmovanja med ZDA, Evropo in Kitajsko, kdo bo vodilni na področju fotonskih tehnologij csis.org, glede na njen strateški pomen za komunikacije in računalništvo. To je privedlo do večjih javnih vlaganj (npr. PhotonHub EU in kitajske nacionalne fotonske pobude). Za splošnega tehnološkega navdušenca je bistvo, da veliko pametnih ljudi in resnih virov po vsem svetu vlaga v to, da bodo naši prihodnji čipi komunicirali s svetlobo.

Strokovni vpogledi in citati

Skozi vzpon silicijeve fotonike so strokovnjaki s tega področja podali poglede, ki pomagajo umestiti njen vpliv. Tukaj je nekaj pomembnih vpogledov:

• O prelomni spremembi v silicijevi fotoniki: »Silicijevo fotoniko sem pogosto opisal kot več kot le postopno izboljšavo — to je prelomna sprememba,« pravi René Jonker, direktor v podjetju Soitec, in poudarja, da za razliko od bakrenih povezav, ki dosegajo svoje meje, optične povezave omogočajo trajnostno obvladovanje naraščajočih potreb po podatkih. Čeprav ostajajo izzivi pri zniževanju stroškov in povečevanju proizvodnje, so prednosti – »večja pasovna širina, manjša zakasnitev in nižja poraba energije« – razlog, da je silicijeva fotonika »nepogrešljiv del naše prihodnje infrastrukture.« laserfocusworld.com
• O porabi energije in optiki v podatkovnih centrih: Komentar v reviji Laser Focus World iz leta 2025 je poudaril nujnost v podatkovnih centrih: do konca desetletja bi lahko podatkovni centri porabili 8 % električne energije v ZDA, če se bodo trendi nadaljevali, kar je »nevzdržno z obstoječimi električnimi povezavami.« Avtor je zaključil, da so »optične povezave, omogočene s silicijevo fotoniko, edina rešitev, ki jo je mogoče povečati.« laserfocusworld.com Z drugimi besedami, da bi se izognili energetski in pasovni krizi, prehod na optične povezave ni le možnost – je nuja.
• O izzivih integracije: Profesor John Bowers (UCSB), vodilni strokovnjak na področju fotonike, je komentiral največji izziv: »Glavni izziv je integracija III–V materialov v silicijev CMOS… Še vedno obstajajo težave z visokimi izkoristki, visoko zanesljivostjo, zniževanjem stroškov in priklopom vlaken. Pakiranje elektronike in fotonike skupaj je izziv… A napredek je zelo hiter.« nature.com To poudarja, da je integracija laserjev (III–V materiali) in doseganje popolnih izkoristkov zahtevna, vendar vodilna podjetja, kot je Intel, hitro napredujejo in rešitve so na obzorju.
• O emisiji svetlobe v siliciju: V istem intervjuju je Bowers slikovito pojasnil, zakaj laserji potrebujejo nekaj drugega kot silicij: »Silicij je izjemno slab oddajnik svetlobe. Njegova notranja kvantna učinkovitost je približno ena na milijon, medtem ko je učinkovitost neposrednega prepovednega pasu III–V praktično 100 %. Od začetka sem vedel, da potrebujemo polprevodnik z neposrednim prepovednim pasom…« nature.com. Ta iskrena ocena pojasnjuje, zakaj se je njegova ekipa zgodaj lotila hibridnih laserjev (spajanje InP na Si) – pristop, ki se je obrestoval z Intelovim hibridnim silicijevim laserjem leta 2007 in kasneje.
• O dosegu strežnika z optiko: Intelov višji direktor za fotoniko, Robert Blum, je ponazoril, kako se optika postopoma pomika v notranjost podatkovnih centrov: »Ko danes vstopite v podatkovni center, boste videli 100 Gb/s bakrene kable… kar je v redu za štiri metre. Toda vse, kar je zunaj regala, že uporablja optiko. Ko preidemo na 200 ali 400 Gb/s, postane doseg bakra veliko krajši in začnemo opažati ta trend, kjer optika sega vse do strežnika.« tanaka-preciousmetals.com Ta izjava živo prikazuje tekoči prehod – optika postopoma nadomešča baker od jedra omrežja proti robovom.
• O rasti trga in umetni inteligenci: »Vzpon umetne inteligence je spodbudil neprimerljivo povpraševanje po visokozmogljivih oddajnikih-sprejemnikih… Silicijeva fotonika in fotonska integrirana vezja so v ospredju te revolucije,« ugotavlja Sam Dale, tehnološki analitik pri IDTechX, in izpostavlja sposobnost silicijeve fotonike za doseganje »hitrosti 1,6 Tb/s in več.« optics.org Njegovo poročilo napoveduje, da bi lahko trg fotonskih integriranih vezij do leta 2035 skoraj desetkrat narasel (na 54 milijard dolarjev), predvsem zaradi potreb podatkovnih centrov za umetno inteligenco optics.org.
• O prihodnosti računalništva: Analitiki iz The Next Platform napovedujejo, da bo optični I/O kmalu vstopil v sisteme HPC. Opozarjajo, da bomo verjetno že v letih 2026–2027 videli glavne procesorje/grafične procesorje z optičnimi vmesniki, saj »v bližnji prihodnosti nimamo izbire.« Po njihovih slikovitih besedah, »Čas za baker je potekel.« nextplatform.com To povzema splošno razpoloženje v industriji: električne povezave ne bodo zadostovale za naslednjo dobo računalništva, zato mora fotonika prevzeti vodilno vlogo, da se izognemo omejitvam.

