Siliciumfotonik-revolutionen – Lyshurtig teknologi, der forvandler AI, datacentre og mere

Hvad er silikonefotonik, og hvordan fungerer det?

Silikonefotonik er en teknologi, der bruger siliciumbaserede fotonelektroniske integrerede kredsløb (PICs) til at manipulere lys (fotoner) til behandling og kommunikation. Kort sagt betyder det, at man bygger optiske enheder (som lasere, modulatorer og detektorer) på siliciumchips, ligesom man laver elektroniske kredsløb. Disse siliciumfotonik-chips kan sende og modtage data ved hjælp af lys, hvilket muliggør ultrahurtig dataoverførsel med høj båndbredde og lavt energitab ansys.com. Nøglekomponenter inkluderer bølgeledere (små optiske “ledninger”, der leder lys på chippen), modulatorer (som koder data på lysstråler), lasere (normalt tilføjet via andre materialer, da silicium ikke selv kan udsende lys), og fotodetektorer (til at omdanne indkommende lys tilbage til elektriske signaler) ansys.com. Ved at integrere disse på en siliciumplatform udnytter ingeniører den veletablerede halvlederproduktion (CMOS) til masseproduktion af fotoniske enheder, hvilket kombinerer lysets hastighed med skalaen fra moderne chipfremstilling ansys.com.

Hvordan fungerer det? I stedet for elektriske impulser i kobberledninger bruger siliciumfotoniske kredsløb infrarødt laserlys, der løber gennem mikroskopiske bølgeledere. Silicium er gennemsigtigt for infrarøde bølgelængder, hvilket gør det muligt for lyset at bevæge sig med minimal tab, når det er indkapslet af materialer som siliciumdioxid, der har en lavere brydningsindeks ansys.com ansys.com. Data kodes på disse lysbølger via modulatorer, der hurtigt kan ændre lysets intensitet eller fase. I den anden ende omdanner fotodetektorer på chippen de optiske signaler tilbage til elektrisk form. Fordi lys oscillerer ved frekvenser, der er langt højere end elektriske signaler, kan optiske forbindelser overføre meget mere data per sekund end elektriske ledninger. En enkelt lille fiber eller bølgeleder kan transmittere titusinder eller hundredvis af gigabit per sekund, og ved at bruge flere bølgelængder af lys (tæt bølgelængdemultipleksing) kan en enkelt fiber bære terabit af data. I praksis muliggør siliciumfotonik kommunikation på chip eller mellem chips med hastigheder som 100 Gb/s, 400 Gb/s eller mere, hvilket ellers ville kræve mange kobberforbindelser eller simpelthen være umuligt over længere afstande ansys.com optics.org.

Silicium-fotoniske enheder er kompakte, hurtige og energieffektive. Lys kan bevæge sig gennem bølgeledere med meget lav modstand (ingen elektrisk kapacitans eller opvarmningsproblemer som med kobber ved høje hastigheder), hvilket betyder potentielt lavere strømforbrug til databevægelse. En analyse bemærker, at optiske forbindelser drastisk kan afhjælpe databottlenecks og reducere varme i højtydende systemer – “optiske forbindelser, muliggjort af silicium-fotonik, er den eneste skalerbare vej frem” til at håndtere eksploderende båndbreddebehov laserfocusworld.com. Kort sagt forener silicium-fotonik den billige, masseproducerbare siliciumchip-platform med lysets fysik og skaber “kredsløb for fotoner” på en chip ansys.com. Denne teknologi gør det muligt for os at bogstaveligt talt flytte data med lysets hastighed i sammenhænge, hvor traditionelle elektroniske løsninger rammer grænser.

Nøgleanvendelser af silicium-fotonik

Silicium-fotonik startede inden for fiberoptisk kommunikation, men i dag er det en alsidig platform, der finder anvendelse på tværs af mange banebrydende områder. På grund af dens høje hastighed og energieffektivitet er ethvert felt, der har brug for at flytte enorme datamængder (eller præcist kontrollere lys), en kandidat. Her er nogle af de vigtigste anvendelser:

Datacentre og højhastigheds cloud-netværk

En af de vigtigste anvendelser er inde i datacentre og supercomputere, hvor silicium-fotonik adresserer det presserende behov for hurtigere, mere effektive forbindelser. Moderne cloud- og hyperscale-datacentre håndterer massive datamængder mellem servere, racks og på tværs af campus-netværk. Kobberkabler og traditionelle elektriske switches er i stigende grad en flaskehals – de bruger for meget strøm og kan ikke skaleres ud over visse afstande eller hastigheder (for eksempel fungerer 100 Gb/s kobberforbindelser kun over få meter). Silicium-fotoniske forbindelser løser dette ved at bruge optiske fibre og indbyggede optiske motorer til at forbinde servere og switches ved meget høje hastigheder med minimalt tab. Optiske transceivere baseret på silicium-fotonik erstatter eller supplerer allerede elektriske forbindelser til rack-til-rack og endda inden for rack-kommunikation tanaka-preciousmetals.com.

Cisco og Intel har været pionerer her: Cisco designer nu high-speed pluggable optical transceivers ved hjælp af silikonefotonik til at forbinde netværksudstyr expertmarketresearch.com. Intel har ligeledes udnyttet silikonefotonik til at forbedre datacenterforbindelser, har leveret millioner af 100G optiske transceiver-chips og er nu i gang med at øge produktionen af 200G, 400G og tester 800G optiske moduler tanaka-preciousmetals.com. Motivationen er klar – efterhånden som datahastighederne fordobles fra 100G til 200G til 400G, bliver kobberets rækkevidde dramatisk mindre. “Når du går ind i et datacenter i dag, vil du se 100 Gb/s kobberkabler, der forbinder servere til top-of-rack-switchen… Disse kabler er fine til fire meter eller deromkring. Men alt uden for racket bruger allerede optik,” bemærker Robert Blum, Intels senior director for fotonik, og tilføjer, at “når vi øger datahastighederne til 200 eller 400 Gb/s, bliver rækkevidden for kobber meget kortere, og vi begynder at se denne tendens, hvor optik går hele vejen til serveren.” tanaka-preciousmetals.com I high-performance computing (HPC) klynger og AI-supercomputere, hvor tusindvis af processorer har brug for forbindelser med lav latenstid, leverer optiske forbindelser den båndbredde, der skal til for at holde alle disse chips forsynet med data ansys.com, laserfocusworld.com. Ved at bringe fotonik ind på switchen og endda ind i processor-pakker (såkaldt co-packaged optics), vil fremtidens datacenternetværk opnå langt højere gennemstrømning. Faktisk er 51,2 Tb/s switch-chips med integreret optisk I/O på vej, og prototyper er allerede blevet demonstreret tanaka-preciousmetals.com.

Fordelene for datacentre er betydelige: lavere strømforbrug (optiske forbindelser spilder langt mindre energi som varme end at skubbe elektroner gennem kobber ved titals GHz), højere tæthed (mange optiske kanaler kan multiplexes uden bekymring for elektromagnetisk interferens), og længere rækkevidde (optiske signaler kan rejse kilometer, hvis det er nødvendigt). Det betyder, at siliciumfotonik hjælper datacentre med at skalere ydeevnen uden at blive begrænset af forbindelsesgrænser. En markedsanalytiker bemærkede, at AI-centrerede datacentre driver en hidtil uset efterspørgsel efter højtydende optiske transceivere, og hævdede, at “siliciumfotonik og PICs er i spidsen for denne revolution, med deres evne til at overføre data med hastigheder på 1,6 Tbps og derover.” optics.org I praksis kan en enkelt fotonisk chip på størrelse med en fingernegl indeholde dusinvis af laserkanaler, som tilsammen bærer terabit af data – afgørende for næste generations cloud-infrastruktur.

AI og maskinlæringsacceleration

Eksplosionen af AI og maskinlæring-arbejdsbelastninger er et særtilfælde af datacenterapplikationen – det fortjener sin egen omtale, fordi AI driver nogle unikke krav og har sat gang i nye anvendelser for siliciumfotonik. Træning af avancerede AI-modeller (som store sprogmodeller, der driver chatbots) involverer massive parallelle beregninger fordelt på mange GPU’er eller specialiserede AI-acceleratorer. Disse chips skal udveksle enorme mængder data til opgaver som modeltræning, hvilket ofte overbelaster konventionelle elektriske forbindelser. Siliciumfotonik tilbyder en dobbelt fordel for AI: høj-båndbredde forbindelser og endda potentialet for optisk computation.

På interconnect-siden bliver optiske forbindelser udviklet til direkte at forbinde AI-acceleratorchips eller hukommelse ved hjælp af lys (nogle gange kaldet optisk I/O). Ved at erstatte den traditionelle server-backplane eller GPU-til-GPU-kommunikation med optisk fiber kan AI-systemer markant reducere kommunikationslatens og strømforbrug. For eksempel skaber startups som Ayar Labs optiske I/O-chiplets, der placeres ved siden af processorer for at sende data ind og ud ved hjælp af lys, hvilket eliminerer de tætte bundter af kobberledninger, der ellers ville være nødvendige. I 2024 demonstrerede Ayar Labs en optisk chiplet, der leverer 8 Tbps båndbredde ved brug af 16 bølgelængder af lys – et tegn på, hvordan næste generations AI-interconnects kan komme til at se ud businesswire.com. Store chipproducenter er opmærksomme: Nvidia, AMD og Intel investerede alle i Ayar Labs som en del af en finansieringsrunde på 155 millioner dollars, idet de satser på, at optiske forbindelser bliver nøglen til at skalere fremtidens AI-hardware nextplatform.com. Som en journalist bemærkede, hvis du ikke kan få nok hastighed ved blot at gøre chips hurtigere, “the next best thing to put your money into is probably some form of optical I/O.” nextplatform.com

Ud over at flytte data mellem AI-chips, muliggør siliciumfotonik også optisk computing til AI. Det betyder, at visse beregninger (som matrixmultiplikationer i neurale netværk) udføres med lys i stedet for elektricitet, hvilket potentielt kan omgå nogle af de hastigheds- og energibegrænsninger, der findes i nutidens elektroniske AI-acceleratorer. Virksomheder som Lightmatter og Lightelligence har bygget prototype-fotonikprocessorer, der bruger interferens af lys i siliciumbølgeleder til at beregne resultater parallelt. I slutningen af 2024 rejste Lightmatter bemærkelsesværdige 400 millioner dollars i en Series D-runde (hvilket bringer virksomhedens værdi op på 4,4 milliarder dollars) for at fremme deres optiske computing-teknologi nextplatform.com. Selvom de stadig er under udvikling, lover disse fotoniske AI-acceleratorer ultrahurtig, lav-latens eksekvering af neurale netværk med meget lavere strømforbrug, da fotoner genererer minimal varme sammenlignet med milliarder af transistor-skiftebegivenheder.

