Revolutionen inom silikonelektronik – ljushastighetsteknik som förändrar AI, datacenter och mer

Kisel-fotonik använder kiselfotoniska integrerade kretsar (PICs) för att manipulera ljus för databehandling och kommunikation, vilket möjliggör sammankopplingar på och mellan chip med hastigheter som 100 Gb/s och 400 Gb/s.
Ett kiselfotonikchip i storlek med en nagel kan rymma dussintals laserkanaler och, med tät våglängdsdivision multiplexering, bära terabit av data.
Datacenter-sammankopplingar gynnas av optiska länkar som förbrukar mindre energi och ger högre densitet, med prototyper som 51,2 Tb/s switchchip med integrerad optisk I/O demonstrerade.
År 2024 demonstrerade Ayar Labs ett optiskt chiplet som levererar 8 Tbps bandbredd med 16 våglängder, och en Serie D i slutet av 2024 tog in 155 miljoner dollar med deltagande från Nvidia, AMD och Intel, vilket höjde dess värdering till över 1 miljard dollar.
Intel lade ut tillverkningen av sina kiselfotoniktransceivrar på Jabil i slutet av 2023 efter att ha levererat över 8 miljoner fotoniska transceiverchip sedan 2016.
InnoLight demonstrerade en 1,6 Tbps optisk transceiverprototyp i slutet av 2023, med 3,2 Tbps-moduler förväntade till 2026 när multi-terabit-länkar närmar sig.
Det amerikanska AIM Photonics-institutet fick ett sjuårigt program på 321 miljoner dollar till 2028 för att främja integrerad fotoniktillverkning i USA, vilket möjliggör en kiselfotonikfabrik och förpackningslinje i New York.
År 2023 demonstrerade Broadcom 25,6 Tbps och 51,2 Tbps co-packaged optics-switchprototyper med integrerade laserfotonikmotorer.
Lightmatter tog in 400 miljoner dollar i en Serie D 2024 för att finansiera sin optiska AI-acceleratorplattform, och PsiQuantum presenterade offentligt en väg mot en förlusttolerant fotonisk kvantdator med sitt Omega-chip 2024.
Analytiker förutspår att marknaden för kiselfotonik kommer att nå cirka 54 miljarder dollar till 2035, med ungefär 11 miljarder från icke-datatillämpningar, huvudsakligen drivet av AI-datacenterbehov.

Vad är kiselfotonik och hur fungerar det?

Kiselfotonik är en teknik som använder kiselbaserade fotoniskt integrerade kretsar (PICs) för att manipulera ljus (fotoner) för bearbetning och kommunikation. Enkelt uttryckt innebär det att bygga optiska enheter (som lasrar, modulatorer och detektorer) på kiselflarn liknande hur elektroniska kretsar tillverkas. Dessa kiselfotonikchip kan skicka och ta emot data med hjälp av ljus, vilket möjliggör ultrasnabb dataöverföring med hög bandbredd och låg energiförlust ansys.com. Nyckelkomponenter inkluderar vågledare (pyttesmå optiska ”kablar” som leder ljus på chipet), modulatorer (som kodar data på ljusstrålar), lasrar (vanligtvis tillförda via andra material eftersom kisel i sig inte kan avge ljus) och fotodetektorer (för att omvandla inkommande ljus tillbaka till elektriska signaler) ansys.com. Genom att integrera dessa på en kiselplattform kan ingenjörer dra nytta av väletablerad halvledartillverkning (CMOS) för att massproducera fotoniska enheter, och kombinera ljusets hastighet med skalan hos modern chiptillverkning ansys.com.

Hur fungerar det? Istället för elektriska pulser i kopparledningar använder kisel-fotonik-kretsar infrarött laserljus som leds genom vågledare i mikronskala. Kisel är transparent för infraröda våglängder, vilket gör att ljuset kan fortplanta sig med minimala förluster när det omsluts av material som kiseloxid, vilka har ett lägre brytningsindex ansys.com ansys.com. Data kodas på dessa ljusvågor via modulatorer som snabbt kan ändra ljusets intensitet eller fas. I andra änden omvandlar fotodetektorer på chipet de optiska signalerna tillbaka till elektrisk form. Eftersom ljus oscillerar vid frekvenser som är mycket högre än elektriska signaler, kan optiska förbindelser bära massivt mycket mer data per sekund än elektriska ledningar. En enda liten fiber eller vågledare kan överföra tiotals eller hundratals gigabit per sekund, och genom att använda flera ljusvåglängder (tät våglängdsmultiplexering) kan en enda fiber bära terabit data. I praktiken möjliggör kisel-fotonik kommunikation på chip eller mellan chip med hastigheter som 100 Gb/s, 400 Gb/s eller mer, vilket annars skulle kräva många kopparbanor eller helt enkelt vara ogenomförbart över längre avstånd ansys.com optics.org.

Kisel-fotoniska enheter är kompakta, snabba och energieffektiva. Ljus kan färdas genom vågledare med mycket låg resistans (ingen elektrisk kapacitans eller uppvärmningsproblem som uppstår med koppar vid höga hastigheter), vilket innebär potentiellt lägre strömförbrukning för datarörelser. En analys noterar att optiska förbindelser drastiskt kan minska flaskhalsar för data och reducera värme i högpresterande system – “optiska förbindelser, möjliggjorda av kisel-fotonik, är den enda skalbara vägen framåt” för att hantera den exploderande bandbreddsbehovet laserfocusworld.com. Kort sagt, kisel-fotonik förenar den billiga, massproducerbara kiselchipplattformen med ljusets fysik och skapar “kretsar för fotoner” på ett chip ansys.com. Denna teknik gör det möjligt för oss att bokstavligen flytta data med ljusets hastighet i sammanhang där traditionell elektronik når sina gränser.

Nyckeltillämpningar för kisel-fotonik

Kisel-fotonik började inom fiberoptisk kommunikation, men idag är det en mångsidig plattform som används inom många banbrytande områden. På grund av dess höga hastighet och energieffektivitet är alla områden som behöver flytta runt enorma datamängder (eller exakt kontrollera ljus) kandidater. Här är några av de viktigaste tillämpningarna:

Datacenter och högpresterande molnnätverk

En av de viktigaste tillämpningarna är inne i datacenter och superdatorer, där kisel-fotonik möter det akuta behovet av snabbare och mer effektiva sammankopplingar. Moderna moln- och hyperskala-datacenter hanterar enorma datamängder mellan servrar, rack och över campusnätverk. Kopparkablar och traditionella elektriska switchar blir alltmer en flaskhals – de förbrukar för mycket energi och kan inte skalas bortom vissa avstånd eller hastigheter (till exempel fungerar 100 Gb/s kopparlänkar bara över några meter). Kisel-fotoniska sammankopplingar löser detta genom att använda optiska fibrer och inbyggda optiska motorer för att koppla samman servrar och switchar i mycket höga hastigheter med minimala förluster. Optiska transceivers baserade på kisel-fotonik ersätter eller kompletterar redan elektriska anslutningar för rack-till-rack och till och med inom-rack-kommunikation tanaka-preciousmetals.com.

Cisco och Intel har varit pionjärer här: Cisco designar nu höghastighets pluggabla optiska transceivrar med hjälp av kisel-fotonik för att koppla samman nätverksutrustning expertmarketresearch.com. Intel har på liknande sätt utnyttjat kisel-fotonik för att förbättra datacenteranslutningar, och har levererat miljontals 100G optiska transceiver-chip och nu ökar produktionen av 200G, 400G och testar 800G optiska moduler tanaka-preciousmetals.com. Motivationen är tydlig – när datahastigheterna fördubblas från 100G till 200G till 400G, minskar kopparens räckvidd dramatiskt. “När du går in i ett datacenter idag ser du 100 Gb/s kopparkablar som kopplar servrar till top-of-rack-switchar… De kablarna fungerar bra för ungefär fyra meter. Men allt bortom racket använder redan optik,” säger Robert Blum, Intels senior director för fotonik, och tillägger att “när vi ökar datahastigheterna till 200 eller 400 Gb/s blir kopparens räckvidd mycket kortare och vi börjar se denna trend där optik går hela vägen till servern.” tanaka-preciousmetals.com I högpresterande datorkluster (HPC) och AI-superdatorer, där tusentals processorer behöver länkar med låg latens, ger optiska sammankopplingar bandbredden som krävs för att hålla alla dessa chip matade med data ansys.com, laserfocusworld.com. Genom att föra in fotonik på switchen och till och med in i processorpaketen (så kallad co-packaged optik), kommer framtida datacenternätverk att uppnå mycket högre genomströmning. Faktum är att 51,2 Tb/s switchchip med integrerad optisk I/O är på väg, och prototyper har redan demonstrerats tanaka-preciousmetals.com.

Fördelarna för datacenter är betydande: lägre strömförbrukning (optiska länkar slösar mycket mindre energi som värme än att driva elektroner genom koppar vid tiotals GHz), högre densitet (många optiska kanaler kan multiplexas utan oro för elektromagnetiska störningar), och längre räckvidd (optiska signaler kan färdas kilometer om det behövs). Detta innebär att kisel-fotonik hjälper datacenter att skala upp prestanda utan att begränsas av sammankopplingsgränser. En marknadsanalytiker noterade att AI-centrerade datacenter driver en aldrig tidigare skådad efterfrågan på högpresterande optiska transceivrar, och hävdade att ”kisel-fotonik och PIC:ar är i framkant av denna revolution, med deras förmåga att överföra data i hastigheter på 1,6 Tbps och mer.” optics.org I praktiken kan ett enda fotoniskt chip i storlek av en nagel innehålla dussintals laserkanaler, som tillsammans bär terabit av data – avgörande för nästa generations molninfrastruktur.

AI och maskininlärningsacceleration

Explosionen av AI och maskininlärning arbetsbelastningar är ett specialfall av datacenterapplikationen – det förtjänar ett eget omnämnande eftersom AI driver vissa unika krav och har lett till nya användningsområden för kisel-fotonik. Träning av avancerade AI-modeller (som stora språkmodeller som driver chattbottar) innebär massiva parallella beräkningar fördelade över många GPU:er eller specialiserade AI-acceleratorer. Dessa chip behöver utbyta enorma mängder data för uppgifter som modellträning, vilket ofta mättar konventionella elektriska länkar. Kisel-fotonik erbjuder en dubbel fördel för AI: högbandbredds-sammankopplingar och till och med potentialen för optisk beräkning.