Ta spoznanja strokovnjakov poudarjajo tako obljube kot ovire silicijeve fotonike. Pojavlja se dosledna tema: silicijeva fotonika je prelomna – omogoča potreben preskok v zmogljivosti – vendar prinaša resne tehnološke izzive, ki jih hitro rešujejo. Strokovnjaki izpostavljajo mešanico optimizma (paradigmatski premik, nepogrešljiva prihodnost) in realnosti (težave z integracijo, skrbi glede stroškov in skaliranja). Njihova stališča pomagajo splošni javnosti razumeti, zakaj je toliko podjetij in raziskovalcev navdušenih nad silicijevo fotoniko, pa tudi zakaj je bilo potrebnih nekaj desetletij, da je ta tehnologija zaživela. Ko to slišimo iz ust tistih v prvih vrstah – naj bo to izkušen raziskovalec ali produktni vodja – dobimo kontekst, da gre za področje, kjer se fizika, inženirstvo in tržne sile prepletajo na fascinanten način.

Nedavne novice in mejniki

Področje silicijeve fotonike je zelo dinamično. Tukaj je nekaj nedavnih poudarkov iz novic in mejnikov (iz zadnjega leta ali dveh), ki ponazarjajo hiter napredek na tem področju:

• Celestial AI prevzame intelektualno lastnino podjetja Rockley Photonics (oktober 2024): Celestial AI, zagonsko podjetje, ki razvija optične povezave Photonic Fabric™ za umetno inteligenco, je objavilo, da je prevzelo portfelj patentov silicijeve fotonike podjetja Rockley Photonics za 20 milijonov dolarjev datacenterdynamics.com. Rockley je razvijal napredne silicijeve fotonske senzorje in se je preusmeril v nosljive naprave za zdravje, preden se je soočil s stečajem. Ta dogovor je Celestial AI prinesel več kot 200 patentov, vključno s tehnologijo za elektro-optične modulatorje in optično preklapljanje, uporabno v podatkovnih centrih datacenterdynamics.com. Gre za pomembno konsolidacijo, ki kaže, kako dragocena je postala fotonska intelektualna lastnina na področju umetne inteligence in podatkovnih centrov. Rockleyjeve inovacije (kot so širokopasovni laserji za zaznavanje) bodo morda dobile novo življenje, integrirane v Celestialove rešitve za optične povezave.
• Velike investicije v zagonska podjetja – Ayar Labs & Lightmatter (konec 2024): Dve ameriški zagonski podjetji sta prejeli velike investicijske injekcije. Ayar Labs je decembra 2024 zaključil 155 milijonov dolarjev v seriji D, pri čemer so sodelovali vodilni v polprevodniški industriji (Nvidia, Intel, AMD so prispevali skupaj z investicijskimi skladi tveganega kapitala) nextplatform.com. Ta krog je Ayarjevo vrednotenje dvignil nad 1 milijardo dolarjev, kar kaže na zaupanje v njihovo optično I/O tehnologijo v paketu, ki naj bi v prihodnosti nadomestila električne I/O v procesorjih. Le nekaj tednov prej je Lightmatter zbral 400 milijonov dolarjev v seriji D (oktober 2024), s čimer je podvojil skupno financiranje in dosegel vrednotenje 4,4 milijarde dolarjev nextplatform.com. Lightmatter razvija fotonske računalniške čipe in tehnologijo optičnih interposerjev za pospeševanje umetne inteligence. Takšne velike investicije so opazne – kažejo, da vlagatelji (in strateški partnerji) verjamejo, da lahko ta zagonska podjetja s fotonsko tehnologijo rešijo ključne probleme na področju umetne inteligence in računalništva. To pomeni tudi, da lahko pričakujemo prehod teh podjetij iz prototipov v izdelke; dejansko Lightmatter že uvaja testne sisteme, Ayarjevi optični čipi pa so predvideni za pilotsko uporabo v HPC sistemih.