Overordnet set, efterhånden som AI-modeller vokser i størrelse og kompleksitet (og kræver klynger af titusindvis af chips), betragtes silikonefotonik som et “paradigmeskifte”, der kan overvinde kommunikationsflaskehalsene i AI-infrastruktur laserfocusworld.com. Det tilbyder en måde at skalere båndbredden mellem processorer lineært med efterspørgslen, noget elektriske forbindelser har svært ved. Brancheobservatører forudser, at optiske teknologier (som co-packaged optics, optiske chip-til-chip forbindelser og muligvis fotoniske computerelementer) vil blive standard i AI-systemer i de kommende år – ikke blot et nicheeksperiment. Faktisk anslås det, at AI-datacentre vil vokse så hurtigt (50% årlig vækstrate i strømforbrug), at de i 2030 kan være uholdbare med eksisterende elektriske I/O, hvilket gør silikonefotonik til “en uundværlig del af vores fremtidige infrastruktur” for at holde AI skalerbar laserfocusworld.com.

Telekommunikation og netværk

Silikonefotonik har sine rødder i telekommunikation, og det fortsætter med at revolutionere, hvordan vi transmitterer data over lange afstande. I fiberoptiske telekommunikationsnetværk – hvad enten det er internettets rygrad, undersøiske kabler eller metro- og adgangsnetværk – bruges integreret fotonik til at fremstille optiske transceivere, der er mindre, hurtigere og billigere. Traditionelle optiske kommunikationssystemer var ofte afhængige af diskrete komponenter (lasere, modulatorer, detektorer samlet individuelt), men silikonefotonisk integration kan placere mange af disse komponenter på én chip, hvilket forbedrer pålideligheden og reducerer samleomkostningerne tanaka-preciousmetals.com.

I dag er optiske transceivermoduler baseret på silikonefotonik almindelige i datacenterforbindelser og bliver i stigende grad taget i brug i telekommunikationsinfrastruktur til 100G, 400G og derover. For eksempel har virksomheder som Infinera og Cisco (Acacia) udviklet koherente optiske transceivere med silikonefotonik til 400G- og 800G-forbindelser i telenetværk. Bredbånds- og 5G/6G trådløse netværk drager også fordel – fiberforbindelserne, der forbinder mobilmaster eller transporterer fronthaul/backhaul-data, kan gøres mere effektive med silikonefotonik. Intel har fremhævet, at silikonefotonik vil spille en rolle i “næste generations 5G-udrulninger med mindre formfaktorer og højere hastigheder, fra 100G i dag til 400G og derover i morgen” expertmarketresearch.com. Muligheden for at integrere adskillige laserbølgelængder på en chip er nyttig for tætpakket bølgelængdemultipleksing (DWDM)-systemer, som teleselskaber bruger til at presse flere kanaler ind på hver fiber. I 2023 demonstrerede et kinesisk firma, InnoLight, endda en 1,6 Tb/s optisk transceiver (ved brug af flere bølgelængder og avanceret modulation) – et tegn på, at multi-terabit optiske forbindelser er lige om hjørnet optics.org.

En anden netværksapplikation er i kernerutere og switchudstyr. High-end routere og optiske switchplatforme begynder at bruge silikonefotoniske kredsløb til funktioner som optisk switching, signalrouting og endda bølgelængdefiltrering på chippen. For eksempel er store silikonefotoniske switch-matricer blevet prototyperet, som bruger silikone-MEMS eller termo-optiske effekter til hurtigt at skifte lysveje, hvilket potentielt muliggør fuldt optisk kredsløbsswitching. Disse kan i sidste ende bruges i datacenternetværk til optisk at rekonfigurere forbindelser i realtid (Google har antydet brug af optiske switches i nogle af deres AI-klynger) nextplatform.com.

Overordnet set er målene inden for telekommunikation højere kapacitet og lavere pris pr. bit. Siliciumfotonik hjælper ved at skalere fiberoptisk kapacitet (100G → 400G → 800G og 1,6T pr. bølgelængde) og ved at sænke produktionsomkostningerne gennem CMOS-fabrikationsprocesser. Det siger noget, at Intels siliciumfotonik-division, før den blev omstruktureret, leverede over 8 millioner fotoniske transceiver-chips fra 2016 til 2023 til datacenter- og netværksbrug optics.org. Og industrisamarbejder vokser: For eksempel annoncerede Intel i slutningen af 2023, at de ville overføre deres transceiver-produktion til Jabil (en kontraktproducent) for yderligere at skalere produktionen optics.org. Imens investerer optiske komponentgiganter som Coherent (tidligere II-VI) og traditionelle telekomleverandører (Nokia, Ciena m.fl.) alle i siliciumfotonik til næste generations optiske moduler optics.org. Teknologien er ved at blive en hjørnesten i både internettets fysiske infrastruktur og det hastigt udviklende 5G/6G-kommunikations-økosystem.

Sensing og LiDAR

Siliciumfotonik handler ikke kun om kommunikation – det muliggør også nye typer sensorer ved at udnytte præcis styring af lys på chip. Et spændende område er biokemisk og miljømæssig sensing. Siliciumfotoniske sensorer kan registrere små ændringer i brydningsindeks eller absorption, når en prøve (som en dråbe blod eller en kemisk damp) interagerer med en styret lysstråle. For eksempel kan en siliciumfotonik-chip have en lille ringresonator eller interferometer, der skifter frekvens, når bestemte molekyler binder sig til den. Dette muliggør lab-on-a-chip-sensing af biomarkører – proteiner, DNA, gasser osv. – med høj følsomhed og potentielt til lav pris. Sådanne fotoniske biosensorer kan bruges til medicinsk diagnostik, miljøovervågning eller endda “kunstig næse”-applikationer optics.org optics.org. Fordelene ved miniatyrisering og integration er centrale: En enkelt siliciumfotonisk sensorchip kan integrere lyskilder, sensorelementer og fotodetektorer og dermed tilbyde en kompakt, robust sensor i stedet for stort optisk laboratorieudstyr. Forskning i silicium-nitrid-fotonik (en variant, der fungerer bedre til synlige bølgelængder) åbner endnu flere sensorapplikationer, da SiN kan lede synligt lys til at detektere ting som fluorescens eller Raman-signaler, som rent silicium ikke kan.

En anden hastigt voksende anvendelse er LiDAR (Light Detection and Ranging) til autonome køretøjer, droner og robotteknologi. LiDAR-systemer udsender laserpulser og måler det reflekterede lys for at kortlægge afstande – i bund og grund “3D-laservision.” Traditionelle LiDAR-enheder er ofte afhængige af mekanisk scanning og separate lasere/detektorer, hvilket gør dem dyre og en smule klodsede. Siliciumfotonik tilbyder en måde at bygge LiDAR på en chip: integration af strålestyringselementer, splittere, modulatorer og detektorer monolitisk. En siliciumfotonisk LiDAR kan bruge solid-state strålestyring (for eksempel optiske fase-arrays) til at scanne omgivelserne uden bevægelige dele. Dette reducerer størrelsen og prisen på LiDAR-enheder drastisk. Faktisk har Intels Mobileye indikeret, at de bruger siliciumfotoniske integrerede kredsløb i deres næste generations autonome LiDAR-sensorer omkring 2025 tanaka-preciousmetals.com. En sådan integration kan sænke LiDAR-omkostningerne og muliggøre masseudrulning i biler. Siliciumfotonik-baseret LiDAR kan også opnå hurtigere scanning og højere opløsning ved at udnytte flere bølgelængder eller kohærente detektionsteknikker indbygget på chippen. Som en ekstra fordel har disse integrerede løsninger ofte et lavere strømforbrug – en vigtig faktor for elbiler.

Ifølge Ansys er “siliciumfotonik-baserede LiDAR-løsninger mere kompakte, bruger mindre strøm og er billigere at producere end systemer opbygget af separate komponenter.” ansys.com Dette indfanger præcist, hvorfor virksomheder fra startups til teknologigiganter kappes om at udvikle fotonisk LiDAR. Vi ser allerede prototyper af FMCW LiDAR (frekvensmoduleret kontinuerlig bølge-LiDAR), som kræver følsomme fotoniske kredsløb som tunbare lasere og interferometre. Siliciumfotonik er en naturlig platform til dette, og eksperter forudser, at integreret fotonik bliver nøglen til at gøre FMCW LiDAR levedygtig i stor skala (for dens lange rækkevidde og immunitet over for interferens) optics.org optics.org. I den nærmeste fremtid kan vi forvente biler og droner udstyret med små, chip-baserede LiDAR-enheder med høj ydeevne – et direkte resultat af innovation inden for siliciumfotonik.

Ud over LiDAR omfatter andre sensoranvendelser gyroskoper og inerti-sensorer (ved brug af ringlaser-gyroskoper på chip til navigation) og spektrometre (integrerede optiske spektrometre til kemisk analyse). Den røde tråd er, at siliciumfotonik bringer præcisionen fra optiske målinger ind i et miniaturiseret, produktionsvenligt format. Dette åbner nye muligheder inden for forbrugerelektronik (forestil dig en optisk sundhedssensor i et smartwatch), industriel overvågning og videnskabelige instrumenter.

Kvantcomputing og fotoniske kvanteteknologier

I jagten på kvantecomputere spiller fotoner (lyspartikler) en unik rolle. I modsætning til elektroner kan fotoner rejse lange afstande uden at interagere med omgivelserne (nyttigt til at overføre kvanteinformation), og visse kvantecomputerskemaer bruger fotoner som selve qubits. Siliciumfotonik er blevet en førende platform for forskning i kvantecomputere og kvantenetværk.

Flere startups og forskningsgrupper arbejder på fotoniske kvantecomputere, der bruger siliciumbaserede fotoniske kredsløb til at generere og manipulere qubits kodet i lys. For eksempel samarbejder PsiQuantum, en startup med stor finansiering, med en halvlederfabrik om at bygge en storskala kvantecomputer ved hjælp af tusindvis af siliciumfotoniske qubit-kanaler. Ideen er at integrere enheder som enkeltfotonkilder, strålesplittere, faseskiftere og fotondetektorer på en chip for at udføre kvantelogik med fotoner. Fordelen ved siliciumfotonik her er skalerbarhed – fordi det bygger på CMOS-fremstilling, kan man (i princippet) skabe meget komplekse kvantefotoniske kredsløb med hundredvis eller tusindvis af komponenter, hvilket er meget sværere i andre kvantehardwaretilgange. Faktisk har forskere for nylig demonstreret siliciumfotonik-chips med tusindvis af komponenter, der arbejder sammen til kvantelysmanipulation nature.com.

