Revoluce v křemíkové fotonice – technologie rychlosti světla mění AI, datová centra a další oblasti

Co je to křemíková fotonika a jak funguje?

Křemíková fotonika je technologie, která využívá křemíkové fotonické integrované obvody (PICs) k manipulaci se světlem (fotony) pro zpracování a komunikaci. Jednoduše řečeno, znamená to vytváření optických zařízení (jako jsou lasery, modulátory a detektory) na křemíkových čipech podobně, jako se vyrábějí elektronické obvody. Tyto křemíkové fotonické čipy mohou odesílat a přijímat data pomocí světla, což umožňuje ultra-rychlý přenos dat s vysokou šířkou pásma a nízkými energetickými ztrátami ansys.com. Klíčovými součástmi jsou vlnovody (drobné optické „dráty“, které vedou světlo na čipu), modulátory (které kódují data do světelných paprsků), lasery (obvykle přidávané pomocí jiných materiálů, protože samotný křemík nemůže emitovat světlo) a fotodetektory (pro převod příchozího světla zpět na elektrické signály) ansys.com. Integrací těchto prvků na křemíkovou platformu mohou inženýři využít dobře zavedenou polovodičovou výrobu (CMOS) k masové produkci fotonických zařízení, čímž kombinují rychlost světla s rozsahem moderní výroby čipů ansys.com.

Jak to funguje? Místo elektrických impulsů v měděných drátech používají křemíkové fotonické obvody infračervené laserové světlo, které proudí mikrometrovými vlnovody. Křemík je průhledný pro infračervené vlnové délky, což umožňuje světlu šířit se s minimálními ztrátami, když je uzavřeno materiály jako oxid křemičitý, které mají nižší index lomu ansys.com ansys.com. Data jsou kódována do těchto světelných vln pomocí modulátorů, které mohou rychle měnit intenzitu nebo fázi světla. Na druhém konci fotodetektory na čipu převádějí optické signály zpět do elektrické podoby. Protože světlo kmitá na frekvencích mnohem vyšších než elektrické signály, optické propoje mohou přenášet mnohonásobně více dat za sekundu než elektrické vodiče. Jediné malé vlákno nebo vlnovod může přenášet desítky nebo stovky gigabitů za sekundu a použitím více vlnových délek světla (husté vlnové multiplexování) může jediné vlákno přenášet terabity dat. V praxi křemíková fotonika umožňuje komunikaci na čipu nebo mezi čipy rychlostmi jako 100 Gb/s, 400 Gb/s nebo více, což by jinak vyžadovalo mnoho měděných drah nebo by bylo na delší vzdálenosti jednoduše neproveditelné ansys.com optics.org.

Křemíkové fotonické zařízení jsou kompaktní, rychlá a energeticky úsporná. Světlo může procházet vlnovody s velmi nízkým odporem (žádná elektrická kapacita nebo problémy s ohřevem, které se u mědi při vysokých rychlostech vyskytují), což znamená potenciálně nižší spotřebu energie pro přenos dat. Jedna analýza uvádí, že optické propojky mohou výrazně zmírnit datové úzké hrdlo a snížit teplo ve vysoce výkonných systémech – „optické propojky umožněné křemíkovou fotonikou jsou jedinou škálovatelnou cestou vpřed“ pro zvládnutí explodující poptávky po šířce pásma laserfocusworld.com. Stručně řečeno, křemíková fotonika spojuje levnou, hromadně vyráběnou platformu křemíkových čipů s fyzikou světla a vytváří „obvody pro fotony“ na čipu ansys.com. Tato technologie nám umožňuje doslova přesouvat data rychlostí světla v situacích, kde tradiční elektronika naráží na své limity.

Klíčové aplikace křemíkové fotoniky

Křemíková fotonika začínala ve vláknové optické komunikaci, ale dnes je to všestranná platforma, která nachází využití v mnoha špičkových oblastech. Díky své vysoké rychlosti a energetické účinnosti je kandidátem každý obor, který potřebuje přesouvat obrovské objemy dat (nebo přesně řídit světlo). Zde jsou některé z klíčových aplikací:

Datová centra a vysokorychlostní cloudové sítě

Jednou z nejdůležitějších aplikací je uvnitř datových center a superpočítačů, kde křemíková fotonika řeší naléhavou potřebu rychlejších a efektivnějších propojení. Moderní cloudová a hyperscale datová centra zpracovávají obrovské toky dat mezi servery, racky a napříč areálovými sítěmi. Měděné kabely a tradiční elektrické přepínače jsou stále více úzkým hrdlem – spotřebovávají příliš mnoho energie a nelze je škálovat za určité vzdálenosti nebo rychlosti (například 100 Gb/s měděné spoje fungují jen na několik metrů). Křemíkové fotonické propojky to řeší použitím optických vláken a vestavěných optických modulů pro propojení serverů a přepínačů velmi vysokou rychlostí s minimálními ztrátami. Optické transceivery založené na křemíkové fotonice již nahrazují nebo doplňují elektrická spojení pro komunikaci mezi racky i uvnitř racku tanaka-preciousmetals.com.

Cisco a Intel zde byli průkopníky: Cisco nyní navrhuje vysokorychlostní zasunovatelné optické transceivery využívající křemíkovou fotoniku pro propojení síťových zařízení expertmarketresearch.com. Intel podobně využil křemíkovou fotoniku ke zvýšení konektivity datových center, dodal miliony 100G optických transceiverových čipů a nyní zvyšuje výrobu 200G, 400G a testuje 800G optické moduly tanaka-preciousmetals.com. Motivace je jasná – jakmile se datové rychlosti zdvojnásobí ze 100G na 200G a 400G, dosah mědi se dramaticky zkracuje. „Když dnes vstoupíte do datového centra, uvidíte 100 Gb/s měděné kabely propojující servery s horním rackovým přepínačem… Tyto kabely jsou v pořádku na vzdálenost asi čtyř metrů. Ale vše za rackem už používá optiku,“ poznamenává Robert Blum, seniorní ředitel fotoniky ve společnosti Intel, a dodává, že „jak zvyšujeme datové rychlosti na 200 nebo 400 Gb/s, dosah mědi se stává mnohem kratším a začínáme pozorovat trend, kdy optika vede až k serveru.“ tanaka-preciousmetals.com Ve vysoce výkonných výpočetních (HPC) clusterech a AI superpočítačích, kde tisíce procesorů potřebují nízkolatenční propojení, poskytují optické propojky šířku pásma potřebnou k zásobování všech těchto čipů daty ansys.com, laserfocusworld.com. Zavedením fotoniky do přepínače a dokonce i do balení procesorů (tzv. spolubalená optika) dosáhnou budoucí sítě datových center mnohem vyšších propustností. Ve skutečnosti jsou na obzoru 51,2 Tb/s přepínací čipy s integrovaným optickým I/O a prototypy již byly předvedeny tanaka-preciousmetals.com.

Přínosy pro datová centra jsou významné: nižší spotřeba energie (optické spoje ztrácejí mnohem méně energie ve formě tepla než přenos elektronů měděnými vodiči při desítkách GHz), vyšší hustota (mnoho optických kanálů lze multiplexovat bez obav z elektromagnetického rušení) a delší dosah (optické signály mohou v případě potřeby cestovat kilometry). To znamená, že křemíková fotonika pomáhá datovým centrům škálovat výkon bez omezení limity propojovacích technologií. Jeden tržní analytik poznamenal, že datová centra zaměřená na AI pohánějí bezprecedentní poptávku po vysoce výkonných optických transceiverech a tvrdí, že „křemíková fotonika a PIC jsou v čele této revoluce díky své schopnosti přenášet data rychlostí 1,6 Tb/s a více.“ optics.org V praktickém smyslu může jediný fotonický čip o velikosti nehtu obsahovat desítky laserových kanálů, které společně přenášejí terabity dat – což je klíčové pro infrastrukturu cloudů nové generace.

Zrychlení AI a strojového učení

Exploze AI a strojového učení je zvláštním případem využití v datových centrech – zaslouží si vlastní zmínku, protože AI přináší některé jedinečné požadavky a podnítila nové způsoby využití křemíkové fotoniky. Trénování pokročilých AI modelů (například velkých jazykových modelů pohánějících chatboty) zahrnuje masivní paralelní výpočty rozložené mezi mnoho GPU nebo specializovaných AI akcelerátorů. Tyto čipy si musí vyměňovat obrovské objemy dat pro úlohy jako trénování modelů, což často zahltí běžné elektrické spoje. Křemíková fotonika nabízí AI dvojí výhodu: vysokopásmové propojení a dokonce potenciál pro optické výpočty.

Na straně propojení se vyvíjejí optické spoje, které přímo propojují AI akcelerátorové čipy nebo paměť pomocí světla (někdy nazývané optické I/O). Nahrazením tradiční serverové backplane nebo komunikace GPU-GPU optickým vláknem mohou AI systémy výrazně snížit latenci komunikace a spotřebu energie. Například startupy jako Ayar Labs vytvářejí optické I/O čiplety, které sedí vedle procesorů a vysílají data dovnitř a ven pomocí světla, čímž eliminují husté svazky měděných spojů, které by jinak byly potřeba. V roce 2024 Ayar Labs předvedli optický chiplet poskytující 8 Tbps šířky pásma pomocí 16 vlnových délek světla – což je ukázka toho, jak by mohly vypadat příští generace AI propojení businesswire.com. Velcí výrobci čipů tomu věnují pozornost: Nvidia, AMD a Intel každý investovali do Ayar Labs v rámci investičního kola ve výši 155 milionů dolarů, protože sází na to, že optická propojení budou klíčem ke škálování budoucího AI hardwaru nextplatform.com. Jak poznamenal jeden novinář, pokud nelze dosáhnout dostatečné rychlosti jen zrychlováním čipů, „další nejlepší věcí, do které investovat, je pravděpodobně nějaká forma optického I/O.“ nextplatform.com

Kromě přesunu dat mezi AI čipy umožňuje křemíková fotonika také optické výpočty pro AI. To znamená provádění určitých výpočtů (například maticových násobení v neuronových sítích) pomocí světla místo elektřiny, což by mohlo potenciálně obejít některá rychlostní a energetická omezení dnešních elektronických AI akcelerátorů. Společnosti jako Lightmatter a Lightelligence postavily prototypy fotonických procesorů, které využívají interferenci světla v křemíkových vlnovodech k paralelnímu výpočtu výsledků. Koncem roku 2024 získala Lightmatter pozoruhodné investiční kolo Series D ve výši 400 milionů dolarů (čímž její valuace dosáhla 4,4 miliardy dolarů) na rozvoj své technologie optických výpočtů nextplatform.com. Přestože jsou tyto fotonické AI akcelerátory stále v počátcích, slibují ultra-rychlé, nízkolatenční provádění neuronových sítí s mnohem nižší spotřebou energie, protože fotony generují minimální teplo ve srovnání s miliardami spínacích událostí tranzistorů.