• Intel odda oddajnike podjetju Jabil (konec 2023): V zanimivem preobratu se je Intel konec leta 2023 odločil, da prenese svoj visokovolumski posel s silicijevimi fotonskimi oddajniki na Jabil, proizvodnega partnerja optics.org. Intel je od leta 2016 dobavil več kot 8 milijonov čipov fotonskih oddajnikov optics.org – ti se uporabljajo za 100G/200G povezljivost v podatkovnih centrih. S tem, ko je proizvodnjo prepustil podjetju Jabil (pogodbeni proizvajalec), je Intel nakazal strateški premik: osredotočil se bo na integracijo fotonike s svojimi ključnimi platformami (kot sta so-zapakirana optika in fotonika na procesorju), medtem ko bo partner prevzel komoditizirani trg oddajnikov. Ta poteza odraža tudi zorenje industrije – kar je bilo pred nekaj leti vrhunska tehnologija (100G vtični moduli), je zdaj dovolj rutinsko, da se lahko odda zunanjim izvajalcem. Jabil pa po svoji strani krepi optično proizvodnjo, ki bi lahko potencialno služila tudi drugim strankam. Sodelovanje med Intelom in Jabilom so analitiki izpostavili kot ključen razvoj v industriji optics.org, saj ga vidijo kot del evolucije ekosistema.
• InnoLight predstavi 1,6 Tb/s modul (konec 2023): V tekmi za višje hitrosti je InnoLight, kitajsko podjetje za optične oddajnike, napovedalo, da je razvilo prototip 1,6 terabitov na sekundo optičnega oddajnika optics.org. To verjetno vključuje več valovnih dolžin (npr. 16×100G ali 8×200G kanalov) na silicijevo-fotonski platformi. Doseganje 1,6 Tb/s v enem modulu leto pred nekaterimi konkurenti kaže na vse večjo moč Kitajske v silicijevi fotoniki. InnoLightov modul bi lahko uporabili za povezave top-of-rack stikal ali za povezovanje AI sistemov. To je tudi namig, da 3,2 Tb/s moduli (ki bi na primer uporabljali 8 valovnih dolžin po 400G) niso daleč – pravzaprav je IDTechX napovedal 3,2 Tb/s module do leta 2026 optics.org. To je bil odmeven rekord, ki poudarja intenzivno globalno konkurenco; Coherent (ZDA) in drugi prav tako razvijajo 1,6T in 3,2T rešitve optics.org.
• Napredek PsiQuantumovega fotonskega kvantnega čipa (2024): Na kvantnem področju je PsiQuantum (ki je skrivnosten, a znan po sodelovanju z GlobalFoundries) objavil študijo, ki opisuje pot do na izgube odpornega fotonskega kvantnega računalnika, in napovedal čip z imenom »Omega« za svojo fotonsko kvantno arhitekturo thequantuminsider.com. Čeprav še ne gre za komercialni izdelek, to kaže, da se strojna oprema za fotonsko kvantno računalništvo razvija – s silicijevo fotoniko v jedru. PsiQuantumov pristop zahteva integracijo tisočev enofotonskih virov in detektorjev. Novost tukaj je potrditev izdelovalnosti: članek v reviji Nature iz leta 2022 je prikazal ključne komponente (vire, filtre, detektorje) na enem samem silicijevem fotonskem čipu, ki bi ga bilo mogoče nadgraditi nature.com. To nakazuje, da so na poti do mejnika okoli sredine 2020-ih do začetka 2030-ih za prototip optičnega kvantnega računalnika z milijonom kubitov (njihov dolgoročni cilj). Takšni dosežki, čeprav nišni, so pod budnim nadzorom, saj bi lahko na novo opredelili vrhunsko računalništvo.
