Rewolucja fotoniki krzemowej – technologia z prędkością światła zmienia AI, centra danych i nie tylko

Czym jest fotonika krzemowa i jak działa?

Fotonika krzemowa to technologia wykorzystująca oparte na krzemie zintegrowane układy fotoniczne (PIC) do manipulowania światłem (fotonami) w celu przetwarzania i komunikacji. Mówiąc prościej, polega to na budowaniu urządzeń optycznych (takich jak lasery, modulatory i detektory) na chipach krzemowych, podobnie jak tworzy się układy elektroniczne. Te krzemowe układy fotoniczne mogą wysyłać i odbierać dane za pomocą światła, umożliwiając ultraszybki transfer danych o dużej przepustowości i niskich stratach energii ansys.com. Kluczowe elementy to światłowody (miniaturowe „przewody” optyczne prowadzące światło na chipie), modulatory (kodujące dane na wiązkach światła), lasery (zwykle dodawane z innych materiałów, ponieważ sam krzem nie emituje światła) oraz fotodetektory (przekształcające docierające światło z powrotem na sygnały elektryczne) ansys.com. Integrując je na platformie krzemowej, inżynierowie wykorzystują dobrze rozwinięte technologie produkcji półprzewodników (CMOS) do masowej produkcji urządzeń fotonicznych, łącząc prędkość światła ze skalą nowoczesnej produkcji chipów ansys.com.

Jak to działa? Zamiast impulsów elektrycznych w przewodach miedzianych, krzemowe układy fotoniczne wykorzystują światło lasera podczerwonego płynące przez falowody o rozmiarach mikronowych. Krzem jest przezroczysty dla długości fal podczerwonych, co pozwala światłu propagować się z minimalnymi stratami, gdy jest ograniczone przez otaczające materiały, takie jak dwutlenek krzemu o niższym współczynniku załamania ansys.com ansys.com. Dane są kodowane na tych falach świetlnych za pomocą modulatorów, które mogą szybko zmieniać intensywność lub fazę światła. Na drugim końcu fotodetektory na chipie przekształcają sygnały optyczne z powrotem na postać elektryczną. Ponieważ światło oscyluje z częstotliwościami znacznie wyższymi niż sygnały elektryczne, połączenia optyczne mogą przenosić znacznie więcej danych na sekundę niż przewody elektryczne. Jeden mały światłowód lub falowód może przesyłać dziesiątki lub setki gigabitów na sekundę, a dzięki wykorzystaniu wielu długości fal światła (gęste multipleksowanie z podziałem długości fali) pojedyncze włókno może przenosić terabity danych. W praktyce fotonika krzemowa umożliwia komunikację na chipie lub między chipami z prędkościami rzędu 100 Gb/s, 400 Gb/s lub więcej, co w innym przypadku wymagałoby wielu linii miedzianych lub byłoby po prostu niewykonalne na większe odległości ansys.com optics.org.

Urządzenia fotoniki krzemowej są kompaktowe, szybkie i energooszczędne. Światło może przemieszczać się przez światłowody z bardzo niskim oporem (brak pojemności elektrycznej czy problemów z nagrzewaniem, które pojawiają się przy dużych prędkościach w przypadku miedzi), co oznacza potencjalnie niższe zużycie energii przy przesyłaniu danych. Jedna z analiz wskazuje, że optyczne połączenia mogą drastycznie zmniejszyć wąskie gardła przesyłu danych i ograniczyć nagrzewanie w systemach wysokowydajnych – „optyczne połączenia, umożliwione przez fotonikę krzemową, to jedyna skalowalna droga naprzód”, by sprostać rosnącym wymaganiom przepustowości laserfocusworld.com. Krótko mówiąc, fotonika krzemowa łączy tanią, masowo produkowaną platformę układów krzemowych z fizyką światła, tworząc „układy scalone dla fotonów” na chipie ansys.com. Technologia ta pozwala nam dosłownie przesyłać dane z prędkością światła w sytuacjach, gdzie tradycyjna elektronika osiąga swoje granice.