Celkově, jak modely AI rostou ve velikosti a složitosti (a vyžadují clustery desítek tisíc čipů), je křemíková fotonika vnímána jako „paradigmatický posun“, který může překonat komunikační úzká hrdla v AI infrastruktuře laserfocusworld.com. Nabízí způsob, jak škálovat šířku pásma mezi procesory lineárně podle poptávky, což je něco, s čím mají elektrická propojení potíže. Odborníci z průmyslu předpovídají, že optické technologie (jako jsou optika zabudovaná přímo v balení, optická propojení mezi čipy a možná i fotonické výpočetní prvky) se v příštích letech stanou standardem v AI systémech – ne jen okrajovým experimentem. Podle jednoho odhadu budou datová centra pro AI růst tak rychle (50% CAGR ve spotřebě energie), že do roku 2030 by mohla být s existujícím elektrickým I/O neudržitelná, což činí křemíkovou fotoniku „nepostradatelnou součástí naší budoucí infrastruktury“, aby bylo možné AI škálovat laserfocusworld.com.

Telekomunikace a sítě

Křemíková fotonika má své kořeny v telekomunikacích a nadále revolucionalizuje způsob, jakým přenášíme data na velké vzdálenosti. Ve vláknově-optických telekomunikačních sítích – ať už jde o páteřní síť internetu, podmořské kabely nebo metropolitní a přístupové sítě – je integrovaná fotonika využívána k výrobě optických transceiverů, které jsou menší, rychlejší a levnější. Tradiční optické komunikační systémy často spoléhají na diskrétní komponenty (lasery, modulátory, detektory sestavované jednotlivě), ale křemíková fotonická integrace může umístit mnoho těchto komponent na jeden čip, což zlepšuje spolehlivost a snižuje náklady na montáž tanaka-preciousmetals.com.

Dnes jsou optické transceiverové moduly využívající křemíkovou fotoniku běžné v propojích datových center a stále častěji se zavádějí i v telekomunikační infrastruktuře pro 100G, 400G a vyšší rychlosti. Například společnosti jako Infinera a Cisco (Acacia) vyvinuly koherentní optické transceivery využívající křemíkovou fotoniku pro 400G a 800G spoje v telekomunikačních sítích. Širokopásmové a 5G/6G bezdrátové sítě také profitují – optická vlákna, která propojují mobilní věže nebo přenášejí data fronthaul/backhaul, mohou být díky křemíkové fotonice efektivnější. Intel zdůraznil, že křemíková fotonika bude hrát roli v „nasazení příští generace 5G s menšími formáty a vyššími rychlostmi, od dnešních 100G po zítřejších 400G a více“ expertmarketresearch.com. Schopnost integrovat desítky vlnových délek laseru na jeden čip je užitečná pro systémy hustého vlnového multiplexu (DWDM), které telekomunikační operátoři používají k navýšení počtu kanálů na každém vlákně. V roce 2023 čínská společnost InnoLight dokonce předvedla 1,6 Tb/s optický transceiver (využívající více vlnových délek a pokročilou modulaci) – což je známka, že multi-terabitové optické spoje jsou na dosah optics.org.

Další síťovou aplikací je použití v jádrových směrovacích a přepínacích zařízeních. Špičkové routery a optické přepínací platformy začínají využívat křemíkové fotonické obvody pro funkce jako optické přepínání, směrování signálu a dokonce i filtrování vlnových délek přímo na čipu. Například byly prototypovány velké křemíkové fotonické přepínací matice, které využívají křemíkové MEMS nebo termooptické efekty k rychlému přepínání světelných cest, což potenciálně umožňuje plně optické přepínání okruhů. Tyto technologie by mohly být v budoucnu použity v sítích datových center k optické rekonfiguraci spojení za provozu (Google naznačil využití optických přepínačů v některých svých AI clusterech) nextplatform.com.

Celkově jsou v telekomunikacích cíle vyšší kapacita a nižší cena za bit. Křemíková fotonika pomáhá škálováním kapacity optických vláken (100G → 400G → 800G a 1,6T na vlnovou délku) a snižováním výrobních nákladů díky procesům CMOS výroby. Je příznačné, že křemíková fotonická divize Intelu, než byla restrukturalizována, dodala více než 8 milionů fotonických transceiverových čipů v letech 2016 až 2023 pro využití v datových centrech a sítích optics.org. A průmyslová spolupráce roste: například Intel na konci roku 2023 oznámil, že převede výrobu svých transceiverů na Jabil (smluvní výrobce), aby dále zvýšil objem produkce optics.org. Mezitím optičtí giganti jako Coherent (dříve II-VI) a tradiční telekomunikační dodavatelé (Nokia, Ciena atd.) všichni investují do křemíkové fotoniky pro optické moduly nové generace optics.org. Tato technologie se stává základním kamenem jak fyzické infrastruktury internetu, tak rychle se vyvíjejícího ekosystému 5G/6G komunikací.

Senzory a LiDAR

Křemíková fotonika není jen o komunikacích – umožňuje také nové typy senzorů díky přesnému řízení světla na čipu. Jednou z nejzajímavějších oblastí je biochemické a environmentální snímání. Křemíkové fotonické senzory dokážou detekovat nepatrné změny indexu lomu nebo absorpce, když vzorek (například kapka krve nebo chemická pára) interaguje s vedeným světelným paprskem. Například křemíkový fotonický čip může obsahovat miniaturní prstencový rezonátor nebo interferometr, který změní frekvenci, když se na něj naváží určité molekuly. To umožňuje snímání biomarkerů – proteinů, DNA, plynů atd. – ve stylu laboratoře na čipu s vysokou citlivostí a potenciálně nízkou cenou. Takové fotonické biosenzory by mohly být využity pro lékařskou diagnostiku, environmentální monitoring nebo dokonce aplikace „umělého nosu“ optics.org optics.org. Klíčové jsou výhody miniaturizace a integrace: jediný křemíkový fotonický senzorový čip může integrovat světelné zdroje, snímací prvky a fotodetektory, což nabízí kompaktní, odolný senzor na rozdíl od objemného optického laboratorního vybavení. Výzkum v oblasti křemíkové nitridové fotoniky (varianta, která lépe funguje pro viditelné vlnové délky) otevírá ještě více možností snímání, protože SiN dokáže vést viditelné světlo pro snímání například fluorescence nebo Ramanových signálů, které čistý křemík nezvládne.

Další rychle rostoucí aplikací je LiDAR (Light Detection and Ranging) pro autonomní vozidla, drony a robotiku. LiDAR systémy vysílají laserové pulzy a měří odražené světlo k mapování vzdáleností – v podstatě „3D laserové vidění“. Tradiční LiDAR jednotky často spoléhají na mechanické skenování a samostatné lasery/detektory, což je činí drahými a poněkud objemnými. Křemíková fotonika nabízí způsob, jak postavit LiDAR na čipu: integrací prvků pro směrování paprsku, rozdělovačů, modulátorů a detektorů monoliticky. Křemíkový fotonický LiDAR může využívat pevné směrování paprsku (například optické fázové arraye) ke skenování okolí bez pohyblivých částí. To výrazně snižuje velikost a cenu LiDAR jednotek. Ve skutečnosti společnost Intel Mobileye uvedla, že používá křemíkové fotonické integrované obvody ve svých senzorech LiDAR pro autonomní řízení nové generace kolem roku 2025 tanaka-preciousmetals.com. Taková integrace by mohla snížit náklady na LiDAR a umožnit masové nasazení v automobilech. LiDAR založený na křemíkové fotonice může také dosáhnout rychlejšího skenování a vyššího rozlišení díky využití více vlnových délek nebo koherentních detekčních technik přímo na čipu. Další výhodou je, že tato integrovaná řešení obvykle spotřebovávají méně energie – což je důležitý faktor pro elektromobily.

Podle společnosti Ansys „LiDAR řešení umožněná křemíkovou fotonikou jsou kompaktnější, spotřebovávají méně energie a jsou levnější na výrobu než systémy sestavené z diskrétních komponent.“ ansys.com Toto stručně vystihuje, proč firmy od startupů po technologické giganty závodí ve vývoji fotonického LiDARu. Již nyní vidíme prototypy FMCW LiDARu (LiDAR s frekvenčně modulovanou spojitou vlnou), který vyžaduje citlivé fotonické obvody jako laditelné lasery a interferometry. Křemíková fotonika je pro toto přirozenou platformou a odborníci předpovídají, že integrovaná fotonika bude klíčová pro to, aby se FMCW LiDAR stal životaschopným ve velkém měřítku (pro jeho dlouhý dosah a odolnost vůči rušení) optics.org optics.org. V blízké budoucnosti očekávejte auta a drony vybavené malými, čipovými LiDAR jednotkami s vysokým výkonem – což je přímý výsledek inovací v křemíkové fotonice.

Kromě LiDARu zahrnují další senzorická využití gyroskopy a inerciální senzory (využívající prstencové laserové gyroskopy na čipu pro navigaci) a spektrometry (integrované optické spektrometry pro chemickou analýzu). Společným jmenovatelem je, že křemíková fotonika přináší přesnost optického měření v miniaturizovaném, snadno vyrobitelném formátu. To otevírá nové možnosti v oblasti spotřební elektroniky (představte si optický zdravotní senzor v chytrých hodinkách), průmyslového monitoringu a vědeckých přístrojů.

Kvantové počítače a fotonické kvantové technologie

V honbě za kvantovými počítači hrají fotony (částice světla) jedinečnou roli. Na rozdíl od elektronů mohou fotony cestovat na velké vzdálenosti, aniž by interagovaly s prostředím (což je užitečné pro přenos kvantových informací), a některé schémata kvantového počítání používají fotony samotné jako qubity. Křemíková fotonika se stala přední platformou pro výzkum kvantového počítání a sítí.

Několik startupů a výzkumných skupin pracuje na fotonických kvantových počítačích, které využívají křemíkové fotonické obvody k vytváření a manipulaci s qubity zakódovanými ve světle. Například PsiQuantum, startup s velkým financováním, spolupracuje s polovodičovou továrnou na výstavbě velkého kvantového počítače využívajícího tisíce křemíkových fotonických qubitových kanálů. Cílem je integrovat zařízení jako zdroje jednotlivých fotonů, děliče svazků, fázové posunovače a detektory fotonů na čip, aby bylo možné provádět kvantovou logiku s fotony. Výhodou křemíkové fotoniky je zde škálovatelnost – protože využívá výrobu CMOS, lze (v zásadě) vytvořit velmi složité kvantové fotonické obvody se stovkami nebo tisíci součástek, což je u jiných přístupů ke kvantovému hardwaru mnohem obtížnější. Výzkumníci nedávno skutečně předvedli křemíkové fotonické čipy s tisíci součástkami pracujícími společně pro manipulaci s kvantovým světlem nature.com.