• Zagonska podjetja s področja litijevega niobata v fotoniki financirana (2023): Kot omenjeno, sta dve zagonski podjetji, ki se osredotočata na integracijo LiNbO₃ s silicijevo fotoniko, HyperLight (ZDA) in Lightium (Švica), v letu 2023 skupaj zbrali 44 milijonov dolarjev optics.org. Novica o financiranju je bila pomembna, ker poudarja trend: dodajanje novih materialov silicijevi fotoniki za preseganje zmogljivostnih omejitev. Ta podjetja izpostavljajo modulatorje, ki lahko delujejo z večjo linearnostjo in v širokem spektru valovnih dolžin (od vidne do srednje IR) z zelo majhnimi izgubami optics.org. Neposredna uporaba bi lahko bili ultrahitri modulatorji za komunikacije ali specializirane naprave za kvantno in RF fotoniko. Širše gledano pa je pomembno, da investicijska skupnost podpira tudi inovacije na področju materialov v fotoniki, ne le bolj očitnih zagonskih podjetij s področja oddajnikov in sprejemnikov. To je znak, da lahko tudi napredki v materialih (kot je TFLN na izolatorju) hitro preidejo v zagonska podjetja in izdelke na tem področju.
• Posodobitve standardov in konzorcijev (2024–25): Na področju standardizacije so se zgodili premiki. Continuous-Wave WDM MSA (konzorcij, ki določa standardne module svetlobnih virov za so-pakirano optiko) je predstavil začetne specifikacije za skupne laserske vire, ki lahko napajajo več fotonskih čipov. To je pomembno za zagotavljanje večdobaviteljske združljivosti za so-pakirano optiko. Prav tako je konzorcij UCIe (za povezovanje čipletov) ustanovil optično delovno skupino, ki preučuje, kako bi lahko standardizirali optične povezave med čipleti. Medtem organizacije, kot sta COBO (Consortium for On-Board Optics) in CPO Alliance, organizirajo vrhove (npr. na OFC 2024), kjer razpravljajo o najboljših praksah za so-pakirano optiko ansys.com. Vse to kaže, da se industrija zaveda potrebe po usklajevanju vmesnikov in izogibanju razdrobljenosti, ki bi lahko upočasnila sprejetje. Nedavne novice iz IEEE prav tako kažejo na napredek pri standardih za 1.6T Ethernet in sorodnih optičnih vmesnikih, ki predvidevajo uporabo silicijevih fotonskih tehnologij.
• Predstavitve izdelkov: Na strani izdelkov že vidimo dejansko strojno opremo na trgu:
  • 800G vtični moduli: Več dobaviteljev (Intel, Marvell/Inphi itd.) je leta 2024 začelo s pošiljanjem vzorcev 800G QSFP-DD in OSFP modulov, ki uporabljajo silicijevo fotoniko. Ti bodo verjetno uporabljeni v stikalih in omrežjih leta 2025.
  • CPO razvojni kompleti: Podjetja, kot sta Ranovus in IBM, so predstavila razvojne komplete za so-pakirano optiko development kits – predhodnike komercialnih CPO izdelkov. Na primer, IBM-jev raziskovalni prototip so-pakiranega stikala je bil prikazan v delovanju, Ranovus pa ima CPO modul z 8×100G valovnimi dolžinami.
  • Izdelki za silicijevo-fotonski lidar: Podjetji Innovusion (Kitajska) in Voyant Photonics (ZDA) sta napovedali napredek pri svojem silicijevo-fotonskem lidarju. Innovusionov najnovejši lidar za vozila uporablja nekatere silicijevo-fotonske komponente za doseganje FMCW po konkurenčni ceni. Voyant, startup, ki izhaja iz raziskav na Univerzi Columbia, dejansko prodaja majhen trdni lidar modul na osnovi silicijeve fotonike za uporabo v dronih in robotih.
  • Optični I/O čipleti: Do sredine 2025 Ayar Labs načrtuje, da bo imel svoj TeraPHY optical I/O chiplet in SuperNova laser source v zgodnjem testiranju pri strankah, kar bo omogočilo 8 Tbps optično povezavo za HPC sisteme. Če bo šlo vse po načrtih, bi to lahko bila ena prvih implementacij optičnega I/O v računalniškem sistemu (verjetno v vladnem laboratoriju ali pilotskem superračunalniku do 2025–26).