Siliciumfotonik muliggør også kvantenetværk – sikker kommunikation ved hjælp af kvantenøgleudveksling (QKD) og sammenfiltrede fotoner – ved at levere en platform for kompakte, stabile optiske kvantetransmittere og -modtagere. Derudover kan visse kvantesensorteknologier (som optiske kvantegyroskoper eller enkeltfoton-LiDAR) bruge siliciumfotonik-chips som kerne.

En stor udfordring i fotonisk kvantecomputing er at generere enkeltfotoner efter behov og dirigere dem med lavt tab. Interessant nok gælder de samme begrænsninger (og løsninger) for klassisk siliciumfotonik også i kvante: silicium lases ikke naturligt, så kvantefotonik-chips bruger ofte integrerede ikke-lineære processer eller kvanteprikkilder til at skabe enkeltfotoner, eller de hybridintegrerer specialiserede materialer. Fordelene er dog de samme – høj præcision og miniaturisering. Som Ansys-rapporten bemærker, bruger kvantecomputere fotoner til beregninger, og håndtering af disse fotoner med integreret fotonik giver fordele i hastighed, nøjagtighed og omkostninger ansys.com. I praksis kan siliciumfotonik give den stabilitet og produktionsvenlighed, der er nødvendig for at skalere kvantesystemer op fra laboratorieforsøg til rigtige maskiner.

Bortset fra databehandling er kvantefotoniske sensorer (som interferometre, der udnytter kvantetilstande for ekstra følsomhed) og kvantebaserede tilfældighedsgeneratorer andre områder, hvor silikonefotonik gør en forskel. Selvom fotonisk kvantecomputing stadig er under udvikling og sandsynligvis er nogle år fra modenhed, understreger de store investeringer i dette felt dets potentiale. I 2022 fremhævede en ledende forsker, professor John Bowers, at silikonefotonik udviklede sig hurtigt med mange nye anvendelser, herunder kvante, på horisonten nature.com. Det er forudsigeligt, at de første kvantecomputere i stor skala faktisk kan blive optiske og bygget på silikonefotonik-chips – en fascinerende fuld cirkel, hvor en teknologi, der oprindeligt blev udviklet til telekommunikation, måske muliggør det næste spring inden for databehandling.

Nuværende tendenser og udviklinger (2025)

Fra 2025 oplever silikonefotonik en enorm fremgang. En række tendenser er gået sammen om at skubbe denne teknologi fra laboratorier og nicheanvendelser ind i mainstream i tech-industrien:

Dataflaskehals og co-packaged optik: Den umættelige efterspørgsel efter data (især fra AI og cloud-tjenester) har gjort elektriske forbindelser til en alvorlig flaskehals. Vi er nået dertil, hvor hver gang du fordobler en forbindelses båndbredde, skal du halvere kobberkablets længde for at opretholde signalintegriteten nextplatform.com – en uholdbar byttehandel. Denne presserende situation har sat fokus på tilgange som co-packaged optics (CPO), hvor optiske motorer placeres lige ved siden af switch-ASIC’er eller processorchips for næsten helt at eliminere elektrisk transmissionsafstand. I 2023 demonstrerede flere virksomheder co-packaged optik i switches (f.eks. Broadcoms 25,6 Tb/s og 51,2 Tb/s switch-prototyper med integrerede laserfotonik-motorer). Branchekøreplaner antyder, at 51,2 Tb/s Ethernet-switch-chips med co-packaged siliciumfotonik bør ramme markedet inden for et til to år tanaka-preciousmetals.com, og at vi omkring 2026–2027 sandsynligvis vil se de første CPU’er/GPU’er, der udnytter optisk I/O direkte nextplatform.com. Med andre ord er den optiske æra for forbindelser ved at bryde igennem i praktiske systemer. Virksomheder som Intel, Nvidia og Cisco udvikler alle aktivt CPO-løsninger. Faktisk har Intels Tomambe-projekt og andre allerede demonstreret 1,6 Tb/s fotoniske motorer integreret med switch-chips tanaka-preciousmetals.com. Den generelle konsensus: Efter mange års forskning er co-packaged optik ved at gå fra prototype til produkt, med det formål at reducere strømforbruget pr. bit ved at bringe lyskilder tættere på datakilden (30% strømbesparelse sammenlignet med pluggables, ifølge et skøn laserfocusworld.com).
Bølge af investeringer og startup-aktivitet: De sidste par år har budt på store investeringer og finansiering i silicon photonics-virksomheder. Dette afspejler den tillid, som branchen har til teknologiens fremtid. For eksempel rejste Ayar Labs i slutningen af 2024 en Series D-runde på $155 millioner (hvilket gav dem “unicorn”-status med en værdiansættelse på over $1 milliard) for at skalere deres optiske I/O-løsninger; bemærkelsesværdigt inkluderede denne runde strategiske investeringer fra Nvidia, AMD og Intel selv nextplatform.com. Ligeledes sikrede photonic computing-startuppet Lightmatter $400 millioner i finansiering i 2024 for at videreudvikle deres optiske AI-acceleratorplatform nextplatform.com. En anden startup, Celestial AI, som fokuserer på optiske forbindelser til AI, rejste ikke kun $175 millioner i begyndelsen af 2024, men gik også videre til at overtage silicon photonics IP-porteføljen fra Rockley Photonics (et tidligere sensorfokuseret photonics-firma) for $20 millioner i oktober 2024 datacenterdynamics.com. Dette opkøb gav Celestial AI over 200 patenter inden for silicon photonics og signalerer en vis konsolidering i branchen – mindre aktører med værdifuld photonics-teknologi (Rockley havde udviklet avancerede modulatorer og integreret optik til wearables) bliver opkøbt af virksomheder, der retter sig mod datacenter- og AI-markederne. Vi så også, at HyperLight og Lightium, to startups specialiseret i tyndfilm lithium niobat photonic chips, tiltrak en samlet investering på $44 millioner i 2023 optics.org, hvilket understreger interessen for nye materialer til at forbedre silicon photonics (TFLN-modulatorer kan tilbyde hurtigere hastigheder og lavt tab). Overordnet set er VC-finansiering og virksomhedsstøtte til silicon photonics-virksomheder på et rekordhøjt niveau, hvilket afspejler en erkendelse af, at optisk teknologi er afgørende for fremtidens halvledere.
Teknologimodning og økosystemvækst: En anden tendens er modningen af siliciumfotonik-økosystemet. Flere foundries og leverandører er nu med i spillet. Tidligere var det kun få aktører (som Intel eller Luxtera), der havde end-to-end kapaciteter. Nu tilbyder store halvleder-foundries som GlobalFoundries, TSMC og endda STMicroelectronics siliciumfotonik-proceslinjer eller standardiserede fotoniske PDK’er (Process Design Kits) til kunder ansys.com. Denne standardisering betyder, at startups eller mindre virksomheder kan designe fotoniske kredsløb og få dem fremstillet uden at bygge deres egen fabrik – analogt med, hvordan fabless elektronikchip-virksomheder opererer. Der er regelmæssige multi-projekt wafer (MPW) shuttles for fotoniske chips, hvor flere design deler et wafer-run, hvilket drastisk reducerer prototypeomkostningerne. Branchegrupper arbejder på standardiserede pakkeløsninger (optiske I/O-grænseflader, fiberfastgørelsesmetoder), så fotoniske chips lettere kan integreres i produkter. Oprettelsen af American Institute for Manufacturing Integrated Photonics (AIM Photonics) har været et stort løft: dette offentligt-private konsortium oprettede en siliciumfotonik-foundry og pakkelinje i New York og blev for nylig tildelt et $321 millioner, 7-årigt program (frem til 2028) for at fremme produktion af integreret fotonik i USA. nsf.gov. Tilsvarende tilbyder forskningsinstitutter i Europa som IMEC i Belgien og CEA-Leti i Frankrig siliciumfotonik-platforme og har skabt et klynge af fotonik-startups. I Kina er siliciumfotonik også i vækst, hvor virksomheder som InnoLight og Huawei investerer i indenlandske fotoniske chip-kapaciteter optics.org optics.org. Alle disse udviklinger indikerer, at siliciumfotonik ikke længere er en eksperimentel teknologi – det er ved at blive en standarddel af halvleder-værktøjskassen.
Højere hastigheder og nye materialer: Teknologisk ser vi hurtige fremskridt i at øge ydeevnen for silicium-fotoniske enheder. 800G optiske transceivere er nu under prøvetagning, 1,6 Tb/s moduler er blevet demonstreret optics.org, og 3,2 Tb/s pluggable moduler forventes inden 2026 optics.org. For at opnå disse hastigheder benytter ingeniører alt fra 16-kanals bølgelængdemultipleksing til avancerede modulationsformater – i bund og grund udnytter de det optiske domæne til at pakke flere bits. På enhedsniveau bliver nye materialer integreret i silicium-fotonik for at overvinde siliciums begrænsninger. Et godt eksempel er thin-film lithium niobate (TFLN) på silicium, som giver meget hurtige Pockels-effekt modulatorer med lavt tab. Dette kan muliggøre modulatorer, der håndterer 100+ GHz modulationsbåndbredder, velegnet til fremtidige 1,6T og 3,2T forbindelser eller endda til kvanteapplikationer optics.org. Startups som HyperLight kommercialiserer disse hybride LiNbO3/Si-chips. Andre materialer i F&U omfatter bariumtitanat (BTO) elektro-optiske modulatorer og sjældne jordartsdopede materialer til on-chip lasere/forstærkere optics.org. Der arbejdes også fortsat på at integrere III-V halvledere (InP, GaAs) på silicium for bedre lasere og optiske forstærkere – for eksempel er kvantepriklasere, der er direkte dyrket på silicium, nået langt og har løst pålidelighedsproblemer, der plagede tidligere forsøg nature.com nature.com. Kort sagt udvides materialepaletten for silicium-fotonik, hvilket vil give højere ydeevne og ny funktionalitet. Vi ser endda silicium-fotonik-baserede mikrokamme (optiske frekvenskamkilder) blive brugt til applikationer som ultrahurtig datatransmission og præcis spektroskopi, noget der ville have lydt usandsynligt for ti år siden.
Fremvoksende applikationer & produkter: Ud over de centrale anvendelser dukker der nogle nye brugsscenarier op i 2025. Et eksempel er optisk computing til AI (omtalt tidligere), som bevæger sig fra forskningsdemonstrationer til tidlige produkter – for eksempel har Lightelligence lanceret hardware til fotonisk computing, der accelererer AI-inferens. Et andet eksempel er chip-til-chip optiske forbindelser i avanceret pakning: efterhånden som virksomheder udforsker multichip-moduler og chiplets, kan optiske forbindelser forbinde disse chiplets med høj hastighed på tværs af en pakke eller en interposer. Standarder som UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express) overvejer endda optiske PHY-udvidelser. Vi ser også interesse fra regeringen: DARPA og andre agenturer har programmer, der skal bruge fotoniske forbindelser i forsvarssystemer (til avanceret databehandling og RF-signal-routing). Og på forbrugermarkedet spekuleres der i, at optisk I/O kan dukke op i forbrugerenheder inden for få år – for eksempel et AR/VR-headset, der bruger en siliciumfotonik-chip til højhastigheds sensorforbindelser, eller et optisk Thunderbolt-kabel til AR-briller. Selvom det ikke er her endnu, er disse idéer på tegnebrættet.