Křemíková fotonika také umožňuje kvantové sítě – bezpečnou komunikaci pomocí kvantové distribuce klíčů (QKD) a provázaných fotonů – tím, že poskytuje platformu pro kompaktní, stabilní optické kvantové vysílače a přijímače. Navíc některé technologie kvantových senzorů (jako optické kvantové gyroskopy nebo LiDAR na jednotlivé fotony) mohou mít křemíkové fotonické čipy ve svém jádru.

Jednou z hlavních výzev ve fotonickém kvantovém počítání je generování jednotlivých fotonů na požádání a jejich směrování s nízkými ztrátami. Zajímavé je, že stejné omezení (a řešení), která platí pro klasickou křemíkovou fotoniku, platí i v kvantu: křemík přirozeně nelasuje, takže kvantové fotonické čipy často využívají integrované nelineární procesy nebo zdroje na bázi kvantových teček k vytváření jednotlivých fotonů, nebo hybridně integrují specializované materiály. Výhody jsou však podobné – vysoká přesnost a miniaturizace. Jak uvádí zpráva Ansys, kvantové počítače používají fotony pro výpočty a správa těchto fotonů pomocí integrované fotoniky přináší výhody v rychlosti, přesnosti a nákladech ansys.com. V praxi může křemíková fotonika poskytnout stabilitu a vyrobitelnost, které jsou potřeba pro rozšíření kvantových systémů z laboratorních experimentů na skutečné stroje.

Kromě výpočetní techniky mají kvantové fotonické senzory (například interferometry využívající kvantové stavy pro vyšší citlivost) a kvantové generátory náhodných čísel další oblasti, kde má křemíková fotonika významný dopad. Zatímco kvantové fotonické počítače jsou stále ve vývoji a jejich zralost je pravděpodobně ještě několik let vzdálená, velké investice do tohoto oboru podtrhují jeho potenciál. V roce 2022 přední výzkumník, profesor John Bowers, zdůraznil, že křemíková fotonika rychle postupuje vpřed s mnoha novými aplikacemi, včetně kvantových, na obzoru nature.com. Je možné, že první kvantové počítače ve velkém měřítku budou ve skutečnosti optické stroje postavené na křemíkových fotonických čipech – fascinující uzavření kruhu, kdy technologie původně vyvinutá pro telekomunikace může umožnit další skok ve výpočetní technice.

Současné trendy a vývoj (2025)

K roku 2025 získává křemíková fotonika obrovskou dynamiku. Řada trendů se spojila a posunula tuto technologii z laboratoří a specializovaných aplikací do hlavního proudu technologického průmyslu:

Datový úzký profil a ko-balená optika: Nenasytná poptávka po datech (zejména ze strany AI a cloudových služeb) učinila z elektrických propojení vážný úzký profil. Jsme ve fázi, kdy pokaždé, když zdvojnásobíte šířku pásma propojení, musíte zkrátit délku měděného kabelu na polovinu, abyste zachovali integritu signálu nextplatform.com – což je neudržitelný kompromis. Tato naléhavost zaměřila pozornost na přístupy jako je ko-balená optika (CPO), kde jsou optické moduly umístěny přímo vedle switch ASICů nebo procesorových čipů, aby se téměř zcela eliminovala vzdálenost elektrického přenosu. V roce 2023 předvedlo několik společností ko-balenou optiku ve switchích (např. Broadcom prototypy switchů s propustností 25,6 Tb/s a 51,2 Tb/s s integrovanými laserovými fotonickými moduly). Odborové plány naznačují, že 51,2 Tb/s Ethernet switch čipy s ko-balenou křemíkovou fotonikou by se měly objevit na trhu během příštího roku nebo dvou tanaka-preciousmetals.com, a že kolem let 2026–2027 pravděpodobně uvidíme první CPU/GPU, které budou přímo využívat optické I/O nextplatform.com. Jinými slovy, optická éra propojení se chystá vstoupit do praktických systémů. Společnosti jako Intel, Nvidia a Cisco aktivně vyvíjejí CPO řešení. Ve skutečnosti Intelův projekt Tomambe a další již předvedly 1,6 Tb/s fotonické moduly integrované se switch čipy tanaka-preciousmetals.com. Obecný konsenzus: po letech výzkumu přechází ko-balená optika z prototypu do produktu, s cílem snížit spotřebu energie na bit tím, že přiblíží světelné zdroje ke zdroji dat (úspora energie až 30 % oproti zasouvatelným modulům, podle jednoho odhadu laserfocusworld.com).
Vlna investic a aktivity startupů: V posledních několika letech jsme byli svědky významných investic a financování do podniků v oblasti křemíkové fotoniky. To odráží důvěru, kterou má průmysl v budoucnost této technologie. Například koncem roku 2024 Ayar Labs získala v kole Series D 155 milionů dolarů (čímž dosáhla statusu „jednorožce“ s hodnotou přes 1 miliardu dolarů) na rozšíření svých optických I/O řešení; pozoruhodné je, že toto kolo zahrnovalo strategické investice od samotných Nvidia, AMD a Intel nextplatform.com. Podobně startup v oblasti fotonického výpočetnictví Lightmatter získal 400 milionů dolarů v roce 2024 na rozvoj své optické AI akcelerační platformy nextplatform.com. Další startup, Celestial AI, který se zaměřuje na optické propojování pro AI, nejenže získal 175 milionů dolarů začátkem roku 2024, ale také získal portfolio duševního vlastnictví křemíkové fotoniky společnosti Rockley Photonics (dříve firma zaměřená na fotoniku pro senzory) za 20 milionů dolarů v říjnu 2024 datacenterdynamics.com. Tato akvizice poskytla společnosti Celestial AI více než 200 patentů v oblasti křemíkové fotoniky a signalizuje určitou konsolidaci v odvětví – menší hráči s cennou fotonickou technologií (Rockley vyvinul pokročilé modulátory a integrovanou optiku pro nositelnou elektroniku) jsou pohlcováni firmami zaměřenými na datová centra a AI trhy. Také jsme viděli, že HyperLight a Lightium, dva startupy specializující se na fotonické čipy z tenkovrstvého niobátu lithného, přilákaly v roce 2023 společnou investici 44 milionů dolarů optics.org, což podtrhuje zájem o nové materiály pro zlepšení křemíkové fotoniky (TFLN modulátory mohou nabídnout vyšší rychlosti a nízké ztráty). Celkově je financování ze strany VC a podpora korporací pro společnosti v oblasti křemíkové fotoniky na historickém maximu, což odráží uvědomění si, že optická technologie je klíčová pro budoucí polovodiče.
Zrání technologií a růst ekosystému: Dalším trendem je zrání ekosystému křemíkové fotoniky. Do hry se nyní zapojuje více sléváren a dodavatelů. V minulosti měli komplexní schopnosti pouze někteří hráči (jako Intel nebo Luxtera). Nyní velké polovodičové slévárny jako GlobalFoundries, TSMC a dokonce i STMicroelectronics nabízejí výrobní linky pro křemíkovou fotoniku nebo standardizované fotonické PDK (Process Design Kits) pro zákazníky ansys.com. Tato standardizace znamená, že startupy nebo menší firmy mohou navrhovat fotonické obvody a nechat si je vyrobit bez nutnosti budovat vlastní továrnu – podobně jako fungují fabless společnosti v oblasti elektronických čipů. Pravidelně probíhají tzv. multi-projektové waferové (MPW) shuttle pro fotonické čipy, kde si více návrhů sdílí jeden wafer, což výrazně snižuje náklady na prototypování. Průmyslové skupiny pracují na standardizovaných řešeních balení (optické I/O rozhraní, metody připojení vláken), aby bylo možné fotonické čipy snadněji integrovat do produktů. Založení American Institute for Manufacturing Integrated Photonics (AIM Photonics) bylo velkým impulsem: tento veřejně-soukromý konsorcium zřídilo slévárnu a linku na balení křemíkové fotoniky v New Yorku a nedávno získalo 321 milionů dolarů na 7 let (do roku 2028) na podporu výroby integrované fotoniky v USA. nsf.gov. Podobně v Evropě poskytují výzkumné ústavy jako IMEC v Belgii a CEA-Leti ve Francii platformy pro křemíkovou fotoniku a podpořily vznik klastru fotonických startupů. V Číně se také rozvíjí křemíková fotonika, přičemž společnosti jako InnoLight a Huawei investují do domácích schopností výroby fotonických čipů optics.org optics.org. Všechny tyto události naznačují, že křemíková fotonika už není experimentální technologií – stává se standardní součástí polovodičového nástrojového vybavení.
Vyšší rychlosti a nové materiály: Z technologického hlediska jsme svědky rychlého pokroku v posouvání výkonu křemíkových fotonických zařízení. 800G optické transceivery jsou nyní ve fázi vzorkování, 1,6 Tb/s moduly byly demonstrovány optics.org a 3,2 Tb/s zasouvatelné moduly se očekávají do roku 2026 optics.org. K dosažení těchto rychlostí inženýři využívají vše od 16kanálového vlnového multiplexování po pokročilé modulační formáty – v podstatě využívají optickou doménu k zabalení více bitů. Na úrovni zařízení jsou do křemíkové fotoniky integrovány nové materiály, aby se překonala omezení křemíku. Hlavním příkladem je tenkovrstvý lithium niobát (TFLN) na křemíku, který poskytuje velmi rychlé modulátory s Pockelsovým jevem s nízkými ztrátami. To by mohlo umožnit modulátory, které zvládnou šířky pásma modulace přes 100 GHz, vhodné pro budoucí 1,6T a 3,2T spoje nebo dokonce pro kvantové aplikace optics.org. Startupy jako HyperLight komercializují tyto hybridní LiNbO3/Si čipy. Další materiály ve výzkumu a vývoji zahrnují bariumtitanátové (BTO) elektrooptické modulátory a materiály dopované vzácnými zeminami pro lasery/zvýrazňovače na čipu optics.org. Pokračuje také práce na integraci polovodičů III-V (InP, GaAs) na křemík pro lepší lasery a optické zesilovače – například kvantové tečkové lasery přímo pěstované na křemíku zaznamenaly velký pokrok a řeší problémy se spolehlivostí, které trápily dřívější pokusy nature.com nature.com. Stručně řečeno, paleta materiálů pro křemíkovou fotoniku se rozšiřuje, což přinese vyšší výkon a nové funkce. Dokonce vidíme, že křemíkově-fotonické mikrohřebeny (optické zdroje frekvenčních hřebenů) se používají pro aplikace jako ultrarychlé přenosy dat a přesná spektroskopie, což by před deseti lety znělo neuvěřitelně.
Nově vznikající aplikace a produkty: Vedle hlavních aplikací se v roce 2025 objevují i nové případy použití. Jedním z nich je optické počítání pro AI (probírané dříve), které se posouvá z výzkumných demonstrací k prvním produktům – například Lightelligence představila fotonický hardware pro urychlení AI inference. Dalším příkladem jsou optické propoje mezi čipy v pokročilém balení: jak firmy zkoumají multichipové moduly a čipletové architektury, optické propoje mohou spojovat tyto čiplety vysokou rychlostí napříč pouzdrem nebo interposerem. Standardy jako UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express) dokonce zvažují optická PHY rozšíření. Vidíme také zájem vládních institucí: DARPA a další agentury mají programy na využití fotonických propojení v obranných systémech (pro špičkové zpracování a směrování RF signálů). A v oblasti spotřební elektroniky se spekuluje, že během několika let by se optické I/O mohlo objevit ve spotřebitelských zařízeních – například AR/VR headset využívající křemíkový fotonický čip pro vysokorychlostní propojení senzorů, nebo optický Thunderbolt kabel pro AR brýle. I když tu ještě nejsou, tyto nápady jsou již na rýsovacím prkně.