Kluczowe zastosowania fotoniki krzemowej

Fotonika krzemowa zaczęła się od komunikacji światłowodowej, ale dziś to wszechstronna platforma, znajdująca zastosowanie w wielu nowatorskich dziedzinach. Dzięki dużej szybkości i energooszczędności, każda branża wymagająca przesyłania ogromnych ilości danych (lub precyzyjnej kontroli światła) jest potencjalnym odbiorcą tej technologii. Oto kilka kluczowych zastosowań:

Centra danych i szybkie sieci chmurowe

Jednym z najważniejszych zastosowań jest wykorzystanie w centrach danych i superkomputerach, gdzie fotonika krzemowa odpowiada na pilną potrzebę szybszych i bardziej wydajnych połączeń. Nowoczesne chmurowe i hiperskalowe centra danych obsługują ogromne przepływy danych między serwerami, szafami i w obrębie sieci kampusowych. Kable miedziane i tradycyjne przełączniki elektryczne stają się coraz większym wąskim gardłem – zużywają zbyt dużo energii i nie można ich skalować powyżej określonych odległości czy prędkości (na przykład łącza miedziane 100 Gb/s działają tylko na kilku metrach). Połączenia fotoniki krzemowej rozwiązują ten problem, wykorzystując światłowody i zintegrowane silniki optyczne do łączenia serwerów i przełączników z bardzo dużą prędkością i minimalnymi stratami. Transceivery optyczne oparte na fotonice krzemowej już zastępują lub uzupełniają połączenia elektryczne w komunikacji między szafami, a nawet wewnątrz szaf tanaka-preciousmetals.com.

Cisco i Intel byli tutaj pionierami: Cisco projektuje obecnie szybkie, wtykane transceivery optyczne wykorzystujące fotonikę krzemową do łączenia sprzętu sieciowego expertmarketresearch.com. Podobnie Intel wykorzystał fotonikę krzemową do zwiększenia łączności w centrach danych, wysyłając miliony układów transceiverów optycznych 100G, a obecnie wdrażając moduły optyczne 200G, 400G i testując 800G tanaka-preciousmetals.com. Motywacja jest jasna – gdy szybkości transmisji danych podwajają się z 100G do 200G i 400G, zasięg miedzi dramatycznie się zmniejsza. „Kiedy dziś wchodzisz do centrum danych, zobaczysz kable miedziane 100 Gb/s łączące serwery z przełącznikiem górnej półki… Te kable są w porządku na odległość około czterech metrów. Ale wszystko poza szafą rackową już korzysta z optyki,” zauważa Robert Blum, starszy dyrektor ds. fotoniki w firmie Intel, dodając, że „gdy zwiększamy szybkości transmisji danych do 200 lub 400 Gb/s, zasięg miedzi staje się znacznie krótszy i zaczynamy obserwować trend, w którym optyka dociera aż do serwera.” tanaka-preciousmetals.com W klastrach komputerów wysokiej wydajności (HPC) i superkomputerach AI, gdzie tysiące procesorów potrzebują połączeń o niskich opóźnieniach, połączenia optyczne zapewniają przepustowość, która pozwala dostarczać dane do wszystkich tych układów ansys.com, laserfocusworld.com. Dzięki wprowadzeniu fotoniki do przełącznika, a nawet do pakietów procesorów (tzw. optyka współpakietowana), przyszłe sieci centrów danych osiągną znacznie wyższe przepustowości. W rzeczywistości, przełączniki 51,2 Tb/s z zintegrowanym optycznym I/O są już na horyzoncie, a prototypy zostały już zademonstrowane tanaka-preciousmetals.com.

Korzyści dla centrów danych są znaczące: niższe zużycie energii (łącza optyczne tracą znacznie mniej energii w postaci ciepła niż przesyłanie elektronów przez miedź z częstotliwościami rzędu dziesiątek GHz), większa gęstość (wiele kanałów optycznych można multipleksować bez obaw o zakłócenia elektromagnetyczne) oraz dłuższy zasięg (sygnały optyczne mogą pokonywać kilometry, jeśli to konieczne). Oznacza to, że fotonika krzemowa pomaga centrom danych zwiększać wydajność bez ograniczeń narzucanych przez limity połączeń. Jeden z analityków rynkowych zauważył, że centra danych skoncentrowane na AI napędzają bezprecedensowy popyt na wysokowydajne transceivery optyczne, twierdząc, że „fotonika krzemowa i układy PIC są na czele tej rewolucji, dzięki zdolności przesyłania danych z prędkościami 1,6 Tb/s i więcej.” optics.org W praktyce pojedynczy układ fotoniczny wielkości paznokcia może zawierać dziesiątki kanałów laserowych, które razem przenoszą terabity danych – co jest kluczowe dla infrastruktury chmury nowej generacji.