På interconnect-sidan utvecklas optiska länkar för att direkt koppla samman AI-acceleratorkretsar eller minne med hjälp av ljus (ibland kallat optisk I/O). Genom att ersätta den traditionella server-backplanen eller GPU-till-GPU-kommunikation med optisk fiber kan AI-system avsevärt minska kommunikationslatens och strömförbrukning. Till exempel skapar startups som Ayar Labs optiska I/O-chiplets som placeras bredvid processorer för att skicka data in och ut med hjälp av ljus, vilket eliminerar de täta buntarna av kopparledare som annars skulle behövas. År 2024 demonstrerade Ayar Labs ett optiskt chiplet som levererar 8 Tbps bandbredd med hjälp av 16 ljusvåglängder – ett tecken på hur nästa generations AI-interconnects kan komma att se ut businesswire.com. Stora chipstillverkare är uppmärksamma: Nvidia, AMD och Intel investerade alla i Ayar Labs som en del av en finansieringsrunda på 155 miljoner dollar, i tron att optiska interconnects kommer att vara nyckeln till att skala framtidens AI-hårdvara nextplatform.com. Som en journalist skämtsamt uttryckte det: om du inte kan få tillräcklig hastighet bara genom att göra chipen snabbare, “är det näst bästa du kan satsa på troligen någon form av optisk I/O.” nextplatform.com

Utöver att flytta data mellan AI-chip, möjliggör kisel-fotonik också optisk beräkning för AI. Det innebär att vissa beräkningar (som matris-multiplikationer i neurala nätverk) utförs med ljus istället för elektricitet, vilket potentiellt kan kringgå några av de hastighets- och energibegränsningar som dagens elektroniska AI-acceleratorer har. Företag som Lightmatter och Lightelligence har byggt prototyp-fotonikprocessorer som använder interferens av ljus i kiselvågledare för att beräkna resultat parallellt. I slutet av 2024 tog Lightmatter in hela 400 miljoner dollar i en Series D-runda (vilket gav en värdering på 4,4 miljarder dollar) för att utveckla sin optiska beräkningsteknologi nextplatform.com. Även om de fortfarande är under utveckling, lovar dessa fotoniska AI-acceleratorer ultrasnabb, låg-latens exekvering av neurala nätverk med mycket lägre strömförbrukning, eftersom fotoner genererar minimal värme jämfört med miljarder transistorswitchningar.

Övergripande, i takt med att AI-modeller växer i storlek och komplexitet (och kräver kluster med tiotusentals chip), ses silikonteknik inom fotonik som ett ”paradigmskifte” som kan övervinna flaskhalsarna i kommunikationen inom AI-infrastruktur laserfocusworld.com. Det erbjuder ett sätt att skala bandbredden mellan processorer linjärt med efterfrågan, något som elektriska länkar har svårt med. Branschobservatörer förutspår att optiska teknologier (som samförpackad optik, optiska chip-till-chip-länkar och möjligen fotoniska datorelement) kommer att bli standard i AI-system under de kommande åren – inte bara ett nischat experiment. Faktum är att enligt en uppskattning kommer AI-datacenter att växa så snabbt (50 % årlig tillväxttakt i energiförbrukning) att de år 2030 kan vara ohållbara med befintlig elektrisk I/O, vilket gör silikonteknik inom fotonik till ”en oumbärlig del av vår framtida infrastruktur” för att hålla AI skalbar laserfocusworld.com.

Telekommunikation och nätverk

Silikonfotonik har sitt ursprung inom telekom och fortsätter att revolutionera hur vi överför data över långa avstånd. I fiberoptiska telekommunikationsnätverk – oavsett om det gäller Internet-ryggraden, undervattenskablar eller stads- och accessnät – används integrerad fotonik för att tillverka optiska transceivrar som är mindre, snabbare och billigare. Traditionella optiska kommunikationssystem förlitade sig ofta på diskreta komponenter (lasrar, modulatorer, detektorer monterade individuellt), men integrering av silikonteknik inom fotonik kan placera många av dessa komponenter på ett chip, vilket förbättrar tillförlitligheten och minskar monteringskostnaderna tanaka-preciousmetals.com.

Idag är optiska transceivermoduler som använder kisel-fotonik vanliga i datacenterinterconnects och används i allt större utsträckning i telekominfrastruktur för 100G, 400G och mer. Till exempel har företag som Infinera och Cisco (Acacia) utvecklat koherenta optiska transceivrar med kisel-fotonik för 400G- och 800G-länkar i telenät. Bredband & 5G/6G trådlösa nätverk drar också nytta – fiberlänkarna som kopplar samman mobilmaster eller transporterar fronthaul/backhaul-data kan göras mer effektiva med kisel-fotonik. Intel har lyft fram att kisel-fotonik kommer att spela en roll i ”nästa generations 5G-utrullningar med mindre formfaktorer och högre hastigheter, från 100G idag till 400G och mer i morgon” expertmarketresearch.com. Förmågan att integrera dussintals laser-våglängder på ett chip är användbar för täta våglängdsdivision-multiplexeringssystem (DWDM), som teleoperatörer använder för att pressa in fler kanaler på varje fiber. År 2023 demonstrerade ett kinesiskt företag, InnoLight, till och med en 1,6 Tb/s optisk transceiver (med flera våglängder och avancerad modulering) – ett tecken på att multi-terabit optiska länkar är nära förestående optics.org.

En annan nätverksapplikation är i kärnroutrar och switchutrustning. Avancerade routrar och optiska switchplattformar börjar använda kisel-fotoniska kretsar för funktioner som optisk switchning, signaldirigering och till och med våglängdsfiltrering på chipet. Till exempel har stora kisel-fotoniska switchmatriser prototyperats som använder kisel-MEMS eller termiska optiska effekter för att snabbt växla ljusvägar, vilket potentiellt möjliggör helt optisk kretskoppling. Dessa skulle så småningom kunna användas i datacenternätverk för att optiskt rekonfigurera anslutningar i realtid (Google har antytt att de använder optiska switchar i vissa av sina AI-kluster) nextplatform.com.

Övergripande, inom telekommunikation är målen högre kapacitet och lägre kostnad per bit. Kisel-fotonik bidrar genom att skala upp kapaciteten för fiberoptik (100G → 400G → 800G och 1,6T per våglängd) och genom att sänka tillverkningskostnaderna via CMOS-fabprocesser. Det säger en del att Intels kisel-fotonik-division, innan omstruktureringen, levererade över 8 miljoner fotoniska transceiver-chip från 2016 till 2023 för datacenter- och nätverksanvändning optics.org. Och samarbeten inom industrin ökar: till exempel meddelade Intel i slutet av 2023 att de skulle överföra sin transceivertillverkning till Jabil (en kontraktstillverkare) för att ytterligare skala upp produktionen optics.org. Samtidigt investerar optiska komponentjättar som Coherent (tidigare II-VI) och traditionella telekomleverantörer (Nokia, Ciena, etc.) alla i kisel-fotonik för nästa generations optiska moduler optics.org. Tekniken håller på att bli en hörnsten i både Internets fysiska infrastruktur och det snabbt utvecklande 5G/6G-kommunikations-ekosystemet.

Avkänning och LiDAR

Kisel-fotonik handlar inte bara om kommunikation – det möjliggör också nya typer av sensorer genom att utnyttja exakt ljuskontroll på chip. Ett spännande område är biokemisk och miljömässig avkänning. Kisel-fotoniska sensorer kan upptäcka mycket små förändringar i brytningsindex eller absorption när ett prov (som en bloddroppe eller en kemisk ånga) interagerar med en styrd ljusstråle. Till exempel kan ett kisel-fotonikchip ha en liten ringresonator eller interferometer som ändrar frekvens när vissa molekyler binder till den. Detta möjliggör labb-på-chip-liknande avkänning av biomarkörer – proteiner, DNA, gaser, etc. – med hög känslighet och potentiellt till låg kostnad. Sådana fotoniska biosensorer kan användas för medicinsk diagnostik, miljöövervakning eller till och med “artificiell näsa”-applikationer optics.org optics.org. Fördelarna med miniatyrisering och integration är avgörande: ett enda kisel-fotonik-sensorchip kan integrera ljuskällor, känseldelar och fotodetektorer, vilket ger en kompakt, robust sensor istället för skrymmande optisk laboratorieutrustning. Forskning inom kisel-nitrid-fotonik (en variant som fungerar bättre för synliga våglängder) öppnar upp ännu fler avkänningsapplikationer, eftersom SiN kan leda synligt ljus för att detektera saker som fluorescens eller Ramansignaler som rent kisel inte kan.

En annan snabbt växande applikation är LiDAR (Light Detection and Ranging) för autonoma fordon, drönare och robotik. LiDAR-system skickar ut laserpulser och mäter det reflekterade ljuset för att kartlägga avstånd – i princip “3D-laservision.” Traditionella LiDAR-enheter förlitar sig ofta på mekanisk skanning och separata lasrar/detektorer, vilket gör dem dyra och något otympliga. Kisel-fotonik erbjuder ett sätt att bygga LiDAR på ett chip: integrera strålstyrningselement, splitters, modulatorer och detektorer monolitiskt. En kisel-fotonisk LiDAR kan använda solid-state-strålstyrning (till exempel optiska fasarrayer) för att skanna omgivningen utan rörliga delar. Detta minskar storleken och kostnaden för LiDAR-enheter avsevärt. Faktum är att Intels Mobileye har indikerat att de använder kisel-fotoniska integrerade kretsar i sina nästa generations autonoma LiDAR-sensorer runt 2025 tanaka-preciousmetals.com. En sådan integration kan sänka LiDAR-kostnaderna och möjliggöra massutbredning i bilar. Kisel-fotonikbaserad LiDAR kan också uppnå snabbare skanning och högre upplösning genom att utnyttja flera våglängder eller koherenta detektionstekniker inbyggda på chipet. Som en extra fördel tenderar dessa integrerade lösningar att förbruka mindre energi – en viktig faktor för elfordon.

Enligt Ansys är “kisel-fotonikbaserade LiDAR-lösningar mer kompakta, använder mindre energi och är billigare att tillverka än system byggda av diskreta komponenter.” ansys.com Detta sammanfattar varför företag från startups till teknikjättar tävlar om att utveckla fotonisk LiDAR. Vi ser redan prototyper av FMCW LiDAR (frekvensmodulerad kontinuerlig våg-LiDAR), vilket kräver känsliga fotoniska kretsar som ställbara lasrar och interferometrar. Kisel-fotonik är en naturlig plattform för detta, och experter förutspår att integrerad fotonik kommer att vara nyckeln till att göra FMCW LiDAR möjlig i stor skala (för dess långa räckvidd och immunitet mot störningar) optics.org optics.org. Inom en snar framtid kan vi förvänta oss bilar och drönare utrustade med små, chipbaserade LiDAR-enheter med hög prestanda – ett direkt resultat av innovation inom kisel-fotonik.