Shrnuto, rok 2025 nachází křemíkovou fotoniku v bodě zlomu: na trh přicházejí významné komerční produkty (zejména v síťové oblasti), proudí obrovské investice a ekosystém zraje. Je stále jasnější, že optika bude hrát zásadní roli v budoucím výpočetnictví a konektivitě. Jak poznamenal jeden z komentátorů v oboru, v druhé polovině této dekády mnozí očekávají, že optické I/O přejde z pilotních linek do hlavní výroby – „generace výpočetních strojů v roce 2025 možná ještě křemíkovou fotoniku mít nebude, ale generace 2026 už by mohla a generace 2027 ji téměř jistě bude mít“, protože nakonec nemáme na výběr – „čas mědi vypršel.“ nextplatform.com

Výzvy a omezení

Navzdory veškerému nadšení čelí křemíková fotonika několika výzvám a omezením, které se výzkumníci a inženýři aktivně snaží překonat. Je to transformační technologie, ale zatím ne zázračné řešení – alespoň prozatím. Zde jsou hlavní překážky:

Integrace světelných zdrojů: Snad nejznámějším omezením je, že křemík není dobrý při generování světla. Křemík má nepřímou zakázanou pásmo, což znamená, že nemůže fungovat jako laser nebo efektivní LED. Jak to přímo říká průkopník fotoniky John Bowers, „Křemík je neuvěřitelně špatný jako světelný emitor.“ nature.com Jeho vnitřní účinnost je téměř nulová – asi jeden z milionu elektronů v křemíku vytvoří foton – zatímco polovodiče III-V, jako je fosfid india nebo arsenid galia, mohou emitovat světlo s téměř 100% účinností nature.com. To znamená, že pro lasery na křemíkovém fotonickém čipu musíte obvykle zavést jiné materiály. To lze provést pomocí hybridní integrace (spojení kusu InP waferu s laserovými diodami na křemíkový wafer) nebo novějšími technikami, jako je přímý růst nanostrukturovaných III-V laserů na křemíku. Pokrok v této oblasti je slibný: firmy a laboratoře (Intel, UCSB atd.) již předvedly hybridně integrované lasery ve velkém měřítku a nedávno dokonce kvantové tečkové lasery vypěstované na 300mm křemíkových waferech s dobrou spolehlivostí nature.com nature.com. Přesto integrace laserů přidává složitost a náklady. Pokud je laser mimo čip (v samostatném laserovém modulu připojeném přes vlákno), pak čelíte výzvě efektivně spojit toto světlo do miniaturních vlnovodů na čipu. Stručně řečeno, dostat světlo na čip není triviální úkol. Průmysl zkoumá řešení jako heterogenní integrace (více materiálů na jednom čipu) a dokonce i nové přístupy, jako jsou elektricky buzené germaniovo-křemíkové lasery nebo Ramanovy lasery na křemíku, ale tyto technologie jsou stále v počátcích. K roku 2025 většina křemíkových fotonických systémů používá buď hybridní lasery, nebo externí lasery připojené zvenčí. Toto je jedna z klíčových oblastí probíhajícího výzkumu.
Výroba a výtěžnost: Křemíkové fotonické obvody lze vyrábět ve stávajících továrnách, ale mají odlišné požadavky než elektronické čipy. Optika například vyžaduje velmi přesné řízení rozměrů – odchylky jen o několik nanometrů v šířce nebo rozestupu vlnovodu mohou změnit vlnovou délku rezonátorů nebo fázi světla. Dosáhnout vysoké výtěžnosti (tj. konzistentního výkonu napříč mnoha čipy) je náročné. Navíc integrace více typů materiálů (křemík, křemíkový nitrid, III-V, kovy) v jednom výrobním procesu přináší složitost. Napojení vláken na čip je také výzvou pro výtěžnost a výrobu; zarovnání drobných optických vláken na vlnovodové hrany v měřítku mikrometrů často vyžaduje drahé aktivní zarovnávání. Některé z těchto kroků jsou ve výrobě stále částečně manuální, což není dobře škálovatelné. Probíhá mnoho práce na zlepšení balicích technik, například použitím standardizovaných jednotek pro připojení vláken nebo začleněním mřížkových vazebních členů, které umožňují snadnější připojení vláken shora na čip. Balení kombinovaných elektronických + fotonických čipů je také složité – například pokud máte fotonický čip a elektronický ASIC ve stejném balení, musíte je zarovnat a také řešit odvod tepla (protože horké elektroniky mohou rušit fotoniku). Ansys poznamenává, že pokud elektronika a fotonika sdílejí čip, výrobní přístup musí vyvažovat potřeby obou, a pokud jsou to samostatné čipy, je potřeba pokročilé balení – „tvorba tepla v elektronice může ovlivnit fotoniku.“ ansys.com Dalším problémem je tepelné ladění: mnoho křemíkových fotonických filtrů a modulátorů spoléhá na tepelné efekty, takže změny teploty mohou rozladit obvody a vyžadovat energii na stabilizaci. To vše výrobu komplikuje a zvyšuje náklady.
Náklady a objem: Pokud jde o náklady – ačkoli slibuje křemíková fotonika nízké náklady díky využití velkoobjemových křemíkových továren, dnešní realita je taková, že tato zařízení jsou stále poměrně okrajová a drahá. Průmysl dodává miliony kusů (jako transceivery v datových centrech), ale aby skutečně došlo k poklesu nákladů, pravděpodobně bude třeba dodávat miliardy kusů ročně ansys.com. Jinými slovy, ještě nedosáhla měřítka komoditní elektroniky. Zařízení často také vyžadují specializované balení (jak bylo zmíněno) a testování, což zvyšuje náklady. Současný křemíkový fotonický transceiver pro datová centra může stát stovky až tisíce dolarů, což je pro tento trh přijatelné, ale pro spotřebitelské trhy příliš vysoké. Ekonomika je v opravdu velkém měřítku poněkud nejistá – jak uvedla jedna zpráva, velcí cloudoví zákazníci se obávají spolehlivosti a nákladové struktury, pokud by měli křemíkovou fotoniku široce přijmout, protože technologie zatím nedosáhla výrobní učební křivky běžného křemíku nextplatform.com. Náklady se však postupně zlepšují a pomáhají i snahy jako foundry-standard PDK a automatizace. V příštích několika letech, jak poroste objem (poháněný AI a datovými centry), bychom měli vidět pokles nákladů, což následně otevře další trhy (je to pozitivní cyklus, jakmile se rozběhne). Přesto v roce 2025 může být cena za zařízení omezujícím faktorem pro zavádění křemíkové fotoniky v aplikacích citlivých na cenu.
Spotřeba energie a účinnost: Ačkoli křemíková fotonika může snížit spotřebu energie pro přenos dat při velmi vysokých rychlostech, samotná zařízení stále spotřebovávají energii – např. modulátory často využívají tepelné ladění nebo PN přechody, které odebírají proud, a lasery samozřejmě také spotřebovávají energii. Dochází k režii při převodu elektronických signálů na optické a zpět. Aby skutečně šetřila energii na úrovni systému, musí být tyto režie menší než úspory z odstranění dlouhých elektrických propojení. Dnešní křemíkové fotonické transceivery jsou poměrně energeticky účinné (v řádu několika pikojoulů na bit pro optickou konverzi), ale je snaha dostat se ještě níže, zejména pokud se optické I/O používá na čipu nebo v paměťových sběrnicích, kde je potřeba velmi vysoká účinnost. Jedním slibným přístupem je použití elektrooptických materiálů (jako je LiNbO3 nebo BTO), které dokážou modulovat světlo při velmi nízkém napětí (a tedy nižší spotřebě) místo tepelného ladění. Také integrace účinnějších světelných zdrojů (například kvantových tečkových laserů) by mohla snížit ztráty energie laseru (současné lasery s distribuovanou zpětnou vazbou často ztrácejí hodně energie jako teplo). Takže zatímco křemíková fotonika řeší problém spotřeby energie na makroúrovni, na mikroúrovni inženýři stále optimalizují spotřebu energie zařízení po zařízení. Dobrá zpráva: i se současnou technologií mohou optiky v ko-balení snížit celkovou spotřebu energie propojení o ~30 % oproti tradičním zasouvacím modulům laserfocusworld.com a budoucí vylepšení pravděpodobně tyto úspory ještě zvýší.
Návrh a návrhové nástroje: Toto je méně zřejmá výzva, ale důležitá: navrhování fotonických obvodů je nová dovednost a EDA (Electronic Design Automation) nástroje pro fotoniku nejsou tak vyspělé jako ty pro elektroniku. Simulace optických obvodů, zejména velkých s mnoha komponenty, může být složitá. Variabilita ve výrobě musí být zohledněna v návrhu (můžete potřebovat tepelné tunery pro korekci drobných chyb). Je potřeba lepších návrhových nástrojů, které dokážou společně optimalizovat elektronické a fotonické části obvodů, často označované jako EPDA (Electronic Photonic Design Automation). Ekosystém dohání – firmy jako Synopsys, Cadence a Lumerical (Ansys) mají nástroje pro fotonický návrh – ale stále jde o rozvíjející se oblast. Souvisejícím problémem je nedostatek standardů v některých oblastech: i když mnoho sléváren nabízí PDK, každá může mít jiné knihovny komponent a parametry. To může způsobit, že návrhy jsou méně přenositelné než elektronické návrhy. Průmysl směřuje ke společným standardům (například výměnný formát layoutu pro fotonické obvody nebo standardizované modely komponent), ale je potřeba více práce pro zefektivnění návrhového procesu. Klíčové je také budování robustního talentového zázemí: jsou potřeba inženýři, kteří rozumí jak RF/mikrovlnnému analogovému návrhu, tak optické fyzice, a těch je nedostatek (i když mnoho univerzit nyní produkuje absolventy v této mezioborové oblasti).
Výkonnostní omezení: I když křemíková fotonika dramaticky zlepšuje některé parametry, má své vlastní fyzikální limity. Optické ztráty ve vlnovodech, i když jsou nízké (~dB/cm), se v rozsáhlých obvodech sčítají a těsné ohyby nebo malé prvky mohou ztráty zvýšit. Je také třeba minimalizovat ztráty při spojení vlákno-čip. Tepelná citlivost křemíku (refrakční index se mění s teplotou) znamená, že mnoho křemíkových fotonických obvodů potřebuje stabilizaci nebo kalibraci. Omezení šířky pásma se mohou objevit u modulátorů nebo detektorů – například křemíkové prstencové modulátory mají konečnou šířku pásma a mohou být citlivé na teplotu, zatímco Mach-Zehnderovy modulátory vyžadují pečlivé inženýrství pro dosažení velmi vysoké rychlosti bez zkreslení. Chromatická disperze ve vlnovodech může omezit velmi širokopásmové aplikace (i když na krátké vzdálenosti na čipu to obvykle není problém). Další jemný bod: elektronicko-fotonická integrace znamená, že často musíte spolunavrhovat elektroniku (například budiče, TIA pro detektory) s fotonikou. Rozhraní mezi nimi může omezit celkový výkon (například pokud modulátor potřebuje určité napěťové rozpětí, potřebujete budič, který to dokáže rychle dodat). Takže systémové inženýrství je složité. Navíc ne všechny aplikace ospravedlňují použití fotoniky – pro velmi krátké, nízkorychlostní spoje může být elektrické řešení stále levnější a jednodušší. Takže i rozhodnutí, kde nasadit křemíkovou fotoniku pro maximální přínos, je samo o sobě úvahou.