Przyspieszenie AI i uczenia maszynowego

Eksplozja obciążeń związanych z AI i uczeniem maszynowym to szczególny przypadek zastosowania w centrach danych – zasługuje na osobną wzmiankę, ponieważ AI generuje unikalne wymagania i pobudziła nowe zastosowania fotoniki krzemowej. Trenowanie zaawansowanych modeli AI (takich jak duże modele językowe napędzające chatboty) obejmuje masywne obliczenia równoległe rozproszone na wielu GPU lub wyspecjalizowanych akceleratorach AI. Te układy muszą wymieniać ogromne ilości danych podczas zadań takich jak trenowanie modeli, często nasycając konwencjonalne łącza elektryczne. Fotonika krzemowa oferuje AI podwójną korzyść: szybkie połączenia o dużej przepustowości oraz nawet potencjał do obliczeń optycznych.

Po stronie połączeń międzysystemowych rozwijane są łącza optyczne do bezpośredniego łączenia układów przyspieszających AI lub pamięci za pomocą światła (czasami nazywane optycznym I/O). Zastępując tradycyjną magistralę serwerową lub komunikację GPU-GPU światłowodem, systemy AI mogą znacząco zmniejszyć opóźnienia komunikacyjne i zużycie energii. Na przykład startupy takie jak Ayar Labs tworzą optyczne chiplet I/O, które umieszczane są obok procesorów, aby przesyłać dane za pomocą światła, eliminując gęste wiązki miedzianych ścieżek, które w przeciwnym razie byłyby potrzebne. W 2024 roku Ayar Labs zaprezentowało optyczny chiplet oferujący przepustowość 8 Tb/s przy użyciu 16 długości fal światła – to zapowiedź tego, jak mogą wyglądać połączenia AI następnej generacji businesswire.com. Najwięksi producenci chipów zwracają na to uwagę: Nvidia, AMD i Intel zainwestowały w Ayar Labs w ramach rundy finansowania o wartości 155 milionów dolarów, stawiając na to, że połączenia optyczne będą kluczowe dla skalowania przyszłego sprzętu AI nextplatform.com. Jak zażartował jeden z dziennikarzy, jeśli nie da się uzyskać wystarczającej szybkości, po prostu przyspieszając chipy, „następną najlepszą rzeczą, w którą warto zainwestować, jest prawdopodobnie jakaś forma optycznego I/O.” nextplatform.com

Poza przesyłaniem danych między układami AI, fotoniczny krzem umożliwia także obliczenia optyczne dla AI. Oznacza to wykonywanie niektórych obliczeń (takich jak mnożenie macierzy w sieciach neuronowych) za pomocą światła zamiast elektryczności, co potencjalnie może ominąć niektóre ograniczenia prędkości i zużycia energii dzisiejszych elektronicznych akceleratorów AI. Firmy takie jak Lightmatter i Lightelligence zbudowały prototypowe procesory fotoniczne, które wykorzystują interferencję światła w falowodach krzemowych do równoległego obliczania wyników. Pod koniec 2024 roku Lightmatter pozyskał imponującą rundę finansowania serii D w wysokości 400 milionów dolarów (co podniosło wycenę firmy do 4,4 miliarda dolarów), aby rozwijać swoją technologię obliczeń optycznych nextplatform.com. Choć wciąż są to rozwiązania w fazie rozwoju, te fotoniczne akceleratory AI obiecują ultraszybkie, niskolatencyjne wykonywanie sieci neuronowych przy znacznie niższym poborze mocy, ponieważ fotony generują minimalną ilość ciepła w porównaniu do miliardów przełączeń tranzystorów.