Utöver LiDAR finns andra användningsområden för sensorer, såsom gyroskop och tröghetssensorer (med ringlaser-gyron på chip för navigation), och spektrometrar (integrerade optiska spektrometrar för kemisk analys). Den gemensamma nämnaren är att kisel-fotonik tillför optisk mätnoggrannhet i ett miniatyriserat, tillverkningsbart format. Detta öppnar nya möjligheter inom konsumentelektronik (tänk dig en optisk hälsosensor i en smartklocka), industriell övervakning och vetenskapliga instrument.

Kvantberäkning och fotoniska kvantteknologier

I jakten på kvantdatorer spelar fotoner (ljuspartiklar) en unik roll. Till skillnad från elektroner kan fotoner färdas långa sträckor utan att interagera med omgivningen (användbart för överföring av kvantinformation), och vissa kvantdatorupplägg använder fotoner som själva kubitarna. Kisel-fotonik har vuxit fram som en ledande plattform för forskning inom kvantdatorer och kvantnätverk.

Flera startups och forskargrupper arbetar med fotoniska kvantdatorer som använder kiselbaserade fotonikkretsar för att generera och manipulera kubitar kodade i ljus. Till exempel samarbetar PsiQuantum, en startup med stora investeringar, med en halvledarfabrik för att bygga en storskalig kvantdator med tusentals kisel-fotoniska kubitkanaler. Tanken är att integrera enheter som enfotonskällor, stråldelare, fasväxlare och fotondetektorer på ett chip för att utföra kvantlogik med fotoner. Fördelen med kisel-fotonik här är skalbarheten – eftersom den bygger på CMOS-tillverkning kan man (i princip) skapa mycket komplexa kvantfotonikkretsar med hundratals eller tusentals komponenter, vilket är mycket svårare med andra kvantmaskinvarulösningar. Faktum är att forskare nyligen har demonstrerat kisel-fotonikchip med tusentals komponenter som arbetar tillsammans för kvantljusmanipulation nature.com.

Kisel-fotonik möjliggör också kvantnätverk – säker kommunikation med kvantnyckeldistribution (QKD) och intrasslade fotoner – genom att erbjuda en plattform för kompakta, stabila optiska kvant-sändare och -mottagare. Dessutom kan vissa kvantsensorteknologier (som optiska kvantgyroskop eller enfotons-LiDAR) använda kisel-fotonikchip som kärna.

En stor utmaning inom fotonisk kvantdatorutveckling är att generera enfotoner på begäran och styra dem med låg förlust. Intressant nog gäller samma begränsningar (och lösningar) som för klassisk kisel-fotonik även inom kvant: kisel lasrar inte naturligt, så kvantfotonikchip använder ofta integrerade icke-linjära processer eller kvantprickskällor för att skapa enfotoner, eller så hybridintegrerar de specialmaterial. Fördelarna är dock liknande – hög precision och miniatyrisering. Som Ansys-rapporten noterar använder kvantdatorer fotoner för beräkningar, och att hantera dessa fotoner med integrerad fotonik ger fördelar i hastighet, noggrannhet och kostnad ansys.com. I praktiken kan kisel-fotonik ge den stabilitet och tillverkningsbarhet som behövs för att skala upp kvantsystem från labbexperiment till verkliga maskiner.

Bortsett från databehandling är kvantfotoniska sensorer (som interferometrar som utnyttjar kvanttillstånd för extra känslighet) och kvant-slumptalsgeneratorer andra områden där kisel-fotonik gör avtryck. Även om fotonisk kvantdatorutveckling fortfarande pågår och sannolikt ligger några år fram i tiden, understryker de stora investeringarna inom detta område dess potential. År 2022 framhöll en ledande forskare, professor John Bowers, att kisel-fotonik utvecklades snabbt med många nya tillämpningar, inklusive kvantteknik, på horisonten nature.com. Det är troligt att de första storskaliga kvantdatorerna faktiskt kan bli optiska och byggda på kisel-fotonikchip – en fascinerande cirkel där en teknik som ursprungligen utvecklades för telekom kan möjliggöra nästa språng inom databehandling.

Nuvarande trender och utvecklingar (2025)

Från och med 2025 vinner kisel-fotonik enorm fart. Ett antal trender har samverkat för att driva denna teknik från laboratorier och nischanvändning in i teknikindustrins mainstream:

Datapropp och samförpackad optik: Den omättliga efterfrågan på data (särskilt från AI och molntjänster) har gjort elektriska sammankopplingar till en allvarlig flaskhals. Vi är nu vid en punkt där varje gång du fördubblar en sammankopplings bandbredd, måste du halvera längden på kopparkabeln för att bibehålla signalintegriteten nextplatform.com – en ohållbar kompromiss. Denna brådska har satt fokus på metoder som co-packaged optics (CPO), där optiska motorer placeras precis intill switch-ASIC:er eller processorchip för att eliminera nästan all elektrisk överföringssträcka. Under 2023 demonstrerade flera företag samförpackad optik i switchar (t.ex. Broadcoms 25,6 Tb/s och 51,2 Tb/s switchprototyper med integrerade laserfotonikmotorer). Branschens färdplaner antyder att 51,2 Tb/s Ethernet-switchchip med samförpackad kisel-fotonik bör nå marknaden inom ett till två år tanaka-preciousmetals.com, och att vi omkring 2026–2027 troligen kommer att se de första CPU:erna/GPU:erna som använder optisk I/O direkt nextplatform.com. Med andra ord är den optiska eran för sammankopplingar på väg att bryta in i praktiska system. Företag som Intel, Nvidia och Cisco utvecklar alla aktivt CPO-lösningar. Faktum är att Intels Tomambe-projekt och andra redan har demonstrerat 1,6 Tb/s fotonikmotorer integrerade med switchchip tanaka-preciousmetals.com. Den allmänna uppfattningen: efter år av forskning går samförpackad optik nu från prototyp till produkt, med målet att minska energiförbrukningen per bit genom att föra ljuskällorna närmare datakällan (30 % energibesparing jämfört med pluggbar optik, enligt en uppskattning laserfocusworld.com).
Ökning av investeringar och startup-aktivitet: De senaste åren har det skett stora investeringar och finansieringar i företag inom silikofotonik. Detta speglar det förtroende som branschen har för teknikens framtid. Till exempel, i slutet av 2024 tog Ayar Labs in 155 miljoner dollar i en Series D-runda (vilket gav företaget “enhörningsstatus” med en värdering på över 1 miljard dollar) för att skala upp sina optiska I/O-lösningar; notabelt är att denna runda inkluderade strategiska investeringar från Nvidia, AMD och Intel själva nextplatform.com. På samma sätt säkrade fotonikdator-startupen Lightmatter 400 miljoner dollar i finansiering 2024 för att vidareutveckla sin optiska AI-acceleratorplattform nextplatform.com. Ett annat startup, Celestial AI, som fokuserar på optiska sammankopplingar för AI, tog inte bara in 175 miljoner dollar i början av 2024 utan gick även vidare med att förvärva silikofotonik-IP-portföljen från Rockley Photonics (ett tidigare fotonikföretag med fokus på sensorer) för 20 miljoner dollar i oktober 2024 datacenterdynamics.com. Detta förvärv gav Celestial AI över 200 patent inom silikofotonik och signalerar en viss konsolidering i branschen – mindre aktörer med värdefull fotonik-teknik (Rockley hade utvecklat avancerade modulatorer och integrerad optik för wearables) absorberas av företag som riktar sig mot datacenter- och AI-marknader. Vi såg också att HyperLight och Lightium, två startups som specialiserar sig på tunnfilm litiumniobat-fotonikchip, lockade till sig sammanlagt 44 miljoner dollar i investeringar 2023 optics.org, vilket belyser intresset för nya material för att förbättra silikofotonik (TFLN-modulatorer kan erbjuda högre hastigheter och låg förlust). Sammantaget är VC-finansiering och företagsstöd för silikofotonikföretag på en rekordnivå, vilket speglar en insikt om att optisk teknik är avgörande för framtidens halvledare.
Teknologimognad och ekosystemtillväxt: En annan trend är mognaden av ekosystemet för kisel-fotonik ecosystem. Fler foundries och leverantörer är nu med i spelet. Tidigare hade bara några få aktörer (som Intel eller Luxtera) end-to-end-kapacitet. Nu erbjuder stora halvledarfoundries som GlobalFoundries, TSMC och till och med STMicroelectronics processlinjer för kisel-fotonik eller standardiserade fotoniska PDK:er (Process Design Kits) för kunder ansys.com. Denna standardisering innebär att startups eller mindre företag kan designa fotoniska kretsar och få dem tillverkade utan att bygga en egen fabrik – analogt med hur fablösa elektronikchipföretag arbetar. Det finns regelbundna multi-projekt-wafer (MPW) shuttles för fotoniska chip, där flera designer delar på en wafer-körning, vilket drastiskt minskar prototyptillverkningskostnaden. Branschgrupper arbetar med standardiserade förpackningslösningar (optiska I/O-gränssnitt, fiberfästningsmetoder) så att fotoniska chip lättare kan integreras i produkter. Etableringen av American Institute for Manufacturing Integrated Photonics (AIM Photonics) har varit ett stort lyft: detta offentlig-privata konsortium satte upp en kisel-fotonik-foundry och förpackningslinje i New York och tilldelades nyligen ett $321 miljoner, 7-årigt program (till och med 2028) för att främja tillverkning av integrerad fotonik i USA. nsf.gov. På liknande sätt tillhandahåller forskningsinstitut i Europa som IMEC i Belgien och CEA-Leti i Frankrike plattformar för kisel-fotonik och har skapat ett kluster av fotonik-startups. I Kina ökar också intresset för kisel-fotonik, med företag som InnoLight och Huawei som investerar i inhemska fotonchip-kapaciteter optics.org optics.org. Alla dessa utvecklingar visar att kisel-fotonik inte längre är en experimentell teknik – det håller på att bli en standarddel av halvledarverktygslådan.
Högre hastigheter och nya material: Tekniskt sett ser vi snabba framsteg i att driva prestandan hos kiselbaserade fotoniska enheter. 800G optiska transceivrar är nu under utvärdering, 1,6 Tb/s-moduler har demonstrerats optics.org, och 3,2 Tb/s pluggmoduler förväntas till 2026 optics.org. För att uppnå dessa hastigheter använder ingenjörer allt från 16-kanals våglängdsmultiplexering till avancerade modulationsformat – i princip utnyttjar man det optiska området för att packa in fler bitar. På komponentnivå integreras nya material i kiselbaserad fotonik för att övervinna kiselns begränsningar. Ett tydligt exempel är tunnfilm av litiumniobat (TFLN) på kisel, vilket ger mycket snabba Pockels-effektmodulatorer med låg förlust. Detta kan möjliggöra modulatorer som hanterar 100+ GHz modulationsbandbredd, lämpliga för framtida 1,6T- och 3,2T-länkar eller till och med för kvantapplikationer optics.org. Startups som HyperLight kommersialiserar dessa hybrida LiNbO3/Si-chip. Andra material i FoU inkluderar bariumtitanat (BTO) elektro-optiska modulatorer och sällsynta jordartsdopade material för lasrar/förstärkare på chip optics.org. Det pågår också fortsatt arbete med att integrera III-V-halvledare (InP, GaAs) på kisel för bättre lasrar och optiska förstärkare – till exempel har kvantpricklasrar som växts direkt på kisel gjort stora framsteg och åtgärdat tillförlitlighetsproblem som plågade tidigare försök nature.com nature.com. Kort sagt breddas materialpaletten för kiselbaserad fotonik, vilket kommer att ge högre prestanda och ny funktionalitet. Vi ser till och med kiselbaserade mikrokammar (optiska frekvenskammkällor) användas för tillämpningar som ultrasnabb datatransmission och precis spektroskopi, något som hade låtit osannolikt för ett decennium sedan.
Framväxande applikationer & produkter: Vid sidan av kärnapplikationerna dyker några nya användningsområden upp under 2025. Ett är optisk databehandling för AI (diskuterat tidigare) som nu går från forskningsdemonstrationer till tidiga produkter – till exempel har Lightelligence lanserat en fotonisk hårdvara för att accelerera AI-inferens. Ett annat är chip-till-chip optiska länkar i avancerad paketering: när företag utforskar multichipmoduler och chiplets kan optiska länkar koppla samman dessa chiplets med hög hastighet över ett paket eller en interposer. Standarder som UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express) överväger till och med optiska PHY-tillägg. Vi ser också intresse från myndigheter: DARPA och andra myndigheter har program för att använda fotoniska sammankopplingar i försvarssystem (för avancerad bearbetning och RF-signaler). Och på konsumentsidan spekuleras det i att optisk I/O kan dyka upp i konsumentprodukter inom några år – till exempel ett AR/VR-headset som använder ett kisel-fotonikchip för högbandbreddiga sensorlänkar, eller en optisk Thunderbolt-kabel för AR-glasögon. Även om det inte är här än, finns dessa idéer på ritbordet.