Shrnuto, i když žádná z těchto výzev není nepřekonatelná, dohromady znamenají, že křemíková fotonika má stále co dohánět. Mnoho nejbystřejších mozků v oblasti fotoniky a elektroniky se těmito problémy aktivně zabývá: integrací lepších laserů, vylepšováním balení, škálováním výroby a rozšiřováním návrhových možností. Pokrok i v posledních několika letech je povzbudivý. Jak poznamenal profesor Bowers, výzvy jako integrace III-V laserů do CMOS, zlepšení výtěžnosti a připojení vláken a snižování nákladů jsou všechny řešeny s „velmi rychlým pokrokem…“ nature.com Každý rok přináší zlepšení a rozdíl mezi laboratorním prototypem a masovou výrobou se trochu zmenšuje. Stojí za to si připomenout, že elektronické integrované obvody potřebovaly desítky let intenzivního úsilí, aby dosáhly dnešního měřítka – křemíková fotonika je v porovnání s tím v mnohem ranější fázi svého vývoje, ale rychle dohání.

Přední společnosti a instituce v oboru

Křemíková fotonika se stala celosvětovým úsilím, na kterém se podílí mnoho společností (od startupů po technologické giganty) a výzkumných institucí, které posouvají obor vpřed. Podle tržních výzkumů patří mezi hlavní hráče na trhu křemíkové fotoniky (k roku 2025) průmysloví giganti jako Cisco, Intel a IBM, vedle specialistů jako NeoPhotonics (Lumentum), Hamamatsu Photonics a STMicroelectronics expertmarketresearch.com. Zde je přehled některých klíčových přispěvatelů:

Intel Corporation (USA): Průkopník v oblasti křemíkové fotoniky, Intel do této technologie investoval brzy a výrazně. V roce 2016 představil jeden z prvních 100G křemíkových fotonických transceiverů a od té doby dodal miliony zařízení optics.org. Intel využívá křemíkovou fotoniku ve vysokorychlostních optických transceiverech a prosazuje ji do budoucích serverových CPU a edge aplikací. Vize společnosti je „umožnit budoucí růst šířky pásma datových center“ pomocí fotoniky, škálovat z 100G na 400G a dále, a integrovat optiku s procesory pro aplikace jako 5G a autonomní vozidla expertmarketresearch.com, tanaka-preciousmetals.com. Divize Silicon Photonics společnosti Intel nedávno navázala partnerství s firmou Jabil pro výrobu, což naznačuje posun k velkoobjemové produkci optics.org. Intel také zkoumá ko-balenou optiku pro přepínače a má podíl v řadě fotonických startupů (například Ayar Labs).
Cisco Systems (USA): Cisco, gigant v oblasti sítí, vstoupil do křemíkové fotoniky prostřednictvím akvizic (např. akvizice Luxtera v roce 2019) a nyní je předním dodavatelem křemíkových fotonických optických transceiverů pro datová centra a telekomunikace. Cisco využívá svou fotonickou technologii v produktech od 100G/400G zasouvacích modulů až po budoucí ko-balené optické přepínače. Řešení Cisco těží z vlastního návrhu fotonických IC, které dosahují vysoké hustoty a energetické účinnosti. Díky využití křemíkové fotoniky poskytuje Cisco zákazníkům vysokorychlostní propojení s menšími rozměry. V roce 2025 je Cisco jedním z lídrů trhu, kteří dodávají křemíkovou fotoniku ve velkém objemu expertmarketresearch.com.
IBM Corporation (USA): IBM má dlouhou historii ve výzkumu optických propojení. Jeho tým Silicon Photonics, s více než desetiletím výzkumu a vývoje, vyvinul vysokorychlostní technologii optických propojení zaměřenou na propojení na úrovni desek a procesorů expertmarketresearch.com. Výzkum IBM přinesl pokroky v křemíkových mikrokroužkových modulátorech, vlnové multiplexaci a balení. Zatímco IBM neprodává transceivery jako Intel nebo Cisco, často spolupracuje na prototypech (například IBM a Mellanox v roce 2015 předvedly optické propojení pro servery). IBM klade důraz na využití fotoniky k řešení výpočetních úzkých míst (např. procesor POWER10 využívá fotonické propojení pro off-chip signalizaci prostřednictvím partnerství). IBM také přispívá ke standardům a otevřenému výzkumu; jeho práce se často objevuje na konferencích jako OFC a CLEO.
NeoPhotonics/Lumentum (USA): NeoPhotonics (nyní součást Lumentum od roku 2022) se specializuje na lasery a fotonické komponenty pro telekomunikace a datová centra. Vyvinuli ultračisté laditelné lasery a vysokorychlostní modulátory. Zejména NeoPhotonics představila křemíkové fotonické koherentní optické subassembly (COSA) pro komunikaci 400G na vlnovou délku a zkoumala 800G a více expertmarketresearch.com. Jako součást Lumentum (významného hráče v optickém průmyslu) tato odbornost přispívá k nové generaci koherentních transceiverů a pluggablů pro telekomunikace. Vlastnictví Lumentum znamená, že tyto křemíkové fotonické produkty lze integrovat se stávajícím fotonickým portfoliem Lumentum (např. jejich indium-fosfidovými modulátory a zesilovači).
Hamamatsu Photonics (Japonsko): Lídr v oblasti optoelektronických komponent, Hamamatsu vyrábí širokou škálu fotonických zařízení (fotodiody, fotonásobiče, obrazové senzory atd.). Hamamatsu využívá křemíkové procesy k výrobě například křemíkových fotodiodových polí a křemíkových optických senzorů expertmarketresearch.com. I když se tolik nezaměřuje na vysokorychlostní transceivery, práce Hamamatsu v oblasti křemíkové fotoniky je zásadní pro senzory a vědecké přístroje. Dodávají křemíkové PIN fotodiody, APD a čipy optických senzorů, které jsou základem pro přijímače optické komunikace a detektory LiDAR. Jejich odbornost v oblasti nízkošumové, vysoce citlivé fotoniky doplňuje digitální komunikační stránku křemíkové fotoniky.
STMicroelectronics (Švýcarsko/Evropa): STMicro je velký výrobce polovodičů, který si vyvinul vlastní kapacity v oblasti křemíkové fotoniky. Zaměření STMicro je na integrovaná zobrazovací a senzorová řešení – například vyráběli křemíkové fotonické čipy pro vláknové gyroskopy a pracovali na výzkumu a vývoji optických propojení v evropských konsorciích. Pokročilé továrny a MEMS schopnosti STMicro jej dobře pozicují pro křemíkovou fotoniku, která vyžaduje integraci s dalšími senzory nebo elektronikou expertmarketresearch.com. Země jako Francie a Itálie (kde má ST významné provozy) podporují fotoniku prostřednictvím různých iniciativ a ST je často partnerem v těchto projektech. Také se spekuluje, že dodávají některé křemíkové fotonické komponenty pro průmyslové a automobilové systémy.
GlobalFoundries (USA) a TSMC (Tchaj-wan): Tito smluvní výrobci čipů si každý zavedli nabídky v oblasti křemíkové fotoniky. GlobalFoundries má známý 45nm proces křemíkové fotoniky (GF 45CLO) a spolupracoval se startupy jako Ayar Labs na výrobě optických I/O čipů. TSMC je v tomto ohledu tajnější, ale údajně spolupracuje s velkými technologickými firmami na výrobě fotonicky integrovaných čipů (například některé spekulace o Applu naznačují zapojení TSMC do fotonických senzorů). Oba jsou klíčoví pro škálování výroby – zapojení velkých foundry znamená, že jakákoli fabless společnost může snadněji získat prototypy i sériovou výrobu fotonických čipů. Ve skutečnosti je zapojení foundry, jako jsou tyto, silným indikátorem, že se křemíková fotonika stává mainstreamem.
Infinera (USA) a Coherent/II-VI (USA): Infinera je výrobce telekomunikačního vybavení, který se již brzy zaměřil na fotonické integrované obvody (i když na bázi fosfidu india). Od té doby přešli také na využití křemíkové fotoniky v některých produktech nebo pro společné balení se svými InP PIC. Coherent (který koupil Finisar a později převzal jméno Coherent) je hluboce zapojen do optických komponent; mají vlastní InP továrny, ale také vyvíjejí křemíkové fotonické transceivery pro datová centra optics.org. Tyto společnosti přinášejí telekomunikační důraz na spolehlivost a výkon, čímž posouvají křemíkovou fotoniku k naplnění požadavků operátorské třídy (např. moduly 400ZR pro koherentní spoje na vzdálenost).
Ayar Labs, Lightmatter a startupy: Vlna inovativních startupů pohání křemíkovou fotoniku do nových oblastí. Zmínili jsme Ayar Labs (optické I/O pro AI/HPC) a Lightmatter (optické výpočty). Dalšími jsou Lightelligence (další startup s optickým AI čipem), Luminous Computing (integrace fotoniky a elektroniky pro AI), Celestial AI (optické sítě pro výpočetní clustery), OpenLight (joint venture nabízející otevřenou fotonickou platformu s integrovanými lasery) a Rockley Photonics (zaměřený na zdravotní senzory, nyní převážně koupený Celestial). Tyto startupy jsou pozoruhodné svými ambiciózními přístupy – např. Lightmatterův 3D-integrovaný fotonický tensorový jádro nebo snaha Luminous postavit plně fotonický počítač. Často spolupracují s velkými firmami (například HPE spolupracovalo s Ayar Labs na využití optických propojení v superpočítačové síti nextplatform.com). Startupová scéna je živá a jejich přítomnost nutí zavedené hráče k rychlejšímu postupu. Jeden z průmyslových pozorovatelů poznamenal, že spolu s Ayar mají firmy jako Lightmatter a Celestial AI „všichni šanci prosadit se, protože křemíková fotonika propojuje výpočetní jednotky a propojovací technologie.“ nextplatform.com
Akademické a výzkumné instituce: Na institucionální straně hrají klíčovou roli v rozvoji křemíkové fotoniky přední univerzity a národní laboratoře. University of California, Santa Barbara (UCSB) pod vedením prof. Johna Bowerse je lídrem v oboru, průkopníkem hybridních křemíkových laserů a kvantových tečkových laserů na křemíku. MIT, Stanford, Columbia (s týmem prof. Michal Lipsonové) a Caltech jsou dalšími americkými centry výzkumu křemíkové fotoniky, kde se pracuje na všem od nové fyziky modulátorů po architektury fotonických počítačů. V Evropě provozuje IMEC v Belgii významný program křemíkové fotoniky a službu víceprojektových waferů (iSiPP) a silné týmy mají také University of Southampton, TU Eindhoven, EPFL a další. Institut AIM Photonics v USA (zmíněný výše) sdružuje mnoho těchto univerzit a firem ke spolupráci a poskytuje národní foundry kapacity. Vládní laboratoře jako MIT Lincoln Lab a IMEC dokonce předvedly sofistikovanou integrovanou fotoniku pro obranu (např. optické fázové arraye pro LiDAR). Kromě toho mezinárodní spolupráce a konference (jako Optical Fiber Conference, ISSCC, setkání IEEE Photonics Society) umožňují těmto institucím sdílet průlomy. Obor těží ze zdravého propojení akademické sféry a průmyslu: mnoho zakladatelů startupů a lídrů průmyslu bylo vyškoleno v těchto výzkumných laboratořích a pokračující akademický výzkum stále posouvá hranice (například v oblasti integrace nových materiálů nebo kvantové fotoniky, jak bylo zmíněno).