Ogólnie rzecz biorąc, w miarę jak modele AI rosną pod względem rozmiaru i złożoności (i wymagają klastrów składających się z dziesiątek tysięcy układów scalonych), fotonika krzemowa jest postrzegana jako „zmiana paradygmatu”, która może przezwyciężyć wąskie gardła komunikacyjne w infrastrukturze AI laserfocusworld.com. Oferuje ona sposób na liniowe skalowanie przepustowości między procesorami wraz ze wzrostem zapotrzebowania, z czym połączenia elektryczne mają trudności. Obserwatorzy branży przewidują, że technologie optyczne (takie jak optyka współpakietowana, optyczne połączenia chip-to-chip, a być może także elementy obliczeniowe oparte na fotonice) staną się standardem w systemach AI w nadchodzących latach – nie będą już tylko niszowym eksperymentem. W rzeczywistości, według jednych szacunków, centra danych AI będą rosły tak szybko (50% CAGR w zużyciu energii), że do 2030 roku mogą stać się niezrównoważone przy obecnych elektrycznych interfejsach I/O, co sprawia, że fotonika krzemowa stanie się „niezastąpioną częścią naszej przyszłej infrastruktury”, aby utrzymać skalowalność AI laserfocusworld.com.

Telekomunikacja i sieci komputerowe

Fotonika krzemowa ma swoje korzenie w telekomunikacji i nadal rewolucjonizuje sposób, w jaki przesyłamy dane na duże odległości. W światłowodowych sieciach telekomunikacyjnych – czy to w szkieletowej infrastrukturze Internetu, kablach podmorskich, czy sieciach miejskich i dostępowych – fotonika zintegrowana jest wykorzystywana do produkcji transceiverów optycznych, które są mniejsze, szybsze i tańsze. Tradycyjne systemy komunikacji optycznej często opierały się na oddzielnych komponentach (laserach, modulatorach, detektorach montowanych osobno), ale integracja fotoniki krzemowej pozwala umieścić wiele z tych elementów na jednym chipie, co poprawia niezawodność i obniża koszty montażu tanaka-preciousmetals.com.

Obecnie moduły transceiverów optycznych wykorzystujące fotonikę krzemową są powszechne w połączeniach między centrami danych i są coraz częściej wdrażane w infrastrukturze telekomunikacyjnej dla 100G, 400G i wyższych przepustowości. Na przykład firmy takie jak Infinera oraz Cisco (Acacia) opracowały koherentne transceivery optyczne wykorzystujące fotonikę krzemową dla połączeń 400G i 800G w sieciach telekomunikacyjnych. Szerokopasmowe sieci i sieci bezprzewodowe 5G/6G również odnoszą korzyści – łącza światłowodowe łączące wieże komórkowe lub przenoszące dane fronthaul/backhaul mogą być bardziej wydajne dzięki fotonice krzemowej. Intel podkreślił, że fotonika krzemowa odegra rolę w „wdrożeniach 5G nowej generacji z użyciem mniejszych form faktorów i wyższych prędkości, od 100G obecnie do 400G i więcej w przyszłości” expertmarketresearch.com. Możliwość integracji dziesiątek długości fal laserowych na jednym chipie jest przydatna dla systemów DWDM (gęste multipleksowanie z podziałem długości fali), które operatorzy telekomunikacyjni wykorzystują do upakowania większej liczby kanałów na każdym światłowodzie. W 2023 roku chińska firma InnoLight zaprezentowała nawet 1,6 Tb/s transceiver optyczny (wykorzystujący wiele długości fal i zaawansowaną modulację) – to znak, że wieloterabitowe łącza optyczne są już blisko optics.org.

Kolejnym zastosowaniem sieciowym jest sprzęt do routingu i przełączania rdzeniowego. Zaawansowane routery i platformy przełączania optycznego zaczynają wykorzystywać układy fotoniki krzemowej do takich funkcji jak przełączanie optyczne, trasowanie sygnałów, a nawet filtrowanie długości fal na chipie. Na przykład prototypowano duże matryce przełączników fotoniki krzemowej, które wykorzystują krzemowe MEMS lub efekty termo-optyczne do szybkiego przełączania ścieżek światła, co potencjalnie umożliwia całkowicie optyczne przełączanie obwodów. Takie rozwiązania mogą być w przyszłości wykorzystywane w sieciach centrów danych do optycznej rekonfiguracji połączeń w locie (Google sugerowało użycie przełączników optycznych w niektórych swoich klastrach AI) nextplatform.com.