Sammanfattningsvis, 2025 markerar en vändpunkt för kisel-fotonik: betydande kommersiella produkter lanseras (särskilt inom nätverk), enorma investeringar strömmar in och ekosystemet mognar. Det blir allt tydligare att optik kommer att spela en grundläggande roll för databehandling och uppkoppling framöver. Som en branschkommentator uttryckte det, förväntar sig många att optisk I/O under andra halvan av detta decennium går från pilotlinjer till storskalig produktion – “2025 års generation av beräkningsmotorer kanske inte har kisel-fotonik, men 2026 års generation kan ha det och 2027 års generation kommer nästan säkert att ha det”, eftersom vi i slutändan inte har något val – “kopparns tid är över.” nextplatform.com

Utmaningar och begränsningar

Trots all entusiasm står kisel-fotonik inför flera utmaningar och begränsningar som forskare och ingenjörer aktivt arbetar för att övervinna. Det är en omvälvande teknik, men ingen universallösning – åtminstone inte än. Här är de viktigaste hindren:

Integrering av ljuskällor: Kanske den mest ökända begränsningen är att kisel inte är bra på att generera ljus. Kisel har ett indirekt bandgap, vilket innebär att det inte kan fungera som en laser eller effektiv LED. Som fotonikpionjären John Bowers uttrycker det rakt på sak, “Kisel är otroligt dåligt som ljusemitterare.” nature.com Dess interna effektivitet är nära noll – ungefär en på en miljon elektroner i kisel kommer att producera en foton – medan III-V-halvledare som indiumfosfid eller galliumarsenid kan avge ljus med nästan 100 % effektivitet nature.com. Detta innebär att för att ha lasrar på ett kisel-fotonikchip måste man vanligtvis introducera andra material. Detta kan göras genom hybridintegration (sammanfogning av en bit InP-wafer med laserdioder på kiselskivan) eller nyare tekniker som att direkt odla nanostrukturerade III-V-lasrar på kisel. Framstegen inom detta område har varit lovande: företag och laboratorier (Intel, UCSB, etc.) har visat hybridintegrerade lasrar i stor skala, och nyligen även kvantpricklasrar odlade på 300 mm kiselskivor med god tillförlitlighet nature.com nature.com. Ändå tillför integrering av lasrar komplexitet och kostnad. Om lasern är utanför chipet (i en separat lasermodul kopplad via fiber), står du inför utmaningen att effektivt koppla in det ljuset i de små vågledarna på chipet. Kort sagt, att få in ljus på chipet är en icke-trivial uppgift. Industrin utforskar lösningar som heterogen integration (flera material på ett chip) och till och med nya metoder som elektriskt pumpade germanium-kisellasrar eller Raman-lasrar på kisel, men dessa är fortfarande under utveckling. Från och med 2025 använder de flesta kisel-fotoniksystem antingen hybridlasrar eller externa lasrar som kopplas in. Detta är ett nyckelområde för pågående forskning.

precis kontroll av dimensioner

Att koppla fibrer till chipet

förpackningstekniker

måste tillverkningsmetoden balansera behoven hos båda

“värmeutveckling i elektroniken kan påverka fotoniken.”

ansys.com

Kostnad och volym: På tal om kostnad – även om kisel-fotonik lovar låg kostnad genom att utnyttja högvolymsfabriker för kisel, är dagens verklighet att dessa enheter fortfarande är relativt nischade och dyra. Branschen levererar miljontals enheter (som transceivrar i datacenter), men för att verkligen sänka kostnaderna behöver man troligen leverera miljarder enheter årligen ansys.com. Med andra ord har det ännu inte nått samma skala som standardelektronik. Enheterna kräver ofta också specialiserad kapsling (som nämnts) och testning, vilket ökar kostnaden. En nuvarande kisel-fotoniktransceiver för datacenter kan kosta hundratals eller tusentals dollar, vilket är acceptabelt för den marknaden men för högt för konsumentmarknader. Ekonomin är något osäker i mycket stor skala – som en rapport påpekade oroar sig stora molnkunder för tillförlitligheten och kostnadsstrukturen om de skulle införa kisel-fotonik brett, eftersom tekniken ännu inte har nått den tillverkningsmässiga inlärningskurvan för vanlig kisel nextplatform.com. Dock förbättras kostnaderna stadigt, och insatser som foundry-standard PDK:er och automatisering hjälper till. Under de kommande åren, när volymen ökar (drivet av AI och datacenter), bör vi se kostnaderna sjunka, vilket i sin tur öppnar fler marknader (det är en positiv spiral när det väl tar fart). Ändå kan kostnaden per enhet 2025 vara en begränsande faktor för att införa kisel-fotonik i kostnadskänsliga tillämpningar.
Energiförbrukning och effektivitet: Även om kisel-fotonik kan minska energiförbrukningen för datatransfer vid mycket höga hastigheter, förbrukar enheterna själva fortfarande energi – t.ex. använder modulatorer ofta termisk trimning eller PN-övergångar som drar ström, och lasrar förbrukar förstås också energi. Det finns en overhead för att konvertera elektroniska signaler till optiska och tillbaka. För att det verkligen ska spara energi på systemnivå måste dessa overhead vara mindre än besparingarna från att slopa långa elektriska länkar. Dagens kisel-fotoniktransceivrar är ganska energieffektiva (på några få picojoule per bit för den optiska konverteringen), men det finns en strävan att komma ännu lägre, särskilt om optisk I/O används på chip eller i minnesbussar där effektiviteten måste vara mycket hög. Ett lovande tillvägagångssätt är att använda elektro-optiska material (som LiNbO3 eller BTO) som kan modulera ljus med mycket låg spänning (och därmed lägre energiförbrukning) istället för termisk trimning. Att integrera ljuskällor som är mer effektiva (som kvantpricklasrar) kan också minska laserförluster (nuvarande distribuerade feedbacklasrar slösar ofta mycket energi som värme). Så även om kisel-fotonik adresserar energiproblemet för sammankoppling på makronivå, optimerar ingenjörer fortfarande energiförbrukningen enhet för enhet på mikronivå. Den goda nyheten: även med dagens teknik kan samförpackad optik minska den totala energiförbrukningen för sammankoppling med ~30% jämfört med traditionella pluggbarheter laserfocusworld.com, och framtida förbättringar kommer troligen att öka dessa vinster.
Design och designverktyg: Detta är en mindre uppenbar utmaning men en viktig sådan: att designa fotoniska kretsar är en ny kompetens, och EDA (Electronic Design Automation)-verktygen för fotonik är inte lika mogna som de för elektronik. Att simulera optiska kretsar, särskilt stora med många komponenter, kan vara komplext. Variabilitet i tillverkningen måste beaktas i designen (du kan behöva termiska justerare för att korrigera små fel). Det finns ett behov av bättre designverktyg som kan samoptimera elektroniska och fotoniska kretsdelar, ofta kallat EPDA (Electronic Photonic Design Automation). Ekosystemet håller på att komma ikapp – företag som Synopsys, Cadence och Lumerical (Ansys) har verktyg för fotonisk design – men det är fortfarande ett område under utveckling. En relaterad fråga är brist på standarder inom vissa områden: även om många foundries erbjuder PDK:er kan de ha olika komponentbibliotek och parametrar. Detta kan göra designer mindre portabla än elektroniska designer. Industrin rör sig mot gemensamma standarder (till exempel layoututbytesformat för fotoniska kretsar, eller standardiserade komponentmodeller), men mer arbete krävs för att effektivisera designflödet. Att bygga en robust talangpipeline är också avgörande: ingenjörer som förstår både RF/mikrovågs-analog design och optisk fysik behövs, och de är en bristvara (även om många universitet nu utbildar studenter inom detta tvärvetenskapliga område).
Prestandabegränsningar: Även om kisel-fotonik dramatiskt förbättrar vissa parametrar har det sina egna fysiska begränsningar. Optisk förlust i vågledare, även om den är låg (~dB/cm), ackumuleras i stora kretsar, och snäva böjar eller små strukturer kan öka förlusten. Det finns också fiber-till-chip-kopplingsförlust att minimera. Termisk känslighet hos kisel (brytningsindex ändras med temperaturen) innebär att många kisel-fotoniska kretsar behöver stabilisering eller kalibrering. Bandbreddsbegränsningar kan uppstå i modulatorer eller detektorer – till exempel har kiselringmodulatorer begränsad bandbredd och kan vara känsliga för temperatur, medan Mach-Zehnder-modulatorer kräver noggrann konstruktion för att uppnå mycket hög hastighet utan distorsion. Kromatisk dispersion i vågledare kan begränsa mycket breda våglängdsapplikationer (dock vanligtvis inte ett problem över de korta avstånden på chipet). En annan subtil punkt: elektronisk-fotonisk integration innebär att du ofta måste samdesigna elektroniken (som driverförstärkare, TIA:er för detektorer) med fotoniken. Gränssnittet mellan dem kan begränsa den totala prestandan (t.ex. om en modulator kräver en viss spänningssvängning behöver du en driver som kan leverera det snabbt). Så systemingenjörskonsten är komplex. Dessutom är det inte alla applikationer som motiverar fotonik – för mycket korta, låghastighetslänkar kan elektriska lösningar fortfarande vara billigare och enklare. Så att veta var man ska använda kisel-fotonik för maximal nytta är i sig en övervägning.