Sammenfattende står 2025 som et vendepunkt for siliciumfotonik: betydelige kommercielle produkter rulles ud (især inden for netværk), enorme investeringer strømmer ind, og økosystemet modnes. Det bliver stadig tydeligere, at optik vil spille en grundlæggende rolle i fremtidens computing og konnektivitet. Som en branchekommentator udtrykte det, forventer mange, at optisk I/O i anden halvdel af dette årti vil gå fra pilotlinjer til mainstream-produktion – “2025-generationen af compute engines har måske ikke siliciumfotonik, men 2026-generationen kunne have det, og 2027-generationen vil næsten helt sikkert have det”, fordi vi i sidste ende ikke har noget valg – “kobberets tid er forbi.” nextplatform.com

Udfordringer og begrænsninger

På trods af al begejstringen står siliciumfotonik over for flere udfordringer og begrænsninger, som forskere og ingeniører aktivt arbejder på at overvinde. Det er en transformerende teknologi, men ikke en mirakelkur – i hvert fald ikke endnu. Her er de vigtigste forhindringer:

Integration af lyskilder: Måske den mest berygtede begrænsning er, at silicium ikke er god til at generere lys. Silicium har et indirekte båndgab, hvilket betyder, at det ikke kan fungere som en laser eller effektiv LED. Som fotonik-pioneren John Bowers bramfrit udtrykker det, “Silicium er utroligt dårligt som lys-emitter.” nature.com Dets interne effektivitet er tæt på nul – omkring én ud af en million elektroner i silicium vil producere et foton – hvorimod III-V halvledere som indiumphosphid eller galliumarsenid kan udsende lys med næsten 100% effektivitet nature.com. Det betyder, at for at have lasere på en silicium-fotonikchip, skal man typisk introducere andre materialer. Dette kan gøres ved hybridintegration (sammenføjning af et stykke InP-wafer med laserdiode på siliciumwaferen) eller nyere teknikker som direkte vækst af nanostrukturerede III-V-lasere på silicium. Fremskridt på dette område har været lovende: virksomheder og laboratorier (Intel, UCSB m.fl.) har demonstreret hybridintegrerede lasere i stor skala, og for nylig endda kvanteprik-lasere dyrket på 300 mm siliciumwafer med god pålidelighed nature.com nature.com. Alligevel tilføjer integration af lasere kompleksitet og omkostninger. Hvis laseren er off-chip (i et separat lasermodul koblet via fiber), står du over for udfordringen med effektivt at koble det lys ind i de små on-chip bølgeleder. Kort sagt, at få lys ind på chippen er en ikke-triviel opgave. Branchen undersøger løsninger som heterogen integration (flere materialer på én chip) og endda nye tilgange som elektrisk pumpede germanium-silicium-lasere eller Raman-lasere på silicium, men disse er stadig under udvikling. Fra 2025 bruger de fleste siliciumfotoniksystemer enten hybridlasere eller eksterne lasere, der kobles ind. Dette er et centralt område for igangværende forskning.
Fremstilling og udbytte: Silicium-fotoniske kredsløb kan fremstilles i eksisterende fabrikker, men de har andre krav end elektroniske chips. For det første kræver optik meget præcis kontrol af dimensioner – variationer på blot få nanometer i bølgelederens bredde eller afstand kan ændre resonatorers bølgelængde eller lysets fase. At opnå højt udbytte (dvs. ensartet ydeevne på tværs af mange chips) er udfordrende. Desuden kan integration af flere materialetyper (silicium, silicium-nitrid, III-V’er, metaller) i én proces introducere kompleksitet. Kobling af fibre til chippen er også en udfordring for udbytte og produktion; justering af små optiske fibre til bølgelederfacetter i mikrometer-skala involverer ofte dyr aktiv justering. Nogle af disse trin er stadig delvist manuelle i produktionen, hvilket ikke skalerer godt. Der arbejdes meget på at forbedre pakkeringsmetoder, såsom brug af standardiserede fiber-tilslutningsenheder eller indbygning af gitterkoblere, der gør det lettere for fibre at koble lys ind ovenfra chippen. Pakningen af kombinerede elektroniske + fotoniske chips er også vanskelig – for eksempel, hvis du har en fotonisk die og en elektronisk ASIC i samme pakke, skal du justere dem og også håndtere varme (da varme elektroniske komponenter kan forstyrre fotonikken). Ansys bemærker, at hvis elektronik og fotonik deler en chip, skal fremgangsmåden i produktionen balancere behovene for hver del, og hvis de er separate chips, kræves avanceret pakning – “varmeudvikling i elektronikken kan påvirke fotonikken.” ansys.com Termisk tuning er et andet problem: mange silicium-fotoniske filtre og modulatorer er afhængige af termiske effekter, så temperaturændringer kan afstemme kredsløb, hvilket kræver strøm for at stabilisere. Alt dette komplicerer produktionen og øger omkostningerne.
Omkostninger og volumen: Når vi taler om omkostninger – selvom silikonefotonik lover lave omkostninger ved at udnytte højt-volumen silikonefabrikker, er realiteten i dag, at disse enheder stadig er relativt nicheprægede og dyre. Branchen sender millioner af enheder ud (som transceivere i datacentre), men for virkelig at få omkostningerne ned, skal der sandsynligvis sendes milliarder af enheder årligt ansys.com. Med andre ord har det endnu ikke nået skalaen for masseproduceret elektronik. Enhederne kræver ofte også specialiseret indpakning (som nævnt) og testning, hvilket øger omkostningerne. En nuværende silikonefotonisk transceiver til datacentre kan koste hundreder eller tusinder af dollars, hvilket er acceptabelt for det marked, men for højt for forbrugermarkeder. Økonomien er en smule usikker i meget stor skala – som en rapport påpegede, bekymrer store cloud-kunder sig om pålideligheden og omkostningsstrukturen, hvis de skulle tage silikonefotonik i bred anvendelse, da teknologien endnu ikke har ramt den produktionsmæssige læringskurve for mainstream-silikone nextplatform.com. Dog forbedres omkostningerne støt, og tiltag som foundry-standard PDK’er og automatisering hjælper. I løbet af de næste par år, efterhånden som volumen stiger (drevet af AI og datacentre), bør vi se omkostningerne falde, hvilket igen vil åbne flere markeder (det er en positiv spiral, når den først starter). Alligevel kan i 2025 omkostningen pr. enhed være en begrænsende faktor for at tage silikonefotonik i brug i prisfølsomme applikationer.
Strømforbrug og effektivitet: Selvom silikonefotonik kan reducere strømforbruget til datatransmission ved meget høje hastigheder, bruger enhederne stadig strøm – f.eks. bruger modulatorer ofte termisk tuning eller PN-overgange, der trækker strøm, og lasere bruger selvfølgelig også strøm. Der er et overhead ved at konvertere elektroniske signaler til optiske og tilbage igen. For virkelig at spare strøm på systemniveau, skal disse overheads være mindre end besparelserne ved at droppe lange elektriske forbindelser. Dagens silikonefotoniske transceivere er ret energieffektive (på niveau med få picojoule pr. bit for den optiske konvertering), men der arbejdes på at komme endnu lavere, især hvis optisk I/O bruges på chip eller i memory-busser, hvor effektiviteten skal være meget høj. En lovende tilgang er at bruge elektro-optiske materialer (som LiNbO3 eller BTO), der kan modulere lys med meget lav spænding (og dermed lavere strømforbrug) i stedet for termisk tuning. Desuden kan integration af mere effektive lyskilder (som kvanteprik-lasere) reducere laserens energispild (nuværende distributed feedback-lasere spilder ofte meget energi som varme). Så selvom silikonefotonik løser interconnect-strømproblemet på makroskala, optimerer ingeniører stadig strømforbruget enhed for enhed på mikroskala. Den gode nyhed: selv med nuværende teknologi kan co-packaged optik reducere det samlede interconnect-strømforbrug med ~30% sammenlignet med traditionelle pluggables laserfocusworld.com, og fremtidige forbedringer vil sandsynligvis øge disse gevinster.
Design og designværktøjer: Dette er en mindre åbenlys udfordring, men en vigtig én: design af fotoniske kredsløb er en ny kompetence, og EDA (Electronic Design Automation) værktøjerne til fotonik er ikke så modne som dem til elektronik. Simulering af optiske kredsløb, især store med mange komponenter, kan være komplekst. Variabilitet i fremstillingen skal tages højde for i designet (du kan få brug for termiske tunere til at korrigere for små fejl). Der er behov for bedre designværktøjer, der kan co-optimere elektroniske og fotoniske kredsløbsdele, ofte kaldet EPDA (Electronic Photonic Design Automation). Økosystemet er ved at indhente – virksomheder som Synopsys, Cadence og Lumerical (Ansys) har værktøjer til fotonisk design – men det er stadig et område under udvikling. Et relateret problem er mangel på standarder på nogle områder: selvom mange foundries tilbyder PDK’er, kan de hver især have forskellige komponentbiblioteker og parametre. Dette kan gøre design mindre portabelt end elektroniske design. Branchen bevæger sig mod fælles standarder (for eksempel layout-udvekslingsformat for fotoniske kredsløb eller standardiserede komponentmodeller), men der er brug for mere arbejde for at strømline designflowet. Opbygning af en robust talentmasse er også afgørende: der er brug for ingeniører, der forstår både RF/mikrobølge analogt design og optisk fysik, og de er i underskud (selvom mange universiteter nu uddanner kandidater i dette tværfaglige felt).
Ydelsesbegrænsninger: Selvom silikonefotonik dramatisk forbedrer visse parametre, har det sine egne fysiske begrænsninger. Optisk tab i bølgeledere, selvom det er lavt (~dB/cm), akkumuleres i store kredsløb, og skarpe bøjninger eller små strukturer kan øge tabet. Der er også fiber-til-chip koblingstab, der skal minimeres. Termisk følsomhed af silicium (brydningsindeks ændres med temperatur) betyder, at mange silikonefotoniske kredsløb kræver stabilisering eller kalibrering. Båndbreddebegrænsninger kan opstå i modulatorer eller detektorer – for eksempel har silicium-ringmodulatorer begrænset båndbredde og kan være følsomme over for temperatur, mens Mach-Zehnder-modulatorer kræver omhyggelig konstruktion for at opnå meget høj hastighed uden forvrængning. Kromatisk dispersion i bølgeledere kan begrænse meget brede bølgelængdeapplikationer (dog normalt ikke et problem over de korte afstande på chippen). Et andet subtilt punkt: elektronisk-fotonisk integration betyder, at man ofte skal co-designe elektronikken (som driverforstærkere, TIA’er til detektorer) med fotonikken. Grænsefladen mellem dem kan begrænse den samlede ydelse (f.eks. hvis en modulator kræver et bestemt spændingssving, skal du have en driver, der kan levere det hurtigt). Så systemingeniørarbejdet er komplekst. Desuden er det ikke alle applikationer, der retfærdiggør fotonik – for meget korte, lavhastighedsforbindelser kan elektriske løsninger stadig være billigere og enklere. Så det at vide, hvor man skal anvende silikonefotonik for maksimal fordel, er i sig selv en overvejelse.