Val nedavnih novic prikazuje področje, ki hitro napreduje na več frontah: od prebojev v hitrosti (1.6T optika) do velikih strateških potez (Intelovo zunanje izvajanje, velike investicije) in prvih implementacij (optični pogoni za AI). To je razburljiv čas, saj ti dogodki kažejo, da silicijeva fotonika prehaja iz obetavne tehnologije v komercialno realnost z vse večjim vplivom na izdelke in industrije.

Za splošno občinstvo je ključna ugotovitev iz vseh teh novic, da silicijeva fotonika ni oddaljena obljuba – dogaja se zdaj. Podjetja vanjo vlagajo denar in vire, dejanski izdelki so že na trgu, vsako četrtletje pa prinaša nove mejnike, ki podirajo prejšnje rekorde. Gre za hitro razvijajoče se področje in tudi tehnološko podkovani bralci so morda presenečeni, kako hitro so se pojavile stvari, kot so »optični čipleti« ali »1,6-terabitni moduli«. Novice tudi poudarjajo, da gre za globalno tekmo – z veliko dejavnostjo v ZDA, Evropi in Aziji – in da zajema vse od deep tech zagonskih podjetij do največjih proizvajalcev čipov in ponudnikov omrežij.

Prihodnji pogled in napovedi

Če pogledamo naprej, se zdi prihodnost silicijeve fotonike izjemno obetavna, saj ima potencial, da preoblikuje računalništvo in komunikacije v naslednjem desetletju. Tukaj je nekaj napovedi in pričakovanj za prihodnost:

• Široka uporaba v računalništvu: Do konca 2020-ih lahko pričakujemo, da bo silicijeva fotonika postala standardna značilnost v vrhunskih računalniških sistemih. Kot je bilo omenjeno, naj bi se do leta 2026–2027 pojavili prvi CPU-ji, GPU-ji ali AI pospeševalniki z integriranim optičnim I/O nextplatform.com. Sprva bodo ti morda prisotni na specializiranih trgih (superračunalniki, sistemi za visokofrekvenčno trgovanje, napredni AI grozdi), a bodo tlakovali pot širši uporabi. Ko bo tehnologija dokazana in se bodo količine povečale, bi lahko optični I/O v 2030-ih prešel tudi v bolj splošne strežnike in naprave. Predstavljajte si strežniške omare, kjer ima vsak CPU optična vlakna neposredno na paketu, ki se povezujejo z optičnim stikalom na vrhu omare; to bi lahko postalo običajno. Ozek grlo pomnilnika bi lahko reševale tudi optične povezave – na primer z optičnim povezovanjem pomnilniških modulov s procesorji za večjo pasovno širino na razdalji (nekateri raziskovalci govorijo o »optični razpršitvi pomnilnika« za velike skupne pomnilniške sklade). Skratka, podatkovni center prihodnosti (in s tem tudi oblačne storitve prihodnosti) bo verjetno zgrajen na osnovi optičnih povezav na vseh ravneh, omogočenih s silicijevo fotoniko.
• Terabitno omrežje za vse: Zmogljivost omrežnih povezav bo še naprej skokovito naraščala. Govorimo o 1,6 Tb/s, 3,2 Tb/s, celo 6,4 Tb/s optičnih oddajnikih-sprejemnikih v enem samem modulu do začetka 2030-ih. Te hitrosti so osupljive – povezava 3,2 Tb/s bi lahko prenesla 4K film v delčku milisekunde. Čeprav bodo te hitrosti uporabljene v hrbtenicah podatkovnih centrov in telekomunikacijskih omrežjih, posredno koristijo tudi potrošnikom (hitrejši internet, bolj robustne storitve v oblaku). Do leta 2035 analitiki napovedujejo, da bo trg fotonskih integriranih vezij dosegel več kot 50 milijard dolarjev, predvsem zaradi teh oddajnikov-sprejemnikov za umetno inteligenco in podatkovne centre optics.org. Morda bomo videli, da bosta 800G in 1,6T postala nova 100G, kar pomeni, da bosta postali osnovni povezavi v omrežjih. In ko se bo obseg povečal, se bo cena na bit znižala, kar bo omogočilo cenejšo in bolj razširjeno hitro povezljivost. Povsem mogoče je, da bodo celo potrošniške naprave (na primer VR očala, ki potrebujejo zelo širokopasovno povezavo s PC-jem ali konzolo) uporabljale optični USB ali optični Thunderbolt kabel za prenos več deset ali stotin gigabitov brez zakasnitve ali izgub.
• Revolucioniranje telekomunikacij: V telekomunikacijah bo silicijeva fotonika pomagala uresničiti popolnoma optična omrežja z veliko večjo učinkovitostjo. Koherentna optična komunikacija z integrirano fotoniko bo verjetno dosegla več kot 1 Tb/s na valovno dolžino (z naprednimi konstelacijami in morda integriranimi DSP-ji oddajnikov-sprejemnikov). To bi lahko naredilo večterabitne optične kanale ekonomsko upravičene, saj bi zmanjšalo število potrebnih laserjev/vlaken. Silicijeva fotonika bo prav tako naredila reprogramabilne optične multiplekserje z dodajanjem in odvzemanjem (ROADM) in drugo omrežno opremo bolj kompaktno in energetsko učinkovito, kar bo olajšalo uvajanje omrežij z večjo zmogljivostjo 5G/6G in boljšo infrastrukturo optike do doma. Posebno področje, ki ga velja spremljati, so integrirani laserji za kabelsko TV / optični dostop: poceni nastavljivi laserji na siliciju bi lahko omogočili, da ima vsako gospodinjstvo na primer 100G simetrično optično povezavo. Z integracijo optičnih funkcij lahko telekom operaterji poenostavijo centralne pisarne in glavne postaje. Končni učinek bodo še hitrejše in zanesljivejše internetne storitve po potencialno nižjih stroških, v ozadju pa jih bodo poganjali silicijevi fotonski čipi.
• AI računalništvo in optični pogoni: Na področju umetne inteligence, če podjetjema Lightmatter in Lightelligence uspe, bomo morda priča prvim optičnim koprocesorjem v podatkovnih centrih. Ti bi pospešili matrične množenja ali grafične analize z uporabo svetlobe in bi lahko ponudili velik preskok v zmogljivosti na vat. Povsem mogoče je, da bodo v petih letih nekateri podatkovni centri imeli regale optičnih AI pospeševalnikov poleg GPU-jev, ki bodo izjemno hitro opravljali specializirane naloge (na primer ultra-hitro sklepanje za storitve v realnem času). Tudi če bodo popolnoma optični računalniki še vedno nekoliko omejeni, bi lahko hibridni elektro-optični pristop (elektronika za logično krmiljenje, fotonika za prenos velikih količin podatkov in operacije množenja-akumulacije) postal ključna strategija za ohranjanje rasti zmogljivosti AI. Z zmanjšanjem toplote in porabe energije lahko fotonika pomaga ohraniti izvedljivost učenja AI, ko se modeli povečujejo na trilijone parametrov. Skratka, silicijeva fotonika bi lahko bila skrivna sestavina, ki omogoča naslednjih 1000× povečanje velikosti modelov AI/učnih podatkov brez preobremenitve električnega omrežja.