Sammanfattningsvis, även om inga av dessa utmaningar är avgörande hinder, innebär de tillsammans att kisel-fotonik fortfarande har en del utveckling kvar. Många av de skarpaste hjärnorna inom fotonik och elektronik arbetar aktivt med att lösa dessa problem: att integrera bättre lasrar, förbättra kapsling, skala upp produktionen och utöka designmöjligheterna. Framstegen, även under de senaste åren, är uppmuntrande. Som professor Bowers noterade, utmaningar som att integrera III-V-lasrar i CMOS, förbättra utbyten och fiberanslutning samt sänka kostnaderna, hanteras alla med ”framsteg… mycket snabba.” nature.com Varje år medför förbättringar, och gapet mellan laboratorieprototyp och massproduktion blir lite smalare. Det är värt att komma ihåg att elektroniska IC:er hade decennier av intensivt arbete för att nå dagens skala – kisel-fotonik, i jämförelse, befinner sig i ett mycket tidigare skede av sin resa, men den kommer snabbt ikapp.

Ledande företag och institutioner inom området

Kisel-fotonik har blivit en global satsning, med många företag (från startups till teknikjättar) och forskningsinstitutioner som driver området framåt. Enligt marknadsundersökningar är de största aktörerna på marknaden för kisel-fotonik (från och med 2025) industrijättar som Cisco, Intel och IBM, tillsammans med specialister som NeoPhotonics (Lumentum), Hamamatsu Photonics och STMicroelectronics expertmarketresearch.com. Här är en översikt över några viktiga aktörer:

Intel Corporation (USA): En pionjär inom kisel-fotonik, Intel investerade tidigt och kraftigt i teknologin. Företaget introducerade en av de första 100G kisel-fotonik-sändtagarna 2016 och har sedan dess levererat miljontals enheter optics.org. Intel använder kisel-fotonik i höghastighets optiska sändtagare och driver teknologin mot framtida server-CPU:er och edge-applikationer. Företagets vision är att “enable future data center bandwidth growth” med fotonik, att skala från 100G till 400G och vidare, samt att integrera optik med processorer för applikationer som 5G och autonoma fordon expertmarketresearch.com, tanaka-preciousmetals.com. Intels Silicon Photonics-division har nyligen ingått partnerskap med Jabil för tillverkning, vilket indikerar en mognad mot produktion i stor skala optics.org. Intel forskar också på samförpackad optik för switchar och har andelar i flera fotonik-startups (som Ayar Labs).
Cisco Systems (USA): Cisco, en nätverksjätte, gick in i kisel-fotonik genom förvärv (t.ex. förvärvet av Luxtera 2019) och är nu en ledande leverantör av silicon photonic optical transceivers för datacenter och telekom. Cisco använder sin fotonikteknik i produkter som sträcker sig från 100G/400G pluggmoduler till framtida samförpackade optiska switchar. Ciscos lösningar drar nytta av egen design av fotoniska IC:er som uppnår hög densitet och energieffektivitet. Genom att utnyttja kisel-fotonik erbjuder Cisco kunder höghastighetsförbindelser med mindre formfaktorer. År 2025 är Cisco en av marknadsledarna som levererar kisel-fotonik i volym expertmarketresearch.com.
IBM Corporation (USA): IBM har en lång historia inom forskning på optiska förbindelser. Dess Silicon Photonics-team, med över ett decennium av FoU, har utvecklat höghastighets optisk länk-teknik riktad mot förbindelser på kort- och processornivå expertmarketresearch.com. IBMs forskning har lett till framsteg inom kisel-mikroringmodulatorer, våglängdsmultiplexering och paketering. Även om IBM inte säljer sändtagare som Intel eller Cisco, samarbetar de ofta kring prototyper (till exempel visade IBM och Mellanox en optisk förbindelse för servrar 2015). IBMs fokus ligger på att använda fotonik för att lösa flaskhalsar inom databehandling (t.ex. använder POWER10-processorn fotoniska länkar för signalering utanför chipet via partnerskap). IBM bidrar också till standarder och öppen forskning; deras arbete presenteras ofta på konferenser som OFC och CLEO.
NeoPhotonics/Lumentum (USA): NeoPhotonics (nu en del av Lumentum sedan 2022) är specialiserade på lasrar och fotoniska komponenter för telekom och datacenter. De har utvecklat ultraren ljus-tunbara lasrar och höghastighetsmodulatorer. NeoPhotonics introducerade särskilt kisel-fotoniska koherenta optiska subenheter (COSA) för 400G per våglängd-kommunikation, och forskade på 800G och mer expertmarketresearch.com. Som en del av Lumentum (en stor aktör inom optikindustrin) bidrar denna expertis till nästa generations koherenta transceivrar och pluggbarheter för telekom. Lumentums ägarskap innebär att dessa kisel-fotonikprodukter kan integreras med Lumentums befintliga fotonikportfölj (t.ex. deras indiumfosfidmodulatorer och förstärkare).
Hamamatsu Photonics (Japan): En ledare inom optoelektroniska komponenter, Hamamatsu tillverkar ett brett utbud av fotoniska enheter (fotodioder, fotomultiplikatorer, bildsensorer, etc.). Hamamatsu har tagit till sig kiselprocesser för att producera saker som kisel-fotodiodmatriser och kiselbaserade optiska sensorer expertmarketresearch.com. Även om de inte är lika fokuserade på höghastighetstransceivrar, är Hamamatsus arbete med kisel-fotonik avgörande inom sensorer och vetenskaplig instrumentering. De tillhandahåller kisel-PIN-fotodioder, APD:er och optiska sensorchip som är grundläggande för optiska kommunikationsmottagare och LiDAR-detektorer. Deras expertis inom lågbullriga, högkänsliga fotonik kompletterar den digitala kommunikationssidan av kisel-fotonik.
STMicroelectronics (Schweiz/Europa): STMicro är en stor halvledartillverkare som har utvecklat egen kapacitet inom kisel-fotonik. STMicros fokus har varit på integrerade bild- och sensorlösningar – till exempel har de producerat kisel-fotonikchip för fiberoptiska gyroskop och arbetat med FoU kring optiska förbindelser i europeiska konsortier. STMicros avancerade fabriker och MEMS-kapacitet positionerar dem väl för kisel-fotonik som kräver integration med andra sensorer eller elektronik expertmarketresearch.com. Länder som Frankrike och Italien (där ST har stora verksamheter) stödjer fotonik genom initiativ, och ST är ofta en partner i dessa. De ryktas också leverera vissa kisel-fotonikkomponenter för industriella och fordonsrelaterade system.
GlobalFoundries (USA) och TSMC (Taiwan): Dessa kontraktstillverkare av chip har båda etablerat erbjudanden inom kisel-fotonik. GlobalFoundries har en välkänd 45 nm kisel-fotonikprocess (GF 45CLO) och har samarbetat med startups som Ayar Labs för att tillverka optiska I/O-chip. TSMC har varit mer hemlighetsfulla, men arbetar enligt uppgift med stora teknikföretag för att bygga fotoniskt integrerade chip (till exempel antyder vissa Apple-rykten TSMC:s inblandning i fotoniksensorer). Båda är avgörande för att skala upp produktionen – att ha stora foundries med innebär att vilket fabless-företag som helst kan få prototyper och volymproduktion av fotonikchip enklare. Faktum är att foundries som dessa är involverade är en stark indikator på att kisel-fotonik håller på att bli mainstream.
Infinera (USA) och Coherent/II-VI (USA): Infinera är en telekomutrustningstillverkare som tidigt förespråkade fotoniska integrerade kretsar (dock på indiumfosfid). De har sedan dess anpassat sig till att även använda kisel-fotonik i vissa produkter eller för samförpackning med sina InP PICs. Coherent (som förvärvade Finisar och senare tog namnet Coherent) är djupt involverade i optiska komponenter; de har egna InP-fabriker men utvecklar också kisel-fotoniska transceivrar för datacenter optics.org. Dessa företag har ett telekomfokus på tillförlitlighet och prestanda, och driver kisel-fotonik att möta operatörsklassade krav (t.ex. 400ZR-moduler för koherenta länkar över avstånd).
Ayar Labs, Lightmatter och startups: En våg av innovativa startups driver kisel-fotonik in i nya områden. Vi har diskuterat Ayar Labs (optisk I/O för AI/HPC) och Lightmatter (optisk databehandling). Andra inkluderar Lightelligence (ännu en optisk AI-chip-startup), Luminous Computing (integrerar fotonik och elektronik för AI), Celestial AI (optiska nätverk för beräkningskluster), OpenLight (ett joint venture som erbjuder en öppen fotonisk plattform med integrerade lasrar), och Rockley Photonics (fokuserar på hälsosensorer, nu till största delen uppköpt av Celestial). Dessa startups är anmärkningsvärda för sina ambitiösa tillvägagångssätt – t.ex. Lightmatters 3D-integrerade fotoniska tensorkärna eller Luminous försök att bygga en fullstackad fotonisk dator. De samarbetar ofta med stora företag (till exempel samarbetade HPE med Ayar Labs för att använda optiska sammankopplingar i ett superdatornätverk nextplatform.com). Startupscenen är livlig, och deras närvaro har fått de etablerade aktörerna att agera snabbare. En branschanalytiker noterade att tillsammans med Ayar har företag som Lightmatter och Celestial AI “alla har en chans att göra framsteg när kisel-fotonik bygger broar mellan beräkningsmotorer och sammankopplingar.” nextplatform.com
Akademiska och forskningsinstitutioner: På institutionssidan är ledande universitet och nationella laboratorier avgörande för att driva utvecklingen inom kisel-fotonik. University of California, Santa Barbara (UCSB) under professor John Bowers har varit en drivande kraft och banbrytande inom hybridkisel-laser och kvantprickslaser på kisel. MIT, Stanford, Columbia (med professor Michal Lipsons grupp) och Caltech är andra amerikanska centrum för forskning inom kisel-fotonik, där de arbetar med allt från ny modulatorfysik till fotoniska datorkonstruktioner. I Europa driver IMEC i Belgien ett framstående kisel-fotonikprogram och en multi-projekt-wafer-tjänst (iSiPP), och University of Southampton, TU Eindhoven, EPFL och andra har starka forskargrupper. AIM Photonics-institutet i USA (nämnt ovan) samlar många av dessa universitet och företag för samarbete och erbjuder en nationell foundry-kapacitet. Statliga laboratorier som MIT Lincoln Lab och IMEC har till och med demonstrerat avancerad integrerad fotonik för försvarsändamål (t.ex. optiska fasstyrda matriser för LiDAR). Dessutom möjliggör internationella samarbeten och konferenser (såsom Optical Fiber Conference, ISSCC, IEEE Photonics Society-möten) att dessa institutioner kan dela genombrott. Fältet gynnas av en stark pipeline mellan akademi och industri: många startup-grundare och industriledare har utbildats i dessa forskningslabb, och pågående akademisk forskning fortsätter att tänja på gränserna (till exempel ny materialintegration eller kvantfotonik som nämnts).