Ogólnie rzecz biorąc, w telekomunikacji cele to większa przepustowość i niższy koszt na bit. Fotonika krzemowa pomaga poprzez skalowanie przepustowości światłowodów (100G → 400G → 800G i 1,6T na długość fali) oraz obniżanie kosztów produkcji dzięki procesom technologicznym CMOS. Wymowne jest, że dział fotoniki krzemowej Intela, zanim został zrestrukturyzowany, dostarczył ponad 8 milionów układów transceiverów fotonicznych w latach 2016–2023 do zastosowań w centrach danych i sieciach optics.org. Współpraca w branży rośnie: na przykład Intel pod koniec 2023 roku ogłosił, że przeniesie produkcję swoich transceiverów do Jabil (producenta kontraktowego), aby jeszcze bardziej zwiększyć skalę produkcji optics.org. Tymczasem giganci komponentów optycznych, tacy jak Coherent (dawniej II-VI) oraz tradycyjni dostawcy telekomunikacyjni (Nokia, Ciena itd.) wszyscy inwestują w fotonikę krzemową na potrzeby modułów optycznych nowej generacji optics.org. Technologia ta staje się fundamentem zarówno fizycznej infrastruktury Internetu, jak i szybko rozwijającego się ekosystemu komunikacji 5G/6G.

Sensing i LiDAR

Fotonika krzemowa to nie tylko komunikacja – umożliwia także nowe rodzaje czujników dzięki precyzyjnej kontroli światła na chipie. Jednym z ekscytujących obszarów jest biochemiczne i środowiskowe wykrywanie. Krzemowe czujniki fotoniczne mogą wykrywać minimalne zmiany współczynnika załamania lub absorpcji, gdy próbka (np. kropla krwi lub para chemiczna) wchodzi w interakcję z prowadzoną wiązką światła. Na przykład, krzemowy chip fotoniczny może mieć miniaturowy rezonator pierścieniowy lub interferometr, który zmienia częstotliwość, gdy określone cząsteczki się do niego przyłączą. Pozwala to na wykrywanie biomarkerów w stylu lab-on-a-chip – białek, DNA, gazów itd. – z wysoką czułością i potencjalnie niskim kosztem. Takie biosensory fotoniczne mogą być wykorzystywane do diagnostyki medycznej, monitoringu środowiska, a nawet w zastosowaniach typu „sztuczny nos” optics.org optics.org. Kluczowe są zalety miniaturyzacji i integracji: pojedynczy krzemowy chip czujnika fotonicznego może integrować źródła światła, elementy detekcyjne i fotodetektory, oferując kompaktowy, wytrzymały czujnik zamiast dużego sprzętu laboratoryjnego. Badania nad fotoniką krzemionkową (odmiana lepiej działająca dla długości fal widzialnych) otwierają jeszcze więcej zastosowań w detekcji, ponieważ SiN może prowadzić światło widzialne do wykrywania np. fluorescencji lub sygnałów Ramana, których czysty krzem nie obsługuje.