• Vpliv na potrošniško tehnologijo: Čeprav se večina silicijeve fotonike trenutno uporablja v velikih sistemih (podatkovni centri, omrežja), bo sčasoma pronicala tudi v potrošniške naprave. Ena očitna možnost so AR/VR naglavni seti (kjer je treba ogromne količine podatkov prenašati na majhne zaslone in kamere – optične povezave bi lahko pomagale). Druga možnost so potrošniški LiDAR ali globinski senzorji – prihodnji pametni telefoni ali nosljive naprave bi lahko imeli majhne silicijeve fotonske senzorje za spremljanje zdravja (kot je ciljal Rockley Photonics) ali za 3D skeniranje okolja. Intelov Mobileye je že napovedal, da bo njegov silicijev fotonski LiDAR v avtomobilih, tako da bi lahko do poznih 2020-ih vaš nov avto imel integriran fotonski čip, ki tiho usmerja njegove senzorje za avtonomno vožnjo tanaka-preciousmetals.com. Sčasoma, ko bodo stroški padli, bi se lahko več takšnih senzorjev pojavilo v vsakdanjih napravah (predstavljajte si pametne ure, ki uporabljajo silicijev fotonski senzor za neinvazivno spremljanje glukoze ali krvnih analiz preko optične spektroskopije na vašem zapestju – podjetja dejansko delajo na tem konceptu). Tudi v vrhunskem avdio/video segmentu bi optični čipi lahko izboljšali kamere (LiDAR za ostrenje ali 3D mapiranje v fotografiji) ali omogočili holografske zaslone z modulacijo svetlobe na mikroskopski ravni (malce špekulativno, a ne nemogoče, saj se prostorski svetlobni modulatorji na siliciju izboljšujejo). Tako bi lahko čez desetletje potrošniki nevede uporabljali silicijevo fotoniko v svojih napravah, tako kot danes povsod uporabljamo MEMS senzorje, ne da bi o tem razmišljali.
• Fotonika v kvantnem svetu: Če pogledamo še dlje v prihodnost, bi se lahko kvantne fotonske tehnologije razvile do zrelosti. Če bo PsiQuantum ali kdo drug uspešen, bi lahko imeli fotonski kvantni računalnik, ki bi za določene naloge presegel klasične superračunalnike – morda z milijoni prepletenih fotonov, obdelanih na čipu. To bi bil ogromen dosežek, verjetno tako preobrazben kot prvi elektronski računalniki. Čeprav je to morda šele po letu 2030, bi lahko vmesni napredek prinesel kvantne simulatorje ali omrežene kvantne komunikacijske sisteme s pomočjo silicijeve fotonike. Na primer, varne kvantne komunikacijske povezave (QKD omrežja) bi lahko uvedli v mestna omrežja z uporabo standardiziranih silicijevih fotonskih QKD oddajnikov v podatkovnih centrih. Obstaja tudi potencial za kvantne senzorje na čipu (kot so optični žiroskopi s kvantno občutljivostjo), ki bi jih lahko uporabili v navigaciji ali znanosti.
• Nadaljnje raziskave in novi obzorji: Področje silicijeve fotonike se bo še naprej razvijalo. Raziskovalci že raziskujejo 3D integracijo – zlaganje fotonskih čipov z elektronskimi za še tesnejšo povezavo (nekateri preučujejo mikrospajke ali tehnike lepljenja, da bi na primer postavili fotonski interposer pod CPU). Govori se tudi o optičnem omrežju na čipu (ONoC), kjer bi procesorji namesto ali poleg električnih omrežij na čipu za komunikacijo med jedri uporabljali svetlobo. Če bodo nekoč večjedrni procesorji uporabljali notranja optična omrežja, bi to lahko odpravilo ozka grla v pasovni širini znotraj čipa (to je nekoliko bolj oddaljeno, a konceptualno dokazano v laboratorijih). Nano-fotonika bi lahko prav tako prišla v poštev: plazmonske ali nanoskopske optične komponente, ki delujejo pri zelo visokih hitrostih ali izjemno majhnih dimenzijah, potencialno integrirane s silicijevo fotoniko za določene naloge (kot so ultra-kompaktni modulatorji). In kdo ve, morda bo nekega dne nekomu uspelo doseči sveti gral silicijevega laserja s kakšnim pametnim materialnim trikom – kar bi resnično poenostavilo fotonsko integracijo.
• Pregled trga in industrije: Gospodarsko gledano bomo verjetno videli razcvet trga silicijeve fotonike. Po podatkih IDTechX naj bi do leta 2035 tržna vrednost dosegla približno 54 milijard dolarjev optics.org. Pomembno je, da bo večinski delež predstavljala podatkovna komunikacija, vendar naj bi približno 11 milijard dolarjev izhajalo iz ne-podatkovnih aplikacij (telekomunikacije, lidar, senzorji, kvantna tehnologija itd.) optics.org. To pomeni, da bodo koristi te tehnologije razpršene po številnih sektorjih. Prav tako lahko pričakujemo večje pretrese v industriji ali partnerstva: na primer, ali bi lahko tehnološki velikan prevzel enega od fotonskih “samorogov” (predstavljajte si, da Nvidia kupi Ayar Labs ali Lightmatter, da si zagotovi prednost v optičnem računalništvu)? To je mogoče, saj so vložki vse večji. Poleg tega bi se lahko mednarodna konkurenca zaostrila – morda bomo priča pomembnim vlaganjem vlad za zagotovitev vodilne vloge (podobno kot je polprevodniška industrija strateškega pomena). Silicijeva fotonika bi lahko postala ključni del nacionalnih tehnoloških strategij, kar bi še dodatno spodbudilo financiranje raziskav in razvoja ter infrastrukture.