Alla dessa aktörer – stora teknikföretag, specialiserade komponenttillverkare, ambitiösa startups och banbrytande forskningslabb – bildar ett rikt ekosystem som tillsammans driver kisel-fotonik framåt. Konkurrensen och samarbetet mellan dem påskyndar innovationen. Anmärkningsvärt är att även geopolitiken spelar en roll: det finns en medvetenhet om ett kapplöpning mellan USA, Europa och Kina om vem som ska leda inom fotonikteknologier csis.org, med tanke på dess strategiska betydelse för kommunikation och databehandling. Detta har lett till ökade offentliga investeringar (t.ex. EU:s PhotonHub och Kinas nationella fotonikinitiativ). För den allmänt teknikintresserade är slutsatsen att många smarta människor och betydande resurser globalt satsas på att få våra framtida chip att kommunicera med ljus.

Expertinsikter och citat

Under kisel-fotonikens framväxt har experter inom området erbjudit perspektiv som hjälper till att sätta dess påverkan i sammanhang. Här är några anmärkningsvärda insikter:

Om paradigmskiftet inom kisel-fotonik: “Jag har ofta beskrivit kisel-fotonik som mer än en inkrementell förbättring — det är ett paradigmskifte,” säger René Jonker, chef på Soitec, och betonar att till skillnad från kopparförbindelser som når sina gränser, erbjuder optiska länkar ett hållbart sätt att hantera ökande databehov. Även om utmaningar kvarstår för att minska kostnader och skala upp tillverkningen, gör fördelarna – “högre bandbredd, minskad latens och lägre strömförbrukning” – kisel-fotonik till “en oumbärlig del av vår framtida infrastruktur.” laserfocusworld.com
Om datacenter, energi och optik: En kommentar i Laser Focus World 2025 lyfte fram brådskan i datacenter: vid decenniets slut kan datacenter förbruka 8 % av USA:s el om trenden fortsätter, vilket är “ohållbart med befintliga elektriska förbindelser.” Författaren drog slutsatsen att “optiska förbindelser, möjliggjorda av kisel-fotonik, är den enda skalbara vägen framåt.” laserfocusworld.com Med andra ord, för att undvika en energi- och bandbreddskris är övergången till optiska länkar inte bara ett alternativ – det är nödvändigt.
Om integrationsutmaningar: Professor John Bowers (UCSB), en framstående inom fotonik, kommenterade den största utmaningen: “Den största utmaningen är integrationen av III–V-material i kisel-CMOS… Det finns kvarstående problem med höga utbyten, hög tillförlitlighet, kostnadsreduktion och fiberanslutning. Paketeringen av elektronik och fotonik tillsammans är en utmaning… Men framstegen går mycket snabbt.” nature.com Detta understryker att även om det är svårt att integrera lasrar (III–V-material) och uppnå perfekta utbyten, görs stadiga framsteg av branschledare som Intel, och lösningar är på väg.
Om ljusemission i kisel: I samma intervju gav Bowers en färgstark förklaring till varför lasrar behöver något annat än kisel: “Kisel är otroligt dåligt som ljusemitterare. Dess interna kvantverkningsgrad är ungefär en på en miljon, medan en direkt bandgap III–V:s verkningsgrad i princip är 100 %. Jag visste från början att vi behöver en direkt bandgap-halvledare…” nature.com. Denna uppriktiga bedömning förklarar varför hans team tidigt satsade på hybridasrar (sammanfogning av InP till Si) – en strategi som gav resultat med Intels hybridaser i kisel 2007 och framåt.
Att nå servern med optik: Intels Senior Director of Photonics, Robert Blum, illustrerade hur optik smyger sig inåt i datacenter: “När du går in i ett datacenter idag ser du 100 Gb/s kopparkablar… fungerar bra för fyra meter. Men allt bortom racket använder redan optik. När vi ökar till 200 eller 400 Gb/s blir [räckvidden] för koppar mycket kortare och vi börjar se denna trend där optik går hela vägen till servern.” tanaka-preciousmetals.com Detta citat fångar tydligt den pågående övergången – optik ersätter stadigt koppar från nätverkets kärna ut mot kanterna.
Om marknadstillväxt och AI: “AI:s framväxt har drivit en aldrig tidigare skådad efterfrågan på högpresterande transceivrar… Kisel-fotonik och PIC:ar står i spetsen för denna revolution,” konstaterar Sam Dale, teknikanalytiker på IDTechX, och noterar kisel-fotonikens förmåga att leverera “hastigheter på 1,6 Tbps och mer.” optics.org Hans rapport förutspår att marknaden för fotoniska integrerade kretsar kan växa nästan tiofaldigt till 2035 (till 54 miljarder dollar), drivet till stor del av AI-datacentrens behov optics.org.
Om datorkraftens framtid: Analytiker från The Next Platform förutser att optisk I/O kommer att ta sig in i HPC-system inom kort. De noterar att vi troligen kommer att se vanliga CPU:er/GPU:er med optiska gränssnitt till 2026–2027, eftersom “på kort sikt har vi inget val.” Med deras färgstarka formulering, “Kopparns tid är ute.” nextplatform.com Detta sammanfattar en vanlig uppfattning i branschen: elektriska länkar räcker inte för nästa era av datorkraft, och fotonik måste ta över för att undvika att köra in i väggen.

Dessa insikter från experter understryker både löften och utmaningar med kisel-fotonik. Det finns ett genomgående tema: kisel-fotonik är omvälvande – möjliggör ett nödvändigt prestandalyft – men det medför allvarliga teknologiska utmaningar som snabbt adresseras. Experterna lyfter fram en blandning av optimism (paradigmskiftet, oumbärlig framtid) och realism (integrationsproblem, kostnads- och skalningsfrågor). Deras perspektiv hjälper en bred publik att förstå varför så många företag och forskare är entusiastiska över kisel-fotonik, och också varför det tagit ett par decennier att få denna teknik på fötter. Att höra det från de som står i frontlinjen – vare sig det är en veteranforskare eller en produktchef – ger kontext till att detta är ett område där fysik, ingenjörskonst och marknadskrafter möts på fascinerande sätt.

Senaste nyheter och milstolpar

Landskapet för kisel-fotonik är mycket dynamiskt. Här är några senaste nyhetshöjdpunkter och milstolpar (från det senaste året eller så) som illustrerar fältets snabba framsteg:

Celestial AI förvärvar Rockley Photonics IP (okt 2024): Celestial AI, en startup som utvecklar Photonic Fabric™ optiska sammankopplingar för AI, meddelade att de har förvärvat silicon photonics patentportfölj från Rockley Photonics för 20 miljoner dollar datacenterdynamics.com. Rockley hade utvecklat avancerade kiselbaserade fotoniksensorer och hade skiftat fokus till hälsowearables innan de stod inför konkurs. Denna affär gav Celestial AI över 200 patent, inklusive teknik för elektro-optiska modulatorer och optisk switchning användbar i datacenterapplikationer datacenterdynamics.com. Det är en betydande konsolidering, vilket visar hur värdefull fotonik-IP har blivit inom AI/datacenterområdet. Rockleys innovationer (som bredbandslasrar för sensorer) kan få nytt liv integrerade i Celestials optiska sammankopplingslösningar.
Stora finansieringsrundor för startups – Ayar Labs & Lightmatter (slutet av 2024): Två amerikanska startups fick in stora finansieringsrundor. Ayar Labs stängde en Series D på 155 miljoner dollar i dec 2024, med deltagande från ledande halvledarbolag (Nvidia, Intel, AMD deltog tillsammans med riskkapitalbolag) nextplatform.com. Denna runda höjde Ayars värdering till över 1 miljard dollar, vilket signalerar förtroende för deras optiska I/O-teknik i paket som syftar till att ersätta elektrisk I/O i framtida processorer. Bara veckor innan hade Lightmatter tagit in 400 miljoner dollar i Series D (okt 2024), vilket fördubblade deras totala finansiering och värderade bolaget till 4,4 miljarder dollar nextplatform.com. Lightmatter har utvecklat fotoniska datorkretsar och optisk interposer-teknik för AI-acceleration. Sådana stora investeringar är anmärkningsvärda – de visar att investerare (och strategiska partners) tror att dessa startups kan lösa kritiska problem inom AI och databehandling med optisk teknik. Det innebär också att vi kan förvänta oss att dessa företag går från prototyper till produkter; faktiskt har Lightmatter börjat rulla ut testsystem och Ayars optiska chiplets är planerade för pilotanvändning i HPC-system.
Intel lägger ut transceivertillverkning till Jabil (slutet av 2023): I en intressant vändning beslutade Intel i slutet av 2023 att överföra sin högvolymstillverkning av kiselbaserade fotoniska transceivrar till Jabil, en tillverkningspartner optics.org. Intel hade levererat över 8 miljoner fotoniska transceivrar sedan 2016 optics.org – dessa används för 100G/200G-anslutningar i datacenter. Genom att lämna över produktionen till Jabil (en kontraktstillverkare) signalerade Intel ett strategiskt skifte: man kommer att fokusera på att integrera fotonik med sina kärnplattformar (som samförpackad optik och fotonik på processorn) medan en partner hanterar den standardiserade transceivermarknaden. Detta drag speglar också en mognande industri – det som var banbrytande teknik för några år sedan (100G pluggables) är nu tillräckligt rutinmässigt för att läggas ut. Jabil, för sin del, bygger upp optisk tillverkning, vilket potentiellt kan betjäna andra kunder också. Samarbetet mellan Intel och Jabil lyftes fram som en viktig branschutveckling av analytiker optics.org, som noterade det som en del av ekosystemets utveckling.
InnoLight presenterar 1,6 Tb/s-modul (slutet av 2023): I kapplöpningen mot högre hastigheter meddelade InnoLight, ett kinesiskt företag för optiska transceivrar, att de hade tagit fram en prototyp av en 1,6 terabit per sekund optisk transceiver optics.org. Detta innebär sannolikt flera våglängder (t.ex. 16×100G eller 8×200G kanaler) på en kiselbaserad fotonikplattform. Att nå 1,6 Tb/s i en enda modul ett år före vissa konkurrenter visar Kinas växande skicklighet inom kiselbaserad fotonik. InnoLights modul kan användas för top-of-rack-switchuplänkar eller för att koppla samman AI-system. Det är också en indikation på att 3,2 Tb/s-moduler (som skulle använda t.ex. 8 våglängder på 400G vardera) inte är långt borta – faktiskt förutspådde IDTechX 3,2 Tb/s-moduler till 2026 optics.org. Detta var ett uppmärksammat rekord som understryker den intensiva globala konkurrensen; Coherent (USA) och andra arbetar också med 1,6T- och 3,2T-designs optics.org.
PsiQuantums framsteg med fotonisk kvantchip (2024): På kvantfronten publicerade PsiQuantum (som är hemlighetsfullt men känt för att samarbeta med GlobalFoundries) en studie som beskriver en väg mot en förlusttolerant fotonisk kvantdator, och tillkännagav ett chip kallat “Omega” för deras fotoniska kvantarkitektur thequantuminsider.com. Även om det ännu inte är en kommersiell produkt visar detta att hårdvara för fotonisk kvantdatorutveckling går framåt – med kisel-fotonik i centrum. PsiQuantums metod kräver integrering av tusentals enfotonskällor och detektorer. Nyheten här är validering av tillverkningsbarhet: en artikel i Nature 2022 visade nyckelkomponenter (källor, filter, detektorer) på ett enda kisel-fotonikchip som kan skalas upp nature.com. Detta tyder på att de är på väg mot en milstolpe runt mitten av 2020-talet till början av 2030-talet för en prototyp av en optisk kvantdator med en miljon kubiter (deras långsiktiga mål). Sådana utvecklingar, även om de är nischade, följs noga eftersom de kan omdefiniera avancerad databehandling.
Startups inom litiumniobat-fotonik finansierade (2023): Som nämnts, två startups som fokuserar på att integrera LiNbO₃ med kisel-fotonik, HyperLight (USA) och Lightium (Schweiz), tog tillsammans in 44 miljoner dollar under 2023 optics.org. Finansieringsnyheten var anmärkningsvärd eftersom den belyser en trend: att lägga till nya material till kisel-fotonik för att bryta prestandabarriärer. Dessa företag framhåller modulatorer som kan arbeta med högre linjäritet och över ett brett våglängdsområde (synligt till mid-IR) med mycket låg förlust optics.org. Den omedelbara tillämpningen kan vara ultrasnabba modulatorer för kommunikation eller specialenheter för kvant- och RF-fotonik. Den bredare poängen är att även investeringssamhället satsar på materialinnovation inom fotonik, inte bara de mer uppenbara transceiver-startupsen. Det är ett tecken på att även framsteg inom materialvetenskap (som TFLN på isolator) snabbt kan övergå till startups och produkter inom detta område.
Standarder och konsortieuppdateringar (2024–25): Det har skett framsteg på standardiseringsfronten. Continuous-Wave WDM MSA (ett konsortium som definierar standardmoduler för ljuskällor för co-packaged optics) har levererat de första specifikationerna för gemensamma lasersändare som kan mata flera fotonikkretsar. Detta är viktigt för att säkerställa kompatibilitet mellan olika leverantörer för co-packaged optics. Dessutom har UCIe-konsortiet (för chiplet-interconnect) bildat en optisk arbetsgrupp för att överväga hur optiska chiplet-länkar kan standardiseras. Samtidigt har organisationer som COBO (Consortium for On-Board Optics) och CPO Alliance hållit toppmöten (t.ex. på OFC 2024) där de diskuterat bästa praxis för co-packaged optics ansys.com. Allt detta visar att branschen inser behovet av att harmonisera gränssnitt och undvika en fragmentering som kan bromsa införandet. Nyliga nyheter från IEEE indikerade också framsteg kring 1.6T Ethernet-standarder och relaterade optiska gränssnittsstandarder som förutsätter användning av kiselbaserad fotonik.
Produktlanseringar: På produktsidan ser vi nu faktisk hårdvara lanseras:
- 800G Pluggmoduler: Flera leverantörer (Intel, Marvell/Inphi, etc.) började provleverera 800G QSFP-DD och OSFP-moduler under 2024 som använder kiselbaserad fotonik. Dessa förväntas tas i bruk i switchar och nätverk 2025.
- CPO-demokit: Företag som Ranovus och IBM har demonstrerat co-packaged optics-utvecklingskit – en föregångare till kommersiella CPO-produkter. Till exempel visades IBMs forskningsprototyp av en co-packaged switch fungera, och Ranovus har en CPO-modul med 8×100G våglängder.
- Kiselbaserade fotoniska Lidar-produkter: Innovusion (Kina) och Voyant Photonics (USA) har meddelat framsteg inom sina kiselbaserade fotoniska LiDAR. Innovusions senaste LiDAR för fordon använder vissa kiselbaserade fotonikkomponenter för att uppnå FMCW till en konkurrenskraftig kostnad. Voyant, en startup från Columbia Universitys forskning, säljer faktiskt en liten solid-state LiDAR-modul baserad på kiselbaserad fotonik för användning i drönare och robotar.
- Optiska I/O-chiplets: Till mitten av 2025 planerar Ayar Labs att ha sin TeraPHY optiska I/O-chiplet och SuperNova lasersändare i tidiga kundtester, och leverera en 8 Tbps optisk länk för HPC-system. Om detta håller tidsplanen kan det bli en av de första implementeringarna av optisk I/O i ett datorsystem (troligen i ett statligt laboratorium eller en pilotsuperdator 2025–26).

Den senaste tidens nyhetsflöde ger en bild av ett område som snabbt avancerar på flera fronter: från genombrott i hastighet (1.6T optik) till stora strategiska drag (Intel-outsourcing, stora finansieringsrundor) och först-i-sitt-slag-implementeringar (optiska motorer för AI). Det är en spännande tid, eftersom dessa utvecklingar visar att kiselbaserad fotonik håller på att gå från en lovande teknik till en kommersiell verklighet med växande påverkan på produkter och industrier.

För en allmän publik är den viktigaste slutsatsen från alla dessa nyheter att siliciumfotonik inte är ett avlägset löfte – det händer nu. Företag satsar stora pengar och resurser på det, riktiga produkter levereras, och varje kvartal kommer nya milstolpar som slår tidigare rekord. Det är ett snabbt rörligt område, och även teknikintresserade läsare kan bli förvånade över hur snabbt saker som ”optiska chiplets” eller ”1,6 terabit-moduler” har kommit. Nyheterna visar också att detta är ett globalt kapplöpning – med betydande aktivitet i USA, Europa och Asien – och att det omfattar allt från djupteknologiska startups till de största chipföretagen och nätverksleverantörerna.

Framtidsutsikter och förutsägelser

Framåt ser framtiden för siliciumfotonik extremt lovande ut, med potential att omdefiniera databehandling och kommunikation under det kommande decenniet. Här är några förutsägelser och förväntningar på vad framtiden kan innebära:

Bred användning inom databehandling: I slutet av 2020-talet kan vi förvänta oss att siliciumfotonik är en standardfunktion i avancerade datorsystem. Som nämnts bör de första CPU:erna, GPU:erna eller AI-acceleratorerna med integrerad optisk I/O dyka upp nextplatform.com runt 2026–2027. Inledningsvis kan dessa finnas på specialiserade marknader (superdatorer, högfrekvenshandelssystem, avancerade AI-kluster), men de kommer att bana väg för bredare användning. När tekniken har bevisats och volymerna ökar kan optisk I/O spridas till mer vanliga servrar och enheter under 2030-talet. Föreställ dig rackservrar där varje CPU har optiska fiberportar direkt på paketet, anslutna till en optisk top-of-rack-switch; detta kan bli vanligt. Minnesflaskhalsen kan också hanteras med optiska länkar – till exempel genom att ansluta minnesmoduler optiskt till processorer för att möjliggöra högre bandbredd på avstånd (vissa forskare talar om ”optisk minnesdisaggregering” för stora delade minnespooler). Sammanfattningsvis kommer framtidens datacenter (och därmed framtidens molntjänster) sannolikt att byggas på ett nätverk av optiska sammankopplingar på alla nivåer, möjliggjorda av siliciumfotonik.
Terabit-nätverk för alla: Kapaciteten på nätverkslänkar kommer att fortsätta ta stora kliv framåt. Vi pratar om 1,6 Tb/s, 3,2 Tb/s, till och med 6,4 Tb/s optiska transceivrar i en enda modul i början av 2030-talet. Dessa hastigheter är svindlande – en 3,2 Tb/s-länk skulle kunna överföra en 4K-film på en bråkdel av en millisekund. Även om dessa hastigheter kommer att användas i datacenter-backbones och telenät, gynnar de indirekt konsumenter (snabbare internet, mer robusta molntjänster). Till 2035 förutspår analytiker att marknaden för fotoniska integrerade kretsar kommer att nå över 50 miljarder dollar, till stor del tack vare dessa transceivrar för AI och datacenter optics.org. Vi kan få se att 800G och 1.6T blir det nya 100G, vilket innebär att de blir arbetshästarna i nätverken. Och när volymerna ökar, sjunker kostnaden per bit, vilket gör höghastighetsanslutningar billigare och mer allmänt tillgängliga. Det är troligt att även konsumentenheter (som till exempel ett VR-headset som behöver en mycket högbandbreddslänk till en PC eller konsol) kan använda en optisk USB- eller optisk Thunderbolt-kabel för att överföra tiotals eller hundratals gigabit utan fördröjning eller förlust.
Revolutionerar telekommunikation: Inom telekom kommer kisel-fotonik att hjälpa till att förverkliga helt optiska nätverk med mycket högre effektivitet. Koherent optisk kommunikation med integrerad fotonik kommer sannolikt att skalas till över 1 Tb/s per våglängd (med avancerade konstellationer och kanske integrerade transceiver-DSP:er). Detta kan göra multi-terabit optiska kanaler ekonomiska, vilket minskar antalet lasrar/fibrer som behövs. Kisel-fotonik kommer också att göra omkonfigurerbara optiska add-drop-multiplexers (ROADMs) och annan nätverksutrustning mer kompakt och energieffektiv, vilket i sin tur underlättar utbyggnaden av nätverk med högre kapacitet som 5G/6G och bättre fiber-till-hemmet-infrastruktur. Ett specifikt område att hålla ögonen på är integrerade lasrar för kabel-TV / fiberaccess: billiga ställbara lasrar på kisel kan till exempel göra det möjligt för varje hem att ha en symmetrisk 100G fiberlänk. Genom att integrera optiska funktioner kan teleoperatörer förenkla centraler och huvudnoder. Så nettoeffekten blir ännu snabbare och mer tillförlitliga internettjänster till potentiellt lägre kostnader, drivna i bakgrunden av kisel-fotonikchip.
AI-beräkning och optiska motorer: Inom AI-området, om företag som Lightmatter och Lightelligence lyckas, kan vi få se de första optiska coprocessorerna i datacenter. Dessa skulle accelerera matris-multiplikationer eller grafanalys med hjälp av ljus, och potentiellt erbjuda enorma prestandaförbättringar per watt. Det är tänkbart att vissa datacenter inom fem år har rack med optiska AI-acceleratorer bredvid GPU:er, som hanterar specialiserade uppgifter extremt snabbt (till exempel ultrasnabb inferens för realtids-tjänster). Även om helt optiska datorer fortfarande är något begränsade, kan det hybrida elektro-optiska tillvägagångssättet (elektronik för logikstyrning, fotonik för tung datarörelse och multiply-accumulate-operationer) bli en nyckelstrategi för att upprätthålla AI-prestandaökning. Genom att minska värme och energiförbrukning kan fotonik hjälpa till att hålla AI-träning möjlig när modellerna skalas till biljoner parametrar. Kort sagt kan kisel-fotonik vara den hemliga ingrediensen som möjliggör nästa 1000× ökning av AI-modellstorlek/träningsdata utan att elnätet smälter.
Påverkan på konsumentteknik: Även om mycket av kisel-fotonik idag finns i ”big iron” (datacenter, nätverk), kommer det så småningom att sippra ner till konsumentenheter. En uppenbar kandidat är AR/VR-headset (där du behöver mata enorma datamängder till pyttesmå displayer och kameror – optiska sammankopplingar kan hjälpa). En annan är konsument-LiDAR eller djupsensorer – framtida smartphones eller wearables kan ha små kisel-fotonik-sensorer för hälsomätning (som Rockley Photonics siktade på) eller för 3D-skanning av omgivningen. Intels Mobileye har redan indikerat att deras kisel-fotonik-LiDAR kommer att finnas i bilar, så i slutet av 2020-talet kan din nya bil ha ett integrerat fotonchip som tyst styr dess autonoma körsensorer tanaka-preciousmetals.com. Med tiden, när kostnaderna sjunker, kan fler sådana sensorer dyka upp i vardagsenheter (föreställ dig smartklockor som använder en kisel-fotonik-sensor för att icke-invasivt mäta glukos eller blodanalys via optisk spektroskopi på handleden – företag arbetar faktiskt på det konceptet). Även inom högklassig ljud/bild kan optiska chip förbättra kameror (LiDAR för fokusering eller 3D-kartläggning i fotografering) eller möjliggöra holografiska displayer genom att modulera ljus i mikroskopisk skala (lite spekulativt, men inte omöjligt i takt med att spatiala ljusmodulatorer på kisel blir bättre). Så om ett decennium kan konsumenter omedvetet använda kisel-fotonik i sina prylar precis som vi idag använder MEMS-sensorer överallt utan att tänka på det.
Fotonik i det kvantmekaniska riket: Om vi blickar längre in i framtiden kan kvantfotonik-teknologier mogna. Om PsiQuantum eller andra lyckas kan vi få en fotonisk kvantdator som överträffar klassiska superdatorer för vissa uppgifter – med kanske miljoner intrasslade fotoner som bearbetas på chip. Det vore en monumental prestation, möjligen lika omvälvande som de första elektroniska datorerna. Även om det kan ligga bortom 2030, kan framsteg under tiden ge kvantsimulatorer eller nätverksbaserade kvantkommunikationssystem med hjälp av kisel-fotonik. Till exempel kan säkra kvantkommunikationslänkar (QKD-nätverk) implementeras i stadsnät med standardiserade kisel-fotonik-QKD-sändare i datacenter. Det finns också potential för kvantsensorer på chip (som optiska gyroskop med kvantnivåkänslighet) att hitta användning inom navigation eller vetenskap.
Fortsatt forskning och nya horisonter: Själva området kisel-fotonik kommer att fortsätta utvecklas. Forskare utforskar redan 3D-integration – att stapla fotonikchip med elektroniska chip för ännu tätare koppling (vissa undersöker mikrobumpar eller bindningstekniker för att placera en fotonisk interposer under en CPU, till exempel). Det talas också om optiska nätverk på chip (ONoC), där processorer istället för eller utöver elektriska nätverk-på-chip använder ljus för att kommunicera mellan kärnor. Om flerkärniga CPU:er en dag använder interna optiska nätverk kan det ta bort bandbreddsbegränsningar inom chipet (detta ligger lite längre fram, men är konceptuellt bevisat i labb). Nano-fotonik kan också bli aktuellt: plasmoniska eller nanoskaliga optiska komponenter som arbetar vid mycket höga hastigheter eller extremt små ytor, potentiellt integrerade med kisel-fotonik för vissa uppgifter (som ultrakompakta modulatorer). Och vem vet, kanske lyckas någon en dag uppnå den heliga graalen – en kisel-laser via något smart materialtrick – vilket verkligen skulle förenkla fotonikintegrationen.
Marknads- och branschutsikter: Ekonomiskt sett kommer vi troligen att se att marknaden för kisel-fotonik exploderar. Enligt IDTechX beräknas marknadsvärdet uppgå till cirka 54 miljarder dollar år 2035 optics.org. Anmärkningsvärt är att även om datakommunikation kommer att utgöra lejonparten, kan uppskattningsvis ~11 miljarder dollar av detta komma från icke-datadrivna tillämpningar (telekom, lidar, sensorer, kvantteknik, etc.) optics.org. Det innebär att teknikens fördelar kommer att spridas över många sektorer. Vi kan också få se stora omvälvningar eller partnerskap inom branschen: till exempel, kan ett teknikjättebolag förvärva en av fotonikens unicorn-startups (föreställ dig att Nvidia köper Ayar Labs eller Lightmatter för att säkra ett försprång inom optisk databehandling)? Det är möjligt i takt med att insatserna ökar. Dessutom kan internationell konkurrens intensifieras – vi kan få se betydande investeringar från regeringar för att säkra ledarskap (på samma sätt som halvledarindustrin anses vara strategisk). Kisel-fotonik kan bli en nyckelkomponent i nationella teknikstrategier, vilket ytterligare kan driva på FoU-finansiering och infrastruktur.

I ett bredare perspektiv, om vi tar ett steg tillbaka, är framtiden med kisel-fotonik en där gränserna mellan beräkning och kommunikation suddas ut. Avstånd blir mindre begränsande – data kan färdas inom ett chip eller mellan städer med samma lätthet via optiska trådar. Detta kan möjliggöra arkitekturer som distribuerad databehandling där den fysiska platsen för resurser spelar mindre roll eftersom optiska länkar ger låg latens och hög bandbredd. Vi kan få se verkligt uppdelade datacenter där beräkning, lagring och minne är optiskt sammankopplade som LEGO-bitar. Energieffektiviteten från fotonik kan också bidra till grönare IKT, vilket är viktigt i takt med att den digitala infrastrukturens energibehov ökar.

För att låna orden från en branschveteran: “resan att skala upp kisel-fotonik är lika spännande som utmanande.” laserfocusworld.com De kommande åren kommer utan tvekan att bjuda på hinder, men det finns en kollektiv beslutsamhet inom akademi och industri att övervinna dem. Genom samarbete och innovation – där materialvetenskap, halvledarteknik och fotonik samverkar – är experterna övertygade om att vi kommer att möta dessa utmaningar och låsa upp hela potentialen hos kisel-fotonik laserfocusworld.com. Framtidsutsikterna är att denna teknik kommer att gå från periferin (där den kopplar samman våra enheter eller förstärker specialiserade system) till själva hjärtat av databehandling och uppkoppling. Vi bevittnar i princip gryningen av en ny era – en där ljus, inte bara elektroner, bär informationens livsnerv genom de enheter och nätverk som utgör grunden för det moderna livet. Och det är verkligen en revolutionerande förändring som kommer att utvecklas under det kommande decenniet och därefter.

Källor: Definitioner och fördelar med kisel-fotonik ansys.com ansys.com; tillämpningar inom sensorer, LiDAR, kvantteknik ansys.com ansys.com; datacenter- och AI-trender laserfocusworld.com, optics.org; expertcitat och insikter laserfocusworld.com, tanaka-preciousmetals.com, nature.com; branschledare expertmarketresearch.com; senaste nyheter och investeringar datacenterdynamics.com, nextplatform.com, nextplatform.com; framtidsprognoser optics.org