Sammenfattende, selvom ingen af disse udfordringer er showstoppere, betyder de tilsammen, at siliciumfotonik stadig har noget udvikling foran sig. Mange af de skarpeste hjerner inden for fotonik og elektronik arbejder aktivt på at løse disse problemer: integrere bedre lasere, forbedre pakning, skalere produktion og udvide designmulighederne. Fremskridtene, selv i de seneste par år, er opmuntrende. Som professor Bowers bemærkede, bliver udfordringer som integration af III-V-lasere i CMOS, forbedring af udbytte og fiberfastgørelse samt lavere omkostninger alle adresseret med “fremskridt… meget hurtigt.” nature.com Hvert år bringer forbedringer, og kløften mellem laboratorieprototyper og masseproduktion bliver lidt smallere. Det er værd at huske, at elektroniske IC’er havde årtier med intensiv indsats for at nå dagens skala – siliciumfotonik er til sammenligning i en meget tidligere fase af sin rejse, men den indhenter hurtigt.

Førende virksomheder og institutioner på området

Siliciumfotonik er blevet en global indsats, hvor mange virksomheder (fra startups til teknologigiganter) og forskningsinstitutioner driver feltet fremad. Ifølge markedsundersøgelser omfatter de største aktører på siliciumfotonikmarkedet (pr. 2025) industrigiganter som Cisco, Intel og IBM, sammen med specialister som NeoPhotonics (Lumentum), Hamamatsu Photonics og STMicroelectronics expertmarketresearch.com. Her er et overblik over nogle af de vigtigste bidragydere:

Intel Corporation (USA): En pioner inden for siliciumfotonik, Intel investerede tidligt og massivt i teknologien. De introducerede en af de første 100G siliciumfotonik-transceivere i 2016 og har siden leveret millioner af enheder optics.org. Intel bruger siliciumfotonik i højhastigheds optiske transceivere og arbejder på at bringe det ind i fremtidige server-CPU’er og edge-applikationer. Virksomhedens vision er at “enable future data center bandwidth growth” med fotonik, skalere fra 100G til 400G og videre, samt at integrere optik med processorer til applikationer som 5G og autonome køretøjer expertmarketresearch.com, tanaka-preciousmetals.com. Intels Silicon Photonics-division har for nylig indgået partnerskab med Jabil om produktion, hvilket indikerer en modning mod produktion i stor skala optics.org. Intel forsker også i co-packaged optik til switches og har andele i adskillige fotonik-startups (som Ayar Labs).
Cisco Systems (USA): Cisco, en netværksgigant, gik ind i siliciumfotonik gennem opkøb (f.eks. opkøbet af Luxtera i 2019) og er nu en førende leverandør af silicon photonic optical transceivers til datacentre og telekommunikation. Cisco bruger sin fotonikteknologi i produkter, der spænder fra 100G/400G pluggable moduler til fremtidige co-packaged optiske switches. Ciscos løsninger drager fordel af in-house design af fotoniske IC’er, der opnår høj tæthed og energieffektivitet. Ved at udnytte siliciumfotonik tilbyder Cisco kunderne højhastighedsforbindelser med mindre formfaktor. I 2025 er Cisco en af markedets ledere, der leverer siliciumfotonik i stor skala expertmarketresearch.com.
IBM Corporation (USA): IBM har en lang historie inden for forskning i optiske forbindelser. Deres Silicon Photonics-team, med over et årtis F&U, har udviklet højhastigheds optisk link-teknologi rettet mod board-niveau og processor-niveau forbindelser expertmarketresearch.com. IBMs forskning har ført til fremskridt inden for silicium microring-modulatorer, bølgelængdemultipleksing og pakning. Selvom IBM ikke sælger transceivere som Intel eller Cisco, samarbejder de ofte om prototyper (for eksempel viste IBM og Mellanox en optisk forbindelse til servere i 2015). IBMs fokus er at bruge fotonik til at løse computerflaskehalse (f.eks. bruger POWER10-processoren fotoniske forbindelser til off-chip signalering via partnerskaber). IBM bidrager også til standarder og åben forskning; deres arbejde optræder ofte på konferencer som OFC og CLEO.
NeoPhotonics/Lumentum (USA): NeoPhotonics (nu en del af Lumentum siden 2022) specialiserer sig i lasere og fotoniske komponenter til telekommunikation og datacentre. De har udviklet ultra-ren lys tunbare lasere og højhastighedsmodulatorer. Bemærkelsesværdigt har NeoPhotonics introduceret siliciumfotoniske kohærente optiske subenheder (COSA’er) til 400G pr. bølgelængde kommunikation og forskede i 800G og derover expertmarketresearch.com. Som en del af Lumentum (en stor aktør i den optiske industri) bidrager denne ekspertise til næste generations kohærente transceivere og pluggables til telekommunikation. Lumentums ejerskab betyder, at disse siliciumfotonikprodukter kan integreres med Lumentums eksisterende fotonikportefølje (f.eks. deres indiumphosphid-modulatorer og forstærkere).
Hamamatsu Photonics (Japan): En førende producent af optoelektroniske komponenter, Hamamatsu fremstiller et bredt udvalg af fotoniske enheder (fotodioder, fotomultiplikatorer, billedsensorer osv.). Hamamatsu har taget siliciumprocesser i brug til at producere ting som silicium-fotodioder og siliciumbaserede optiske sensorer expertmarketresearch.com. Selvom de ikke er så fokuserede på højhastighedstransceivere, er Hamamatsus arbejde med siliciumfotonik afgørende inden for sensorer og videnskabelige instrumenter. De leverer silicium PIN-fotodioder, APD’er og optiske sensorchips, som er grundlæggende for optiske kommunikationsmodtagere og LiDAR-detektorer. Deres ekspertise inden for lavstøjs, højfølsom fotonik supplerer den digitale kommunikationsside af siliciumfotonik.
STMicroelectronics (Schweiz/Europa): STMicro er en stor halvlederproducent, der har udviklet sin egen siliciumfotonik-kapacitet. STMicros fokus har været på integrerede billed- og sensorløsninger – for eksempel har de produceret siliciumfotonik-chips til fiberoptiske gyroskoper og arbejdet med optiske interconnect-FoU i europæiske konsortier. STMicros avancerede fabrikker og MEMS-evner positionerer dem godt til siliciumfotonik, der kræver integration med andre sensorer eller elektronik expertmarketresearch.com. Lande som Frankrig og Italien (hvor ST har store aktiviteter) støtter fotonik gennem initiativer, og ST er ofte partner i disse. De rygtes også at levere nogle siliciumfotoniske komponenter til industrielle og automotive systemer.
GlobalFoundries (USA) og TSMC (Taiwan): Disse kontraktchipproducenter har hver især etableret tilbud inden for siliciumfotonik. GlobalFoundries har en velkendt 45 nm siliciumfotonik-proces (GF 45CLO) og har samarbejdet med startups som Ayar Labs om at fremstille optiske I/O-chips. TSMC har været mere hemmelighedsfuld, men arbejder angiveligt med store teknologivirksomheder om at bygge fotonisk integrerede chips (for eksempel antyder nogle Apple-rygter TSMC’s involvering i fotoniske sensorer). Begge er afgørende for at skalere produktionen – at have store foundries med betyder, at enhver fabless virksomhed lettere kan få prototyper og volumenproduktion af fotoniske chips. Faktisk er involveringen af foundries som disse et stærkt tegn på, at siliciumfotonik er ved at blive mainstream.
Infinera (USA) og Coherent/II-VI (USA): Infinera er en telekommunikationsudstyrsproducent, der tidligt satsede på fotoniske integrerede kredsløb (dog på indiumphosphid). De har siden tilpasset sig til også at bruge silikonefotonik i nogle produkter eller til co-packaging med deres InP PICs. Coherent (som opkøbte Finisar og senere tog navnet Coherent) er dybt involveret i optiske komponenter; de har deres egne InP-fabrikker, men udvikler også silikonefotoniske transceivere til datacentre optics.org. Disse virksomheder bringer et telekom-fokus på pålidelighed og ydeevne, hvilket driver silikonefotonik til at opfylde carrier-klasse krav (f.eks. 400ZR-moduler til koherente forbindelser over afstand).
Ayar Labs, Lightmatter og startups: En bølge af innovative startups driver silikonefotonik ind i nye områder. Vi har diskuteret Ayar Labs (optisk I/O til AI/HPC) og Lightmatter (optisk computing). Andre inkluderer Lightelligence (endnu en optisk AI-chip startup), Luminous Computing (integrerer fotonik og elektronik til AI), Celestial AI (optisk netværk til compute-klynger), OpenLight (et joint venture, der tilbyder en åben fotonisk platform med integrerede lasere), og Rockley Photonics (fokuseret på sundhedssensorer, nu for det meste opkøbt af Celestial). Disse startups er bemærkelsesværdige for deres ambitiøse tilgange – f.eks. Lightmatters 3D-integrerede fotoniske tensor core eller Luminous’ forsøg på at bygge en fuld-stack fotonisk computer. De samarbejder ofte med store virksomheder (for eksempel indgik HPE partnerskab med Ayar Labs for at bruge optiske forbindelser i et supercomputer-interconnect-stof nextplatform.com). Startup-miljøet er levende, og deres tilstedeværelse har fået de etablerede aktører til at rykke hurtigere. En brancheobservatør bemærkede, at sammen med Ayar har virksomheder som Lightmatter og Celestial AI “alle en chance for at gøre fremskridt, efterhånden som silikonefotonik bygger bro mellem compute-motorer og forbindelser.” nextplatform.com
Akademiske og forskningsinstitutioner: På institutionssiden spiller topuniversiteter og nationale laboratorier en afgørende rolle i udviklingen af silikonefotonik. University of California, Santa Barbara (UCSB) under professor John Bowers har været en drivkraft og banebrydende inden for hybride silikone-lasere og kvanteprik-lasere på silikone. MIT, Stanford, Columbia (med professor Michal Lipsons gruppe) og Caltech er andre amerikanske centre for forskning i silikonefotonik, hvor der arbejdes med alt fra ny modulatorfysik til fotoniske computerarkitekturer. I Europa driver IMEC i Belgien et fremtrædende silikonefotonikprogram og en multi-projekt wafer-service (iSiPP), og University of Southampton, TU Eindhoven, EPFL og andre har stærke forskningsgrupper. AIM Photonics-instituttet i USA (omtalt ovenfor) samler mange af disse universiteter og virksomheder til samarbejde og tilbyder en national foundry-kapacitet. Statsejede laboratorier som MIT Lincoln Lab og IMEC har endda demonstreret avanceret integreret fotonik til forsvarsformål (f.eks. optiske phased arrays til LiDAR). Desuden muliggør internationale samarbejder og konferencer (såsom Optical Fiber Conference, ISSCC, IEEE Photonics Society-møder) at disse institutioner kan dele gennembrud. Feltet nyder godt af en sund akademi-industri pipeline: mange startup-stiftere og industriledere er uddannet i disse forskningslaboratorier, og den igangværende akademiske forskning fortsætter med at flytte grænserne (for eksempel ny materialeintegration eller kvantefotonik som nævnt).