Všichni tito hráči – velké technologické firmy, specializovaní výrobci komponent, ambiciózní startupy a špičkové výzkumné laboratoře – tvoří bohatý ekosystém, který společně posouvá křemíkovou fotoniku vpřed. Konkurence a spolupráce mezi nimi urychluje inovace. Významnou roli hraje i geopolitika: je zde povědomí o závodu mezi USA, Evropou a Čínou o to, kdo povede ve fotonických technologiích csis.org, vzhledem k jejich strategickému významu pro komunikace a výpočetní techniku. To vedlo ke zvýšeným veřejným investicím (např. PhotonHub EU a čínské národní fotonické iniciativy). Pro běžného technologického nadšence je hlavním sdělením, že do toho, aby naše budoucí čipy komunikovaly pomocí světla, se na celém světě investuje spousta chytrých lidí a značné prostředky.

Odborné postřehy a citace

Během vzestupu křemíkové fotoniky nabízeli odborníci v oboru pohledy, které pomáhají zasadit její dopad do kontextu. Zde je několik významných postřehů:

O paradigmatickém posunu v oblasti křemíkové fotoniky: „Křemíkovou fotoniku jsem často popisoval jako víc než jen postupné zlepšení — je to paradigmatický posun,“ říká René Jonker, výkonný pracovník společnosti Soitec, a zdůrazňuje, že na rozdíl od měděných propojení, která narážejí na své limity, optické spoje poskytují udržitelný způsob, jak zvládnout rostoucí poptávku po datech. Přestože je stále třeba snížit náklady a rozšířit výrobu, přínosy – „vyšší šířka pásma, nižší latence a nižší spotřeba energie“ – činí z křemíkové fotoniky „nepostradatelnou součást naší budoucí infrastruktury.“ laserfocusworld.com
O spotřebě energie a optice v datových centrech: Komentář v Laser Focus World z roku 2025 zdůraznil naléhavost v datových centrech: do konce desetiletí by datová centra mohla spotřebovávat 8 % elektřiny v USA, pokud bude trend pokračovat, což je „neudržitelné se stávajícími elektrickými propoji.“ Autor uzavřel, že „optická propojení umožněná křemíkovou fotonikou jsou jedinou škálovatelnou cestou vpřed.“ laserfocusworld.com Jinými slovy, aby se předešlo energetické a kapacitní krizi, přechod na optická propojení není jen možnost – je to nutnost.
O integračních výzvách: Profesor John Bowers (UCSB), přední osobnost v oblasti fotoniky, okomentoval největší výzvu: „Hlavní výzvou je integrace III–V materiálů do křemíkového CMOS… Stále přetrvávají problémy s vysokou výtěžností, vysokou spolehlivostí, snižováním nákladů a připojením vláken. Balení elektroniky a fotoniky dohromady je výzva… Ale pokrok je velmi rychlý.“ nature.com To podtrhuje, že ačkoliv je integrace laserů (III–V materiály) a dosažení dokonalé výtěžnosti obtížné, přední firmy jako Intel dělají stálý pokrok a řešení jsou na obzoru.
O emisích světla v křemíku: Ve stejném rozhovoru Bowers barvitě vysvětlil, proč lasery potřebují něco jiného než křemík: „Křemík je neuvěřitelně špatný jako zdroj světla. Jeho vnitřní kvantová účinnost je asi jedna ku milionu, zatímco účinnost přímého pásmového III–V je v podstatě 100 %. Od začátku jsem věděl, že potřebujeme polovodič s přímým pásmem…“ nature.com. Toto upřímné hodnocení vysvětluje, proč jeho tým brzy začal vyvíjet hybridní lasery (spojování InP se Si) – přístup, který se vyplatil s hybridním křemíkovým laserem Intelu v roce 2007 a později.
O příchodu optiky až k serveru: Robert Blum, hlavní ředitel fotoniky ve společnosti Intel, ilustroval, jak se optika v datových centrech postupně posouvá blíže ke středu: „Když dnes vstoupíte do datového centra, uvidíte 100Gb/s měděné kabely… což stačí na čtyři metry. Ale vše za rámem už používá optiku. Jak přecházíme na 200 nebo 400 Gb/s, [dosah] mědi se výrazně zkracuje a začínáme pozorovat trend, kdy optika sahá až k serveru.“ tanaka-preciousmetals.com Tento citát názorně vystihuje probíhající přechod – optika postupně nahrazuje měď od jádra sítě směrem k okrajům.
O růstu trhu a AI: „Vzestup AI vyvolal bezprecedentní poptávku po vysoce výkonných transceiverech… Křemíková fotonika a PIC jsou v čele této revoluce,“ poznamenává Sam Dale, technologický analytik z IDTechX, a poukazuje na schopnost křemíkové fotoniky dosahovat „rychlostí 1,6 Tbps a více.“ optics.org Jeho zpráva předpovídá, že trh s fotonickými integrovanými obvody by mohl do roku 2035 téměř zdesetinásobit svou hodnotu (na 54 miliard dolarů), a to především díky potřebám AI datových center optics.org.
O budoucnosti výpočetní techniky: Analytici z The Next Platform předpovídají, že optické I/O se brzy dostane do HPC systémů. Uvádějí, že v letech 2026–2027 pravděpodobně uvidíme běžné CPU/GPU s optickými rozhraními, protože „v blízké budoucnosti nemáme na výběr.“ Jejich barvitými slovy, „Čas mědi vypršel.“ nextplatform.com To vystihuje běžný názor v oboru: elektrická propojení nebudou pro další éru výpočetní techniky stačit a fotonika musí převzít roli, aby se zabránilo narazení na limity.

Tyto poznatky odborníků podtrhují jak příslib, tak překážky křemíkové fotoniky. Opakuje se zde jedno téma: křemíková fotonika je transformační – umožňuje potřebný skok ve výkonu – ale přináší s sebou vážné technologické výzvy, které jsou rychle řešeny. Odborníci zdůrazňují směs optimismu (paradigmatický posun, nepostradatelná budoucnost) a realismu (problémy s integrací, náklady a otázky škálování). Jejich pohledy pomáhají široké veřejnosti pochopit, proč je křemíková fotonika pro tolik firem a výzkumníků vzrušující, a také proč trvalo několik desetiletí, než se tato technologie dostala do praxe. Slyšet to z úst těch, kteří jsou v první linii – ať už jde o zkušeného výzkumníka nebo produktového manažera – dává kontext, že jde o oblast, kde se fyzika, inženýrství a tržní síly protínají fascinujícím způsobem.

Nedávné novinky a milníky

Oblast křemíkové fotoniky je velmi dynamická. Zde jsou některé nedávné novinky a milníky (zhruba z posledního roku), které ilustrují rychlý pokrok v tomto oboru:

Celestial AI získává duševní vlastnictví Rockley Photonics (říjen 2024): Celestial AI, startup vyvíjející optické propoje Photonic Fabric™ pro AI, oznámil, že získal portfolium patentů na křemíkovou fotoniku společnosti Rockley Photonics za 20 milionů dolarů datacenterdynamics.com. Rockley vyvinul pokročilé křemíkové fotonické senzory a následně se zaměřil na nositelnou zdravotní techniku, než čelil bankrotu. Tato dohoda dala Celestial AI více než 200 patentů, včetně technologií pro elektro-optické modulátory a optické přepínání využitelné v datových centrech datacenterdynamics.com. Jde o významnou konsolidaci, která ukazuje, jak cenné se IP v oblasti fotoniky stalo v AI/datových centrech. Inovace Rockley (například širokopásmové lasery pro snímání) mohou najít nové uplatnění v optických propojovacích řešeních Celestial.
Velké investice do startupů – Ayar Labs & Lightmatter (konec 2024): Dva americké startupy získaly významné investiční kola. Ayar Labs uzavřel kolo Series D ve výši 155 milionů dolarů v prosinci 2024, s účastí lídrů polovodičového průmyslu (Nvidia, Intel, AMD se připojily vedle VC) nextplatform.com. Toto kolo zvýšilo valuaci Ayar nad 1 miliardu dolarů, což signalizuje důvěru v jeho optickou I/O technologii v balíčku, která má nahradit elektrické I/O v budoucích procesorech. Jen pár týdnů předtím získal Lightmatter 400 milionů dolarů v Series D (říjen 2024), čímž zdvojnásobil své celkové financování a jeho hodnota dosáhla 4,4 miliardy dolarů nextplatform.com. Lightmatter vyvíjí fotonické výpočetní čipy a technologii optických propojů pro akceleraci AI. Takto velké investice jsou pozoruhodné – ukazují, že investoři (a strategičtí partneři) věří, že tyto startupy dokážou s optickou technologií vyřešit klíčové problémy AI a výpočetní techniky. Znamená to také, že můžeme očekávat přechod těchto firem od prototypů k produktům; Lightmatter již nasazuje testovací systémy a optické čiplety Ayar jsou určeny pro pilotní použití v HPC systémech.
Intel outsourcuje transceivery společnosti Jabil (konec roku 2023): V zajímavém zvratu se Intel na konci roku 2023 rozhodl převést svůj velkoobjemový byznys se silikonovými fotonickými transceivery na Jabil, výrobního partnera optics.org. Intel od roku 2016 dodal více než 8 milionů fotonických transceiverových čipů optics.org – tyto čipy se používají pro 100G/200G konektivitu v datových centrech. Předáním výroby společnosti Jabil (smluvní výrobce) Intel signalizoval strategický posun: zaměří se na integraci fotoniky se svými klíčovými platformami (jako jsou ko-balené optiky a fotonika přímo na procesoru), zatímco partner převezme komoditizovaný trh s transceivery. Tento krok také odráží dozrávání odvětví – to, co bylo před pár lety špičkovou technologií (100G pluggables), je nyní natolik rutinní, že se dá outsourcovat. Jabil na své straně buduje optickou výrobu, která by mohla potenciálně sloužit i dalším zákazníkům. Spolupráce mezi Intelem a Jabilem byla analytiky označena za klíčový vývoj v odvětví optics.org, přičemž ji vnímají jako součást evoluce ekosystému.
InnoLight představuje 1,6 Tb/s modul (konec roku 2023): V závodě o vyšší rychlosti oznámila čínská společnost InnoLight, která vyrábí optické transceivery, že dosáhla prototypu optického transceiveru s kapacitou 1,6 terabitů za sekundu optics.org. To pravděpodobně zahrnuje více vlnových délek (např. 16×100G nebo 8×200G kanálů) na silikonové fotonické platformě. Dosažení 1,6 Tb/s v jednom modulu o rok dříve než někteří konkurenti ukazuje rostoucí čínskou sílu v oblasti silikonové fotoniky. Modul InnoLight by mohl být použit pro uplinky top-of-rack switchů nebo pro propojení AI systémů. Je to také náznak, že 3,2 Tb/s moduly (které by například využívaly 8 vlnových délek po 400G) nejsou daleko – ve skutečnosti IDTechX předpovídá 3,2 Tb/s moduly do roku 2026 optics.org. Šlo o rekord, který poutal pozornost a podtrhuje intenzivní globální konkurenci; Coherent (USA) a další rovněž pracují na 1,6T a 3,2T návrzích optics.org.
Pokrok PsiQuantum v oblasti fotonických kvantových čipů (2024): Na kvantové frontě PsiQuantum (která je tajnůstkářská, ale je známo, že spolupracuje s GlobalFoundries) zveřejnila studii, která načrtává cestu k fotonickému kvantovému počítači odolnému vůči ztrátám, a oznámila čip s názvem „Omega“ pro svou fotonickou kvantovou architekturu thequantuminsider.com. I když zatím nejde o komerční produkt, ukazuje to, že hardware pro fotonické kvantové počítání se posouvá kupředu – se silikonovou fotonikou v jádru. Přístup PsiQuantum vyžaduje integraci tisíců zdrojů a detektorů jednotlivých fotonů. Novinkou je zde ověření vyrobitelnosti: článek v Nature z roku 2022 demonstroval klíčové komponenty (zdroje, filtry, detektory) na jednom silikonovém fotonickém čipu, který by bylo možné škálovat nature.com. To naznačuje, že jsou na cestě k milníku kolem poloviny 20. let až začátku 30. let tohoto století, kdy by mohli představit prototyp optického kvantového počítače s milionem qubitů (jejich dlouhodobý cíl). Takovéto vývoje, byť okrajové, jsou pečlivě sledovány, protože by mohly předefinovat špičkové výpočty.
Startupy s lithium-niobátovou fotonikou získaly financování (2023): Jak již bylo zmíněno, dva startupy zaměřené na integraci LiNbO₃ se silikonovou fotonikou, HyperLight (USA) a Lightium (Švýcarsko), získaly v roce 2023 dohromady 44 milionů dolarů optics.org. Tato zpráva o financování byla pozoruhodná, protože poukazuje na trend: přidávání nových materiálů do silikonové fotoniky za účelem prolomení výkonnostních bariér. Tyto firmy se chlubí modulátory, které mohou pracovat s vyšší linearitou a v širokém rozsahu vlnových délek (od viditelného po střední IR) s velmi nízkými ztrátami optics.org. Okamžitým využitím mohou být ultrarychlé modulátory pro komunikaci nebo speciální zařízení pro kvantovou a RF fotoniku. Širším bodem je, že investiční komunita podporuje také inovace v materiálech ve fotonice, nejen ty zjevnější startupy s transceivery. Je to znamení, že i pokroky v materiálových vědách (jako TFLN na izolantu) se mohou v tomto oboru rychle proměnit ve startupy a produkty.
Aktualizace standardů a konsorcií (2024–25): Na poli standardizace došlo k posunům. Continuous-Wave WDM MSA (konsorcium definující standardní moduly světelných zdrojů pro co-packaged optiku) představilo počáteční specifikace pro společné laserové zdroje, které mohou napájet více fotonických čipů. To je důležité pro zajištění kompatibility mezi různými dodavateli pro co-packaged optiku. Také konsorcium UCIe (pro propojování čipletů) vytvořilo optickou pracovní skupinu, která zvažuje, jak by mohly být standardizovány optické spoje mezi čiplety. Mezitím organizace jako COBO (Consortium for On-Board Optics) a CPO Alliance pořádaly summity (např. na OFC 2024), kde diskutovaly o nejlepších postupech pro co-packaged optiku ansys.com. To vše ukazuje, že průmysl si uvědomuje potřebu harmonizovat rozhraní a vyhnout se fragmentaci, která by mohla zpomalit adopci. Nedávné zprávy z IEEE také naznačily pokrok ve standardech pro 1,6T Ethernet a související optická rozhraní, která předpokládají využití křemíkové fotoniky.
Uvedení produktů na trh: Na straně produktů již vidíme skutečný hardware:
- 800G zasouvatelné moduly: Několik dodavatelů (Intel, Marvell/Inphi atd.) začalo v roce 2024 vzorkovat 800G QSFP-DD a OSFP moduly, které uvnitř využívají křemíkovou fotoniku. Tyto moduly budou pravděpodobně nasazeny ve switchích a sítích v roce 2025.
- CPO vývojové sady: Společnosti jako Ranovus a IBM předvedly vývojové sady pro co-packaged optiku development kits – předstupeň komerčních CPO produktů. Například IBM ukázalo funkční výzkumný prototyp co-packaged switche a Ranovus má CPO modul s 8×100G vlnovými délkami.
- Produkty s křemíkovou fotonickou LiDAR: Společnosti Innovusion (Čína) a Voyant Photonics (USA) oznámily pokrok ve svém křemíkovém fotonickém LiDARu. Nejnovější LiDAR od Innovusion pro vozidla využívá některé křemíkové fotonické komponenty k dosažení FMCW za konkurenceschopnou cenu. Voyant, startup vycházející z výzkumu na Kolumbijské univerzitě, již prodává malý solid-state LiDAR modul založený na křemíkové fotonice pro použití v dronech a robotech.
- Optické I/O čiplety: Do poloviny roku 2025 plánuje Ayar Labs mít své TeraPHY optické I/O čiplet a SuperNova laserový zdroj v raném testování u zákazníků, přičemž dodá 8 Tbps optický spoj pro HPC systémy. Pokud vše půjde podle plánu, mohlo by jít o jedno z prvních nasazení optického I/O v počítačovém systému (pravděpodobně ve vládní laboratoři nebo pilotním superpočítači v letech 2025–26).

Sled nedávných zpráv vykresluje obraz oboru, který rychle postupuje na několika frontách: od průlomů v rychlosti (1,6T optika) přes zásadní strategické kroky (outsourcing Intelu, velká investiční kola) až po první nasazení svého druhu (optické enginy pro AI). Je to vzrušující doba, protože tyto události naznačují, že křemíková fotonika přechází z nadějné technologie do komerční reality s rostoucím dopadem na produkty a průmysl.

Pro širokou veřejnost je hlavním poselstvím všech těchto zpráv to, že křemíková fotonika není vzdálený slib – děje se to právě teď. Firmy do ní investují peníze a zdroje, skutečné produkty se již dodávají a každé čtvrtletí přináší nové milníky, které překonávají předchozí rekordy. Jde o rychle se rozvíjející obor a i technicky zdatní čtenáři mohou být překvapeni, jak rychle se objevily věci jako „optické čiplety“ nebo „1,6 terabitové moduly“. Zprávy také zdůrazňují, že jde o globální závod – s významnou aktivitou v USA, Evropě i Asii – a že zahrnuje vše od deep tech startupů po největší čipové firmy a poskytovatele sítí.

Budoucí výhled a předpovědi

Při pohledu do budoucna se zdá, že křemíková fotonika má mimořádně slibné vyhlídky a potenciál předefinovat výpočetní techniku a komunikace v příštím desetiletí. Zde jsou některé předpovědi a očekávání, co budoucnost přinese:

Široké rozšíření ve výpočetní technice: Do konce 20. let 21. století lze očekávat, že křemíková fotonika bude standardní součástí špičkových výpočetních systémů. Jak bylo uvedeno, v letech 2026–2027 by se měly objevit první CPU, GPU nebo AI akcelerátory s integrovaným optickým I/O nextplatform.com. Zpočátku to může být na specializovaných trzích (superpočítače, systémy pro vysokofrekvenční obchodování, špičkové AI clustery), ale připraví to cestu pro širší přijetí. Jakmile se technologie osvědčí a objemy porostou, optické I/O by se mohlo v 30. letech rozšířit i do běžnějších serverů a zařízení. Představte si rackové servery, kde má každý CPU optické porty přímo na pouzdře, připojené k optickému top-of-rack switchi; to by se mohlo stát běžným standardem. Paměťové úzké hrdlo by také mohlo být řešeno optickými propoji – například optickým propojením paměťových modulů s procesory pro větší šířku pásma na vzdálenost (někteří výzkumníci hovoří o „optické disaggregaci paměti“ pro velké sdílené paměťové fondy). Stručně řečeno, datové centrum budoucnosti (a tím i cloudové služby budoucnosti) bude pravděpodobně postaveno na síti optických propojení na všech úrovních, umožněné křemíkovou fotonikou.
Terabitové sítě pro všechny: Kapacita síťových spojů bude i nadále skokově narůstat. Bavíme se o 1,6 Tb/s, 3,2 Tb/s, dokonce i 6,4 Tb/s optických transceiverech v jednom modulu na začátku 30. let. Tyto rychlosti jsou ohromující – spoj o rychlosti 3,2 Tb/s by dokázal přenést film ve 4K za zlomek milisekundy. Tyto rychlosti budou sice využívány v páteřních sítích datových center a telekomunikačních sítích, ale nepřímo z nich budou těžit i běžní uživatelé (rychlejší internet, robustnější cloudové služby). Analytici předpovídají, že do roku 2035 trh s fotonickými integrovanými obvody dosáhne hodnoty přes 50 miliard dolarů, a to zejména díky těmto transceiverům pro AI a datová centra optics.org. Můžeme očekávat, že se 800G a 1,6T stanou novým standardem místo 100G, což znamená, že budou hlavními spoji v sítích. S rostoucím objemem klesne cena za bit, což zlevní a rozšíří vysokorychlostní konektivitu. Je pravděpodobné, že i spotřebitelská zařízení (například VR headsety, které potřebují velmi vysokou šířku pásma pro spojení s PC nebo konzolí) budou využívat optický USB nebo optický Thunderbolt kabel pro přenos desítek či stovek gigabitů bez zpoždění nebo ztrát.
Revoluce v telekomunikacích: V telekomunikacích pomůže křemíková fotonika realizovat plně optické sítě s mnohem vyšší efektivitou. Koherentní optická komunikace s integrovanou fotonikou pravděpodobně dosáhne více než 1 Tb/s na vlnovou délku (s pokročilými konstelacemi a možná i integrovanými transceiverovými DSP). To by mohlo učinit vícenásobné terabitové optické kanály ekonomicky výhodnými a snížit počet potřebných laserů/vláken. Křemíková fotonika také umožní, aby rekonfigurovatelné optické multiplexery (ROADM) a další síťová zařízení byla kompaktnější a energeticky úspornější, což usnadní zavádění sítí s vyšší kapacitou (5G/6G) a lepší infrastruktury optiky do domácností. Jednou konkrétní oblastí, kterou je třeba sledovat, jsou integrované lasery pro kabelovou TV / optický přístup: levné laditelné lasery na křemíku by mohly umožnit každé domácnosti mít například symetrické 100G optické připojení. Integrací optických funkcí mohou telekomunikační operátoři zjednodušit ústředny a hlavní stanice. Celkový efekt tedy bude ještě rychlejší a spolehlivější internetové služby za potenciálně nižší ceny, poháněné v pozadí křemíkovými fotonickými čipy.
AI výpočty a optické enginy: V oblasti AI, pokud uspějí firmy jako Lightmatter a Lightelligence, můžeme být svědky prvních optických koprocesorů v datových centrech. Tyto koprocesory by urychlovaly maticové násobení nebo grafové analýzy pomocí světla a mohly by přinést skoky ve výkonu na watt. Je představitelné, že během 5 let budou mít některá datová centra racky optických AI akcelerátorů vedle GPU, které budou extrémně rychle zpracovávat specializované úlohy (například ultra-rychlé inferování pro služby v reálném čase). I když plně optické počítače zůstanou částečně omezené, hybridní elektro-optický přístup (elektronika pro logiku, fotonika pro masivní přenos dat a operace multiply-accumulate) by se mohl stát klíčovou strategií pro udržení škálování výkonu AI. Díky snížení tepla a spotřeby energie může fotonika pomoci udržet trénování AI proveditelné i při škálování modelů na biliony parametrů. Stručně řečeno, křemíková fotonika může být tajnou ingrediencí, která umožní další 1000× nárůst velikosti AI modelů/trénovacích dat bez přetížení elektrické sítě.
Dopad na spotřebitelské technologie: Zatímco většina křemíkové fotoniky se v současnosti používá ve velkých serverovnách (datová centra, sítě), časem se dostane i do spotřebitelských zařízení. Jedním z jasných kandidátů jsou AR/VR headsety (kde je potřeba přenášet obrovské množství dat do miniaturních displejů a kamer – optické propoje by mohly pomoci). Další možností je spotřebitelský LiDAR nebo hloubkové senzory – budoucí chytré telefony nebo nositelná zařízení by mohla mít miniaturní křemíkové fotonické senzory pro monitorování zdraví (což bylo cílem Rockley Photonics) nebo pro 3D skenování okolí. Intelův Mobileye už naznačil, že jeho křemíkový fotonický LiDAR bude v autech, takže koncem 20. let by vaše nové auto mohlo mít integrovaný fotonický čip, který tiše řídí senzory autonomního řízení tanaka-preciousmetals.com. Postupem času, jak budou náklady klesat, by se takové senzory mohly objevit v běžných zařízeních (představte si chytré hodinky, které pomocí křemíkového fotonického senzoru neinvazivně sledují glukózu nebo krevní analytiku pomocí optické spektroskopie na vašem zápěstí – na tomto konceptu firmy skutečně pracují). I v oblasti špičkového audia/videa by optické čipy mohly vylepšit kamery (LiDAR pro ostření nebo 3D mapování ve fotografii) nebo umožnit holografické displeje modulací světla v mikroskopickém měřítku (trochu spekulativní, ale ne nemožné, jak se zlepšují prostorové modulátory světla na křemíku). Takže za deset let mohou spotřebitelé nevědomky používat křemíkovou fotoniku ve svých zařízeních stejně, jako dnes všude používáme MEMS senzory, aniž bychom o tom přemýšleli.
Fotonika v kvantové oblasti: Pokud se podíváme ještě dál do budoucnosti, kvantové fotonické technologie by mohly dozrát. Pokud PsiQuantum nebo jiní uspějí, mohli bychom mít fotonový kvantový počítač, který překoná klasické superpočítače v určitých úlohách – možná s miliony provázaných fotonů zpracovávaných na čipu. To by byl monumentální úspěch, pravděpodobně stejně transformační jako první elektronické počítače. I když to může být až po roce 2030, pokrok mezitím by mohl přinést kvantové simulátory nebo síťové kvantové komunikační systémy využívající křemíkovou fotoniku. Například bezpečné kvantové komunikační linky (QKD sítě) by mohly být nasazeny v městských sítích pomocí standardizovaných křemíkových fotonických QKD vysílačů v datových centrech. Existuje také potenciál pro kvantové senzory na čipu (například optické gyroskopy s kvantovou citlivostí), které najdou využití v navigaci nebo vědě.
Pokračující výzkum a nové obzory: Samotné pole křemíkové fotoniky se bude dále vyvíjet. Výzkumníci již zkoumají 3D integraci – vrstvení fotonických čipů s elektronickými pro ještě těsnější propojení (někteří zkoumají mikrospoje nebo techniky spojování, aby například umístili fotonický propojovací čip pod CPU). Hovoří se také o optických sítích na čipu (ONoC), kde místo nebo vedle elektrických sítí na čipu používají procesory ke komunikaci mezi jádry světlo. Pokud by jednou mnohojádrové CPU používaly vnitřní optické sítě, mohlo by to odstranit úzká hrdla v šířce pásma uvnitř čipu (to je zatím vzdálenější, ale konceptuálně ověřeno v laboratořích). Nano-fotonika by také mohla přijít ke slovu: plasmonické nebo nanoskopické optické komponenty, které pracují při velmi vysokých rychlostech nebo na extrémně malém prostoru, potenciálně integrované s křemíkovou fotonikou pro určité úlohy (například ultra-kompaktní modulátory). A kdo ví, možná jednoho dne někdo dosáhne svatého grálu křemíkového laseru pomocí nějakého chytrého materiálového triku – což by skutečně zjednodušilo fotonickou integraci.
Tržní a průmyslový výhled: Z ekonomického hlediska pravděpodobně uvidíme, jak trh se silikonovou fotonikou zažije boom. Podle IDTechX se do roku 2035 očekává tržní hodnota kolem 54 miliard dolarů optics.org. Významnou část sice bude tvořit datová komunikace, ale odhadem ~11 miliard dolarů může pocházet z nedatových aplikací (telekomunikace, lidar, senzory, kvantové technologie atd.) optics.org. To znamená, že přínosy této technologie se rozšíří do mnoha odvětví. Můžeme také být svědky velkých otřesů v průmyslu nebo partnerství: například, mohl by technologický gigant koupit některý z fotonických startupů-unicornů (představte si, že Nvidia koupí Ayar Labs nebo Lightmatter, aby si zajistila náskok v optickém výpočetnictví)? Je to možné, jakmile půjde o vyšší sázky. Navíc by se mohla mezinárodní konkurence vyostřit – můžeme očekávat významné investice vlád s cílem zajistit si vedoucí postavení (podobně jako je považován polovodičový průmysl za strategický). Silikonová fotonika se může stát klíčovou součástí národních technologických strategií, což dále podpoří financování výzkumu a vývoje a infrastruktury.

V širším smyslu, pokud se podíváme zpět, budoucnost se silikonovou fotonikou je taková, kde se hranice mezi výpočetní technikou a komunikací stírají. Vzdálenost přestává být omezující – data mohou cestovat v rámci čipu nebo mezi městy stejně snadno po optických vláknech. To by mohlo umožnit architektury jako distribuované výpočty, kde na fyzickém umístění zdrojů příliš nezáleží, protože optické propojení zajišťuje nízkou latenci a vysokou šířku pásma. Mohli bychom vidět skutečně rozčleněná datová centra, kde jsou výpočetní jednotky, úložiště a paměť opticky propojeny jako LEGO kostky. Energetická efektivita fotoniky by také mohla přispět k ekologičtějším ICT, což je důležité, protože energetická náročnost digitální infrastruktury roste.

Jak řekl jeden z veteránů oboru, „cesta ke škálování silikonové fotoniky je stejně vzrušující jako náročná.“ laserfocusworld.com Nadcházející roky nepochybně přinesou překážky, ale existuje kolektivní odhodlání v akademické i průmyslové sféře je překonat. Díky spolupráci a inovacím – propojením materiálových věd, polovodičového inženýrství a fotoniky – jsou odborníci přesvědčeni, že tyto výzvy zvládneme a odemkneme plný potenciál silikonové fotoniky laserfocusworld.com. Budoucí výhled je, že tato technologie se přesune z okraje (propojování našich zařízení nebo posilování specializovaných systémů) přímo do srdce výpočetní techniky a konektivity. V podstatě jsme svědky úsvitu nové éry – éry, kdy informace v zařízeních a sítích, které tvoří základ moderního života, ponese nejen elektron, ale i světlo. A to je skutečně revoluční změna, která se bude odehrávat v příštím desetiletí a dále.

Zdroje: Definice a výhody křemíkové fotoniky ansys.com ansys.com; aplikace v senzorice, LiDARu, kvantových technologiích ansys.com ansys.com; trendy v datových centrech a AI laserfocusworld.com, optics.org; citace odborníků a postřehy laserfocusworld.com, tanaka-preciousmetals.com, nature.com; lídři v oboru expertmarketresearch.com; nejnovější zprávy a investice datacenterdynamics.com, nextplatform.com, nextplatform.com; budoucí projekce optics.org