Kolejną dynamicznie rozwijającą się aplikacją jest LiDAR (Light Detection and Ranging) dla pojazdów autonomicznych, dronów i robotyki. Systemy LiDAR emitują impulsy laserowe i mierzą odbite światło, aby mapować odległości – to w zasadzie „laserowy wzrok 3D”. Tradycyjne jednostki LiDAR często opierają się na mechanicznym skanowaniu oraz oddzielnych laserach/detektorach, co czyni je drogimi i dość nieporęcznymi. Fotonika krzemowa oferuje sposób na zbudowanie LiDAR-u na chipie: integrując elementy sterujące wiązką, rozdzielacze, modulatory i detektory monolitycznie. Krzemowy fotoniczny LiDAR może wykorzystywać bezruchowe sterowanie wiązką (na przykład optyczne układy fazowe), aby skanować otoczenie bez ruchomych części. To drastycznie zmniejsza rozmiar i koszt jednostek LiDAR. W rzeczywistości Mobileye firmy Intel wskazało, że wykorzystuje zintegrowane układy fotoniki krzemowej w swoich czujnikach LiDAR nowej generacji do autonomicznej jazdy około 2025 roku tanaka-preciousmetals.com. Taka integracja może obniżyć koszty LiDAR-u i umożliwić masowe wdrożenie w samochodach. LiDAR oparty na fotonice krzemowej może również osiągać szybsze skanowanie i wyższą rozdzielczość, wykorzystując wiele długości fal lub techniki detekcji koherentnej zbudowane na chipie. Dodatkową zaletą tych zintegrowanych rozwiązań jest zazwyczaj mniejsze zużycie energii – co jest ważnym czynnikiem w pojazdach elektrycznych.

Według firmy Ansys, „rozwiązania LiDAR oparte na fotonice krzemowej są bardziej kompaktowe, zużywają mniej energii i są tańsze w produkcji niż systemy zbudowane z oddzielnych komponentów.” ansys.com To trafnie oddaje, dlaczego firmy – od startupów po gigantów technologicznych – ścigają się w rozwoju fotonicznego LiDAR-u. Już teraz widzimy prototypy FMCW LiDAR (LiDAR z modulacją częstotliwościową fali ciągłej), który wymaga precyzyjnych układów fotonicznych, takich jak lasery stroikowe i interferometry. Fotonika krzemowa jest do tego naturalną platformą, a eksperci przewidują, że zintegrowana fotonika będzie kluczowa dla upowszechnienia FMCW LiDAR (ze względu na jego duży zasięg i odporność na zakłócenia) optics.org optics.org. W niedalekiej przyszłości można się spodziewać samochodów i dronów wyposażonych w małe, oparte na chipach jednostki LiDAR o wysokiej wydajności – będące bezpośrednim efektem innowacji w fotonice krzemowej.

Poza LiDAR-em, inne zastosowania czujnikowe obejmują żyroskopy i czujniki inercyjne (wykorzystujące pierścieniowe żyroskopy laserowe na chipie do nawigacji) oraz spektrometry (zintegrowane spektrometry optyczne do analizy chemicznej). Wspólnym mianownikiem jest to, że fotonika krzemowa wnosi precyzję pomiarów optycznych w zminiaturyzowanym, możliwym do produkcji formacie. Otwiera to nowe możliwości w elektronice konsumenckiej (wyobraź sobie optyczny czujnik zdrowia w smartwatchu), monitoringu przemysłowym i instrumentach naukowych.

Komputery kwantowe i fotoniczne technologie kwantowe

W dążeniu do komputerów kwantowych fotony (cząstki światła) odgrywają wyjątkową rolę. W przeciwieństwie do elektronów, fotony mogą przemieszczać się na duże odległości bez interakcji z otoczeniem (co jest przydatne do przesyłania informacji kwantowej), a niektóre schematy obliczeń kwantowych wykorzystują fotony jako same kubity. Fotonika krzemowa wyłoniła się jako wiodąca platforma do badań nad komputerami i sieciami kwantowymi.

Wiele startupów i grup badawczych pracuje nad komputerami kwantowymi opartymi na fotonice, które wykorzystują krzemowe układy fotoniczne do generowania i manipulowania kubitami zakodowanymi w świetle. Na przykład PsiQuantum, startup z dużym finansowaniem, współpracuje z fabryką półprzewodników, aby zbudować wielkoskalowy komputer kwantowy wykorzystujący tysiące kanałów kubitów fotoniki krzemowej. Pomysł polega na zintegrowaniu na chipie urządzeń takich jak źródła pojedynczych fotonów, rozdzielacze wiązki, przesuwacze fazy i detektory fotonów, aby wykonywać logikę kwantową z użyciem fotonów. Zaletą fotoniki krzemowej jest tutaj skalowalność – ponieważ opiera się na technologii CMOS, można (w teorii) tworzyć bardzo złożone kwantowe układy fotoniczne z setkami lub tysiącami elementów, co jest znacznie trudniejsze w innych podejściach do sprzętu kwantowego. Rzeczywiście, naukowcy niedawno zademonstrowali krzemowe chipy fotoniczne z tysiącami elementów współpracujących ze sobą do manipulacji światłem kwantowym nature.com.