Alle disse aktører – store teknologivirksomheder, specialiserede komponentproducenter, ambitiøse startups og banebrydende forskningslaboratorier – udgør et rigt økosystem, der i fællesskab driver silikonefotonik fremad. Konkurrencen og samarbejdet mellem dem accelererer innovationen. Bemærkelsesværdigt spiller selv geopolitik en rolle: der er bevidsthed om et kapløb mellem USA, Europa og Kina om, hvem der skal lede inden for fotoniske teknologier csis.org, givet dens strategiske betydning for kommunikation og databehandling. Dette har ført til øgede offentlige investeringer (f.eks. EU’s PhotonHub og Kinas nationale fotonik-initiativer). For den generelle teknologientusiast er konklusionen, at mange kloge mennesker og betydelige ressourcer globalt investeres i at få fremtidens chips til at kommunikere med lys.

Ekspertindsigter og citater

Gennem silikonefotonikkens fremmarch har eksperter på området givet perspektiver, der hjælper med at sætte dens indflydelse i kontekst. Her er nogle bemærkelsesværdige indsigter:

Om paradigmeskiftet inden for siliciumfotonik: “Jeg har ofte beskrevet siliciumfotonik som mere end en inkrementel forbedring — det er et paradigmeskift,” siger René Jonker, en leder hos Soitec, og understreger, at i modsætning til kobberforbindelser, der når deres grænser, giver optiske forbindelser en bæredygtig måde at håndtere stigende datakrav på. Selvom der stadig er udfordringer med at reducere omkostninger og skalere produktionen, gør fordelene – “højere båndbredde, reduceret latenstid og lavere strømforbrug” – siliciumfotonik til “en uundværlig del af vores fremtidige infrastruktur.” laserfocusworld.com
Om datacenteres strømforbrug og optik: En kommentar i Laser Focus World fra 2025 fremhævede, hvor presserende det er i datacentre: Ved udgangen af årtiet kan datacentre forbruge 8% af USA’s elektricitet, hvis udviklingen fortsætter, hvilket er “utilfredsstillende med de nuværende elektriske forbindelser.” Forfatteren konkluderede, at “optiske forbindelser, muliggjort af siliciumfotonik, er den eneste skalerbare vej frem.” laserfocusworld.com Med andre ord, for at undgå en energi- og båndbreddekrise er overgangen til optiske forbindelser ikke bare en mulighed – det er nødvendigt.
Om integrationsudfordringer: Professor John Bowers (UCSB), en kapacitet inden for fotonik, kommenterede på den største udfordring: “Den største udfordring er integrationen af III–V-materialer i silicium-CMOS… Der er stadig problemer med høje udbytter, høj pålidelighed, omkostningsreduktion og fiberforbindelse. Pakningen af elektronik og fotonik sammen er en udfordring… Men fremskridtene er meget hurtige.” nature.com Dette understreger, at selvom det er svært at integrere lasere (III–V-materialer) og opnå perfekte udbytter, gør brancheledere som Intel støt fremskridt, og løsninger er på vej.
Om lysudsendelse i silicium: I det samme interview gav Bowers en farverig forklaring på, hvorfor lasere behøver noget andet end silicium: “Silicium er utroligt dårligt som lysudsender. Dets interne kvanteeffektivitet er omkring én ud af en million, mens en direkte båndgab III–V’s effektivitet i det væsentlige er 100%. Jeg vidste fra starten, at vi har brug for en direkte båndgab-halvleder…” nature.com. Denne ærlige vurdering forklarer, hvorfor hans team tidligt satsede på hybride lasere (sammenbinding af InP til Si) – en tilgang, der gav pote med Intels hybride siliciumlaser i 2007 og fremover.
Om at nå serveren med optik: Intels Sr. Director of Photonics, Robert Blum, illustrerede, hvordan optik langsomt bevæger sig indad i datacentre: “Når du går ind i et datacenter i dag, vil du se 100 Gb/s kobberkabler… fint til fire meter. Men alt uden for racket bruger allerede optik. Når vi øger til 200 eller 400 Gb/s, bliver rækkevidden for kobber meget kortere, og vi begynder at se denne tendens, hvor optik går hele vejen til serveren.” tanaka-preciousmetals.com Dette citat indfanger levende den igangværende overgang – optik erstatter støt kobber fra netværkets kerne og ud mod kanterne.
Om markedsvækst og AI: “Fremkomsten af AI har skabt en hidtil uset efterspørgsel efter højtydende transceivere… Siliciumfotonik og PIC’er er i spidsen for denne revolution,” bemærker Sam Dale, teknologianalytiker hos IDTechX, og fremhæver siliciumfotoniks evne til at levere “hastigheder på 1,6 Tbps og derover.” optics.org Hans rapport forudsiger, at markedet for fotoniske integrerede kredsløb kan vokse næsten ti gange frem mod 2035 (til $54 milliarder), drevet i høj grad af AI-datacenterbehov optics.org.
Om fremtidens computing: Analytikere fra The Next Platform forudser, at optisk I/O meget snart vil finde vej ind i HPC-systemer. De bemærker, at vi sandsynligvis vil se mainstream CPU’er/GPU’er med optiske interfaces omkring 2026–2027, fordi “på kort sigt har vi intet valg.” Med deres farverige formulering: “Kobbers tid er forbi.” nextplatform.com Dette indkapsler en udbredt holdning i branchen: Elektriske forbindelser er ikke nok til næste æra af computing, og fotonik må tage over for at undgå at ramme en mur.

Disse indsigter fra eksperter understreger både løfterne og udfordringerne ved siliciumfotonik. Der er et gennemgående tema: Siliciumfotonik er transformerende – muliggør et nødvendigt spring i ydeevne – men det medfører alvorlige teknologiske udfordringer, som hurtigt bliver adresseret. Eksperterne fremhæver en blanding af optimisme (paradigmeskiftet, uundværlig fremtid) og realisme (integrationsproblemer, omkostnings- og skaleringsbekymringer). Deres perspektiver hjælper et bredt publikum med at forstå hvorfor så mange virksomheder og forskere er begejstrede for siliciumfotonik, og også hvorfor det har taget et par årtier at få denne teknologi i gang. At høre det fra dem på frontlinjen – hvad enten det er en erfaren forsker eller en produktchef – giver kontekst til, at dette er et felt, hvor fysik, ingeniørkunst og markedskræfter mødes på fascinerende måder.

Seneste nyheder og milepæle

Siliciumfotonik-landskabet er meget dynamisk. Her er nogle nylige nyhedshøjdepunkter og milepæle (fra det seneste år eller deromkring), der illustrerer feltets hurtige fremskridt:

Celestial AI opkøber Rockley Photonics IP (okt. 2024): Celestial AI, en startup der udvikler Photonic Fabric™ optiske forbindelser til AI, annoncerede at de har opkøbt Rockley Photonics’ portefølje af silicium-fotonik-patenter for 20 millioner dollars datacenterdynamics.com. Rockley havde udviklet avancerede silicium-fotonik-sensorer og havde skiftet fokus til sundheds-wearables, før de stod over for konkurs. Denne aftale gav Celestial AI over 200 patenter, inklusive teknologi til elektro-optiske modulatorer og optisk switching, som er nyttige i datacenter-applikationer datacenterdynamics.com. Det er en markant konsolidering, der viser hvor værdifuld fotonik-IP er blevet i AI/datacenter-branchen. Rockleys innovationer (som bredbånds-lasere til sensing) kan få nyt liv integreret i Celestials optiske forbindelsesløsninger.
Større finansiering til startups – Ayar Labs & Lightmatter (slutningen af 2024): To amerikanske startups fik store investeringsrunder. Ayar Labs lukkede en Series D på 155 millioner dollars i december 2024, med deltagelse fra ledende virksomheder i halvlederindustrien (Nvidia, Intel, AMD deltog sammen med venturekapitalfonde) nextplatform.com. Denne runde løftede Ayars værdiansættelse over 1 milliard dollars, hvilket signalerer tillid til deres in-package optiske I/O-teknologi, der sigter mod at erstatte elektrisk I/O i fremtidige processorer. Få uger forinden havde Lightmatter rejst 400 millioner dollars i Series D (okt. 2024), hvilket fordoblede deres samlede finansiering og værdisatte dem til 4,4 milliarder dollars nextplatform.com. Lightmatter har udviklet fotoniske computerchips og optisk interposer-teknologi til AI-acceleration. Så store investeringer er bemærkelsesværdige – de viser, at investorer (og strategiske partnere) tror på, at disse startups kan løse kritiske problemer i AI og computing med optisk teknologi. Det betyder også, at vi kan forvente, at disse virksomheder går fra prototyper til produkter; faktisk har Lightmatter allerede implementeret testsystemer, og Ayars optiske chiplets er planlagt til pilotbrug i HPC-systemer.
Intel outsourcerer transceivere til Jabil (slutningen af 2023): I et interessant twist besluttede Intel i slutningen af 2023 at overføre sin højt-volumen silikone fotoniske transceiver-forretning til Jabil, en produktionspartner optics.org. Intel havde sendt over 8 millioner fotoniske transceiver-chips siden 2016 optics.org – disse bruges til 100G/200G forbindelser i datacentre. Ved at overlade produktionen til Jabil (en kontraktproducent), signalerede Intel et strategisk skifte: de vil fokusere på at integrere fotonik med deres kerneplatforme (som co-packaged optics og on-processor photonics), mens en partner håndterer det kommoditiserede transceivermarked. Dette træk afspejler også en modning af industrien – det, der var banebrydende teknologi for få år siden (100G pluggables), er nu rutine nok til at blive outsourcet. Jabil, på sin side, opbygger optisk produktion, som potentielt også kan betjene andre kunder. Samarbejdet mellem Intel og Jabil blev fremhævet som en vigtig industribegivenhed af analytikere optics.org, der bemærkede det som en del af økosystemets udvikling.
InnoLight lancerer 1,6 Tb/s modul (slutningen af 2023): I kapløbet om højere hastigheder annoncerede InnoLight, et kinesisk optisk transceiverfirma, at de havde opnået en 1,6 terabit-per-sekund optisk transceiver-prototype optics.org. Dette involverer sandsynligvis flere bølgelængder (f.eks. 16×100G eller 8×200G kanaler) på en silikone-fotonik platform. At nå 1,6 Tb/s i et enkelt modul et år foran nogle konkurrenter viser Kinas voksende dygtighed inden for silikonefotonik. InnoLights modul kunne bruges til top-of-rack switch uplinks eller til at forbinde AI-systemer. Det antyder også, at 3,2 Tb/s moduler (som f.eks. ville bruge 8 bølgelængder ved 400G hver) ikke er langt væk – faktisk forudsagde IDTechX 3,2 Tb/s moduler inden 2026 optics.org. Dette var en opsigtsvækkende rekord, der understreger den intense globale konkurrence; Coherent (USA) og andre arbejder ligeledes på 1,6T og 3,2T designs optics.org.
PsiQuantums fremskridt med fotonisk kvantechip (2024): På kvantefronten offentliggjorde PsiQuantum (som er hemmelighedsfuld, men kendt for at samarbejde med GlobalFoundries) en undersøgelse, der skitserer en vej til en tabstolerant fotonisk kvantecomputer, og annoncerede en chip kaldet “Omega” til deres fotoniske kvantearkitektur thequantuminsider.com. Selvom det endnu ikke er et kommercielt produkt, viser dette, at fotonisk kvantecomputing-hardware udvikler sig – med siliciumfotonik som kerne. PsiQuantums tilgang kræver integration af tusindvis af enkeltfotonkilder og detektorer. Nyheden her er validering af produktionsmulighed: en Nature-artikel fra 2022 demonstrerede nøglekomponenter (kilder, filtre, detektorer) på en enkelt siliciumfotonikchip, der kunne opskaleres nature.com. Dette antyder, at de er på rette vej mod en milepæl omkring midten af 2020’erne til begyndelsen af 2030’erne for en prototype af en optisk kvantecomputer med en million qubits (deres langsigtede mål). Sådanne udviklinger, om end nicheprægede, følges nøje, da de kan omdefinere avanceret computation.
Lithiumniobat-fotonikstartups fik finansiering (2023): Som nævnt rejste to startups, der fokuserer på at integrere LiNbO₃ med siliciumfotonik, HyperLight (USA) og Lightium (Schweiz), tilsammen 44 millioner dollars i 2023 optics.org. Finansieringsnyheden var bemærkelsesværdig, fordi den fremhæver en tendens: at tilføje nye materialer til siliciumfotonik for at bryde præstationsbarrierer. Disse virksomheder fremhæver modulatorer, der kan fungere med højere linearitet og over et bredt spektrum af bølgelængder (fra synligt til midt-IR) med meget lavt tab optics.org. Den umiddelbare anvendelse kunne være ultrahurtige modulatorer til kommunikation eller specialenheder til kvante- og RF-fotonik. Det bredere perspektiv er, at investeringsmiljøet også bakker op om materialeinnovation inden for fotonik, ikke kun de mere oplagte transceiver-startups. Det er et tegn på, at selv fremskridt inden for materialevidenskab (som TFLN på isolator) hurtigt kan overføres til startups og produkter i dette felt.
Standarder og konsortiumopdateringer (2024–25): Der har været bevægelser på standardiseringsfronten. Continuous-Wave WDM MSA (et konsortium, der definerer standard lyskildemoduler til co-packaged optik) har leveret de første specifikationer for fælles laserskilder, der kan forsyne flere fotoniske chips. Dette er vigtigt for at sikre multi-leverandør kompatibilitet for co-packaged optik. Desuden har UCIe-konsortiet (for chiplet-interconnect) dannet en optisk arbejdsgruppe for at overveje, hvordan optiske chiplet-forbindelser kan standardiseres. Imens har organisationer som COBO (Consortium for On-Board Optics) og CPO Alliance afholdt topmøder (f.eks. ved OFC 2024), hvor de diskuterer best practices for co-packaged optik ansys.com. Alt dette for at sige, at branchen anerkender behovet for at harmonisere grænseflader og undgå en fragmentering, der kan bremse udbredelsen. Seneste nyt fra IEEE indikerede også fremskridt på 1.6T Ethernet-standarder og relaterede optiske grænsefladestandarder, der forudsætter brugen af siliciumfotoniske teknologier.
Produktlanceringer: På produktsiden ser vi faktisk hardware blive lanceret:
- 800G Pluggable-moduler: Flere leverandører (Intel, Marvell/Inphi m.fl.) begyndte i 2024 at sende prøver af 800G QSFP-DD og OSFP moduler, der bruger siliciumfotonik indeni. Disse forventes at blive implementeret i switches og netværk i 2025.
- CPO Demo Kits: Virksomheder som Ranovus og IBM har demonstreret co-packaged optik udviklingskits – en forløber for kommercielle CPO-produkter. For eksempel blev IBMs forskningsprototype af en co-packaged switch vist i funktion, og Ranovus har et CPO-modul med 8×100G bølgelængder.
- Siliciumfotoniske LiDAR-produkter: Innovusion (Kina) og Voyant Photonics (USA) annoncerede fremskridt i deres siliciumfotoniske LiDAR. Innovusions nyeste LiDAR til køretøjer bruger nogle siliciumfotoniske komponenter for at opnå FMCW til en konkurrencedygtig pris. Voyant, en startup fra Columbia University-forskning, sælger faktisk et lille solid-state LiDAR-modul baseret på siliciumfotonik til brug i droner og robotter.
- Optiske I/O-chiplets: Midt i 2025 planlægger Ayar Labs at have deres TeraPHY optiske I/O-chiplet og SuperNova lyskilde i tidlig kundetest, hvilket leverer et 8 Tbps optisk link til HPC-systemer. Hvis dette holder tidsplanen, kan det blive en af de første implementeringer af optisk I/O i et computersystem (formentlig i et statsligt laboratorium eller en pilot-supercomputer i 2025–26).

Strømmen af nylige nyheder tegner et billede af et felt, der hurtigt udvikler sig på flere fronter: fra gennembrud i hastighed (1.6T optik) til store strategiske skridt (Intel-outsourcing, store finansieringsrunder) og førstegangsimplementeringer (optiske motorer til AI). Det er en spændende tid, fordi disse udviklinger indikerer, at siliciumfotonik er ved at gå fra en lovende teknologi til en kommerciel realitet med voksende indflydelse på produkter og industrier.

For et bredt publikum er hovedbudskabet fra alle disse nyheder, at siliciumfotonik ikke er et fjernt løfte – det sker nu. Virksomheder investerer massivt med penge og ressourcer, der sendes rigtige produkter på markedet, og hvert kvartal bringer nye milepæle, der slår tidligere rekorder. Det er et felt i hurtig udvikling, og selv teknologikyndige læsere kan blive overraskede over, hvor hurtigt ting som “optiske chiplets” eller “1,6 terabit-moduler” er blevet en realitet. Nyhederne understreger også, at dette er et globalt kapløb – med betydelig aktivitet i USA, Europa og Asien – og at det spænder fra dybteknologiske startups til de største chipvirksomheder og netværksudbydere.

Fremtidsudsigter og forudsigelser

Ser vi fremad, ser fremtiden for siliciumfotonik ekstremt lovende ud, med potentiale til at omdefinere computing og kommunikation over det næste årti. Her er nogle forudsigelser og forventninger til, hvad fremtiden bringer:

Udbredt anvendelse i computing: I slutningen af 2020’erne kan vi forvente, at siliciumfotonik bliver en standardfunktion i avancerede computersystemer. Som nævnt bør de første CPU’er, GPU’er eller AI-acceleratorer med integreret optisk I/O dukke op omkring 2026–2027 nextplatform.com. I starten vil disse måske findes i specialiserede markeder (supercomputere, højfrekvente handelssystemer, avancerede AI-klynger), men de vil bane vejen for bredere anvendelse. Når teknologien er bevist og volumen stiger, kan optisk I/O brede sig til mere almindelige servere og enheder i 2030’erne. Forestil dig rackservere, hvor hver CPU har optiske fiberporte direkte på pakken, forbundet til en optisk top-of-rack-switch; dette kan blive almindeligt. Hukommelsesflaskehalsen kan også blive løst med optiske forbindelser – for eksempel ved at forbinde hukommelsesmoduler optisk til processorer for at muliggøre større båndbredde over afstand (nogle forskere taler om “optisk hukommelsesdisaggregering” for store delte hukommelsespuljer). Sammenfattende vil fremtidens datacenter (og dermed fremtidens cloud-tjenester) sandsynligvis blive bygget på et netværk af optiske forbindelser på alle niveauer, muliggjort af siliciumfotonik.
Terabit-netværk til alle: Kapaciteten på netværksforbindelser vil fortsætte med at tage store spring fremad. Vi taler om 1,6 Tb/s, 3,2 Tb/s, endda 6,4 Tb/s optiske transceivere i et enkelt modul i begyndelsen af 2030’erne. Disse hastigheder er svimlende – en 3,2 Tb/s forbindelse kunne overføre en 4K-film på en brøkdel af et millisekund. Selvom disse hastigheder vil blive brugt i datacenter-backbones og telenetværk, gavner de indirekte forbrugerne (hurtigere internet, mere robuste cloud-tjenester). Analytikere forudser, at markedet for fotoniske integrerede kredsløb vil nå over 50 milliarder dollars i 2035, primært drevet af disse transceivere til AI og datacentre optics.org. Vi kan komme til at se, at 800G og 1.6T bliver det nye 100G, hvilket betyder, at de bliver arbejdshestene i netværkene. Og efterhånden som volumen stiger, vil prisen pr. bit falde, hvilket gør højhastighedsforbindelser billigere og mere udbredte. Det er sandsynligt, at selv forbrugerenheder (som f.eks. et VR-headset, der har brug for en meget høj-båndbreddeforbindelse til en pc eller konsol) kan komme til at bruge et optisk USB- eller optisk Thunderbolt-kabel til at overføre adskillige ti- eller hundrede gigabit uden forsinkelse eller tab.
Telekommunikation revolutioneres: Inden for telekommunikation vil siliciumfotonik hjælpe med at realisere fuldt optiske netværk med langt højere effektivitet. Kohærent optisk kommunikation med integreret fotonik vil sandsynligvis skalere til over 1 Tb/s pr. bølgelængde (med avancerede konstellationer og måske integrerede transceiver-DSP’er). Dette kan gøre multi-terabit optiske kanaler økonomiske og reducere antallet af nødvendige lasere/fibre. Siliciumfotonik vil også gøre re-konfigurerbare optiske add-drop-multiplexere (ROADMs) og andet netværksudstyr mere kompakt og energieffektivt, hvilket igen letter udrulningen af højere kapacitets 5G/6G-netværk og bedre fiber-til-hjemmet-infrastruktur. Et specifikt område at holde øje med er integrerede lasere til kabel-tv / fiberadgang: billige tunbare lasere på silicium kan f.eks. gøre det muligt for hvert hjem at have en 100G symmetrisk fiberforbindelse. Ved at integrere optiske funktioner kan teleselskaber forenkle centraler og hovedstationer. Så nettoeffekten vil være endnu hurtigere og mere pålidelige internetforbindelser til potentielt lavere priser, drevet bag kulisserne af siliciumfotonik-chips.
AI-computing og optiske motorer: Inden for AI-området, hvis virksomheder som Lightmatter og Lightelligence får succes, kan vi komme til at opleve de første optiske coprocessorer i datacentre. Disse vil accelerere matrixmultiplikationer eller grafanalyse ved hjælp af lys og potentielt give store spring i ydelse pr. watt. Det er tænkeligt, at nogle datacentre inden for 5 år vil have racks med optiske AI-acceleratorer side om side med GPU’er, der håndterer specialiserede opgaver ekstremt hurtigt (for eksempel ultrahurtig inferens til realtids-tjenester). Selv hvis fuldt optiske computere forbliver noget begrænsede, kan den hybride elektro-optiske tilgang (elektronik til logisk kontrol, fotonik til tung databehandling og multiply-accumulate-operationer) blive en nøglestrategi for at opretholde AI-ydelsesskalering. Ved at reducere varme og strømforbrug kan fotonik hjælpe med at holde AI-træning mulig, efterhånden som modellerne skaleres til billioner af parametre. Kort sagt kan siliciumfotonik være den hemmelige ingrediens, der muliggør den næste 1000× forøgelse af AI-modellens størrelse/træningsdata uden at overbelaste elnettet.
Indvirkning på forbrugerteknologi: Selvom meget af siliciumfotonik i øjeblikket bruges i big iron (datacentre, netværk), vil det til sidst sive ned til forbrugerenheder. En oplagt kandidat er AR/VR-headsets (hvor du skal levere enorme datamængder til små skærme og kameraer – optiske forbindelser kunne hjælpe). En anden er forbruger-LiDAR eller dybdesensorer – fremtidige smartphones eller wearables kunne have små siliciumfotoniske sensorer til sundhedsovervågning (som Rockley Photonics sigtede efter) eller til 3D-scanning af omgivelserne. Intels Mobileye har allerede indikeret, at deres siliciumfotoniske LiDAR vil være i biler, så i slutningen af 2020’erne kan din nye bil have en integreret fotonisk chip, der stille guider dens autonome køresensorer tanaka-preciousmetals.com. Med tiden, efterhånden som omkostningerne falder, kan flere sådanne sensorer dukke op i hverdagsenheder (forestil dig smartwatches, der bruger en siliciumfotonisk sensor til ikke-invasivt at overvåge glukose eller blodanalyser via optisk spektroskopi på dit håndled – virksomheder arbejder faktisk på det koncept). Selv inden for high-end audio/visuelt udstyr kunne optiske chips forbedre kameraer (LiDAR til fokusering eller 3D-kortlægning i fotografering) eller muliggøre holografiske skærme ved at modulere lys i mikroskopisk skala (lidt spekulativt, men ikke umuligt, efterhånden som spatiale lysmodulatorer på silicium bliver bedre). Så om et årti bruger forbrugerne måske ubevidst siliciumfotonik i deres gadgets, ligesom vi i dag bruger MEMS-sensorer overalt uden at tænke over det.
Fotonik i det kvantemæssige område: Hvis vi kigger længere ud i fremtiden, kan kvantefotoniske teknologier modnes. Hvis PsiQuantum eller andre lykkes, kunne vi få en fotonisk kvantecomputer, der overgår klassiske supercomputere til visse opgaver – med måske millioner af sammenfiltrede fotoner behandlet på chip. Det ville være en monumental præstation, måske lige så omvæltende som de første elektroniske computere. Selvom det måske ligger efter 2030, kan fremskridt i mellemtiden føre til kvantesimulatorer eller netværksbaserede kvantekommunikationssystemer ved hjælp af siliciumfotonik. For eksempel kunne sikre kvantekommunikationsforbindelser (QKD-netværk) implementeres i bynetværk ved brug af standardiserede siliciumfotoniske QKD-sendere i datacentre. Der er også potentiale for kvantesensorer på chip (som optiske gyroskoper med kvanteniveau-følsomhed) til brug i navigation eller videnskab.
Fortsat forskning og nye horisonter: Selve feltet siliciumfotonik vil fortsætte med at udvikle sig. Forskere undersøger allerede 3D-integration – at stable fotoniske chips med elektroniske for endnu tættere kobling (nogle undersøger mikro-bumps eller bonding-teknikker for at placere en fotonisk interposer under en CPU, for eksempel). Der tales også om optisk netværk på chip (ONoC), hvor processorer i stedet for eller i tillæg til elektriske netværk-on-chip bruger lys til at kommunikere mellem kerner. Hvis mange-core CPU’er en dag bruger interne optiske netværk, kan det fjerne båndbreddeflaskhalse inden i chippen (det ligger lidt længere ude, men er konceptuelt bevist i laboratorier). Nano-fotonik kan også komme i spil: plasmoniske eller nanoskalige optiske komponenter, der arbejder ved meget høje hastigheder eller ekstremt små størrelser, potentielt integreret med siliciumfotonik til visse opgaver (som ultrakompakte modulatorer). Og hvem ved, måske opnår nogen en dag den hellige gral: en siliciumlaser via et smart materialetrick – hvilket virkelig ville forenkle fotonisk integration.
Markeds- og brancheudsigter: Økonomisk set vil vi sandsynligvis se, at markedet for siliciumfotonik boomer. Ifølge IDTechX forventes der i 2035 en markedsværdi på omkring $54 milliarder optics.org. Bemærkelsesværdigt er det, at mens datakommunikation vil udgøre hovedparten, kan anslået ~$11 milliarder af dette komme fra ikke-data-applikationer (telekom, lidar, sensorer, kvante, osv.) optics.org. Det betyder, at teknologiens fordele vil blive spredt over mange sektorer. Vi kan også komme til at se nogle store brancheomvæltninger eller partnerskaber: for eksempel, kunne en teknologigigant opkøbe en af fotonik-unicorn-startups (forestil dig Nvidia købe Ayar Labs eller Lightmatter for at sikre sig en førerposition inden for optisk computing)? Det er muligt, efterhånden som indsatsen bliver større. Desuden kan international konkurrence intensiveres – vi kan se betydelige investeringer fra regeringer for at sikre førerposition (på samme måde som halvlederindustrien betragtes som strategisk). Siliciumfotonik kan blive en central del af nationale teknologistrategier, hvilket yderligere kan øge finansiering til F&U og infrastruktur.

I en bredere forstand, hvis vi træder et skridt tilbage, er fremtiden med siliciumfotonik en, hvor grænserne mellem beregning og kommunikation udviskes. Afstand bliver mindre begrænsende – data kan rejse inden for en chip eller mellem byer med samme lethed via optiske tråde. Dette kan muliggøre arkitekturer som distribueret computing, hvor de fysiske ressourcers placering betyder mindre, fordi optiske forbindelser giver lav latenstid og høj båndbredde. Vi kan se ægte adskilte datacentre, hvor beregning, lager og hukommelse er optisk forbundet som LEGO-klodser. Energieffektiviteten fra fotonik kan også bidrage til grønnere IKT, hvilket er vigtigt, efterhånden som den digitale infrastruktur får større energibehov.

For at låne ordene fra en brancheveteran: “rejsen mod at skalere siliciumfotonik er lige så spændende, som den er udfordrende.” laserfocusworld.com De kommende år vil uden tvivl byde på forhindringer, men der er en fælles beslutsomhed på tværs af akademia og industri for at overvinde dem. Gennem samarbejde og innovation – hvor materialeforskning, halvlederteknik og fotonik forenes – er eksperter overbeviste om, at vi vil møde disse udfordringer og låse op for det fulde potentiale af siliciumfotonik laserfocusworld.com. Fremtidsudsigten er, at denne teknologi vil bevæge sig fra periferien (hvor den forbinder vores enheder eller supplerer specialiserede systemer) til selve hjertet af computing og konnektivitet. Vi er i bund og grund vidne til begyndelsen på en ny æra – en, hvor lys, ikke kun elektroner, bærer informationens livsnerve gennem de enheder og netværk, der understøtter det moderne liv. Og det er virkelig et revolutionerende skifte, der vil udfolde sig i det næste årti og fremover.

Kilder: Silicon photonics definitioner og fordele ansys.com ansys.com; anvendelser inden for sensing, LiDAR, kvante ansys.com ansys.com; datacenter- og AI-tendenser laserfocusworld.com, optics.org; ekspertcitater og indsigter laserfocusworld.com, tanaka-preciousmetals.com, nature.com; brancheledere expertmarketresearch.com; seneste nyheder og investeringer datacenterdynamics.com, nextplatform.com, nextplatform.com; fremtidsprognoser optics.org

The Future of Silicon Photonics: Transforming Data Centers

Watch this video on YouTube.

Siliciumfotonik-revolutionen – Lyshurtig teknologi, der forvandler AI, datacentre og mere

Hvad er silikonefotonik, og hvordan fungerer det?

Nøgleanvendelser af silicium-fotonik