V širšem smislu, če stopimo korak nazaj, je prihodnost s silicijevo fotoniko takšna, kjer se meje med računalništvom in komunikacijo zabrišejo. Razdalja postane manj omejujoča – podatki bodo morda potovali znotraj čipa ali med mesti z enako lahkoto po optičnih vlaknih. To bi lahko omogočilo arhitekture, kot je porazdeljeno računalništvo, kjer fizična lokacija virov ni pomembna, saj optične povezave omogočajo nizko zakasnitev in visoko pasovno širino. Lahko bi videli resnično razpršene podatkovne centre, kjer so računalništvo, shranjevanje in pomnilnik optično povezani kot LEGO kocke. Energetska učinkovitost, ki jo prinaša fotonika, bi lahko prispevala tudi k bolj zeleni IKT, kar je pomembno, saj se energijska poraba digitalne infrastrukture povečuje.

Če si izposodimo besede industrijskega veterana: “pot do množične uporabe silicijeve fotonike je tako vznemirljiva kot zahtevna.” laserfocusworld.com V prihodnjih letih bodo zagotovo ovire, vendar obstaja kolektivna odločnost v akademskih in industrijskih krogih, da jih premagajo. S sodelovanjem in inovacijami – z usklajevanjem materialov, polprevodniškega inženiringa in fotonike – so strokovnjaki prepričani, da bomo te izzive premagali in odklenili polni potencial silicijeve fotonike laserfocusworld.com. Prihodnja perspektiva je, da se bo ta tehnologija premaknila iz obrobja (povezovanje naših naprav ali nadgradnja specializiranih sistemov) v sam center računalništva in povezljivosti. Pravzaprav smo priča zori nove dobe – dobe, v kateri bo svetloba, ne le elektroni, prenašala življenjsko pomembne informacije skozi naprave in omrežja, ki so temelj sodobnega življenja. In to je resnično revolucionaren premik, ki se bo odvijal v naslednjem desetletju in kasneje.

Viri: Definicije in prednosti silicijeve fotonike ansys.comansys.com; uporaba v zaznavanju, LiDAR-ju, kvantni tehnologiji ansys.comansys.com; trendi v podatkovnih centrih in umetni inteligenci laserfocusworld.com, optics.org; izjave strokovnjakov in vpogledi laserfocusworld.com, tanaka-preciousmetals.com, nature.com; vodilni v industriji expertmarketresearch.com; nedavne novice in naložbe datacenterdynamics.com, nextplatform.com, nextplatform.com; prihodnje napovedi optics.org