Fotonika krzemowa umożliwia także sieci kwantowe – bezpieczną komunikację z użyciem kwantowej dystrybucji klucza (QKD) i splątanych fotonów – zapewniając platformę dla kompaktowych, stabilnych optycznych nadajników i odbiorników kwantowych. Dodatkowo, niektóre technologie czujników kwantowych (takie jak optyczne żyroskopy kwantowe czy jedno-fotonowy LiDAR) mogą wykorzystywać krzemowe chipy fotoniczne jako swój rdzeń.

Jednym z głównych wyzwań w fotonice kwantowej jest generowanie pojedynczych fotonów na żądanie i kierowanie nimi przy niskich stratach. Co ciekawe, te same ograniczenia (i rozwiązania), które dotyczą klasycznej fotoniki krzemowej, mają zastosowanie w kwantowej: krzem nie emituje światła laserowego naturalnie, więc kwantowe chipy fotoniczne często wykorzystują zintegrowane procesy nieliniowe lub źródła kropek kwantowych do tworzenia pojedynczych fotonów, albo hybrydowo integrują specjalistyczne materiały. Korzyści są jednak podobne – wysoka precyzja i miniaturyzacja. Jak zauważa raport Ansys, komputery kwantowe wykorzystują fotony do obliczeń, a zarządzanie tymi fotonami za pomocą zintegrowanej fotoniki przynosi korzyści w postaci szybkości, dokładności i kosztów ansys.com. W praktyce fotonika krzemowa może zapewnić stabilność i możliwość produkcji potrzebne do skalowania systemów kwantowych z eksperymentów laboratoryjnych do rzeczywistych maszyn.

Poza obliczeniami, kwantowe czujniki fotoniczne (takie jak interferometry wykorzystujące stany kwantowe dla zwiększonej czułości) oraz kwantowe generatory liczb losowych to inne obszary, w których fotonika krzemowa wywiera wpływ. Chociaż fotoniczne obliczenia kwantowe są nadal w fazie rozwoju i prawdopodobnie do ich dojrzałości minie jeszcze kilka lat, ogromne inwestycje w tej dziedzinie podkreślają jej potencjał. W 2022 roku czołowy badacz, prof. John Bowers, podkreślił, że fotonika krzemowa rozwija się bardzo szybko, a na horyzoncie pojawia się wiele nowych zastosowań, w tym kwantowe nature.com. Można przewidywać, że pierwsze kwantowe komputery na dużą skalę mogą być w rzeczywistości optyczne i zbudowane na krzemowych układach fotonicznych – to fascynujące zamknięcie koła, gdzie technologia pierwotnie opracowana dla telekomunikacji może umożliwić kolejny skok w obliczeniach.

Obecne trendy i rozwój (2025)

Na rok 2025 fotonika krzemowa zyskuje ogromne tempo. Wiele trendów zbiegło się, by przesunąć tę technologię z laboratoriów i niszowych zastosowań do głównego nurtu branży technologicznej:

Wąskie gardło danych i optyka współpakowana: Nienasycone zapotrzebowanie na dane (zwłaszcza ze strony AI i usług chmurowych) sprawiło, że połączenia elektryczne stały się poważnym wąskim gardłem. Jesteśmy na etapie, gdzie za każdym razem, gdy podwajasz przepustowość połączenia, musisz o połowę skrócić długość kabla miedzianego, aby zachować integralność sygnału nextplatform.com – to nie do utrzymania kompromis. Ta pilność skierowała uwagę na podejścia takie jak optyka współpakowana (CPO), gdzie silniki optyczne są umieszczane tuż obok układów ASIC przełączników lub procesorów, aby wyeliminować niemal całą odległość transmisji elektrycznej. W 2023 roku wiele firm zaprezentowało optykę współpakowaną w przełącznikach (np. prototypy przełączników Broadcom o przepustowości 25,6 Tb/s i 51,2 Tb/s z zintegrowanymi silnikami fotonicznymi laserowymi). Mapy drogowe branży sugerują, że układy przełączników Ethernet 51,2 Tb/s z współpakowaną fotoniką krzemową powinny trafić na rynek w ciągu roku lub dwóch tanaka-preciousmetals.com, a około 2026–2027 roku prawdopodobnie zobaczymy pierwsze CPU/GPU wykorzystujące bezpośrednio optyczne I/O nextplatform.com. Innymi słowy, optyczna era połączeń ma się wkrótce rozpocząć w praktycznych systemach. Firmy takie jak Intel, Nvidia i Cisco aktywnie rozwijają rozwiązania CPO. W rzeczywistości projekt Tomambe Intela i inne już zaprezentowały silniki fotoniczne 1,6 Tb/s zintegrowane z układami przełączników tanaka-preciousmetals.com. Ogólny konsensus: po latach badań optyka współpakowana przechodzi z fazy prototypu do produktu, mając na celu zmniejszenie zużycia energii na bit poprzez przybliżenie źródeł światła do źródła danych (oszczędność energii na poziomie 30% w porównaniu do rozwiązań wtykanych, według jednego szacunku laserfocusworld.com).
Wzrost inwestycji i aktywności startupów: Ostatnie kilka lat przyniosło duże inwestycje i finansowanie w przedsięwzięcia z zakresu fotoniki krzemowej. Odzwierciedla to zaufanie, jakie branża pokłada w przyszłości tej technologii. Na przykład pod koniec 2024 roku Ayar Labs pozyskało 155 milionów dolarów w rundzie Series D (co dało jej status „jednorożca” z wyceną powyżej 1 miliarda dolarów), aby zwiększyć skalę swoich rozwiązań optycznych I/O; co istotne, w tej rundzie znalazły się strategiczne inwestycje od Nvidia, AMD i Intel nextplatform.com. Podobnie startup zajmujący się komputerami fotonicznymi, Lightmatter, pozyskał 400 milionów dolarów finansowania w 2024 roku, aby rozwijać swoją optyczną platformę akceleratorów AI nextplatform.com. Kolejny startup, Celestial AI, koncentrujący się na optycznych połączeniach dla AI, nie tylko zebrał 175 milionów dolarów na początku 2024 roku, ale także przejął portfolio własności intelektualnej z zakresu fotoniki krzemowej firmy Rockley Photonics (dawniej firma skupiona na fotonice do zastosowań sensorycznych) za 20 milionów dolarów w październiku 2024 roku datacenterdynamics.com. To przejęcie dało Celestial AI ponad 200 patentów z zakresu fotoniki krzemowej i sygnalizuje pewną konsolidację w branży – mniejsi gracze z wartościową technologią fotoniczną (Rockley opracował zaawansowane modulatory i zintegrowaną optykę do urządzeń wearables) są wchłaniani przez firmy celujące w rynki centrów danych i AI. Widzieliśmy także, jak HyperLight i Lightium, dwa startupy specjalizujące się w cienkowarstwowych chipach fotonicznych z niobku litu, przyciągnęły łącznie 44 miliony dolarów inwestycji w 2023 roku optics.org, co podkreśla zainteresowanie nowymi materiałami do ulepszania fotoniki krzemowej (modulatory TFLN mogą oferować większe prędkości i niskie straty). Ogólnie rzecz biorąc, finansowanie VC i wsparcie korporacyjne dla firm z branży fotoniki krzemowej jest na rekordowo wysokim poziomie, co odzwierciedla świadomość, że technologia optyczna jest kluczowa dla przyszłych półprzewodników.
Dojrzewanie technologii i rozwój ekosystemu: Kolejnym trendem jest dojrzewanie ekosystemu fotoniki krzemowej. Coraz więcej odlewni i dostawców bierze udział w tym rynku. W przeszłości tylko kilku graczy (takich jak Intel czy Luxtera) miało możliwości end-to-end. Obecnie duże odlewnie półprzewodników, takie jak GlobalFoundries, TSMC, a nawet STMicroelectronics, oferują linie procesowe fotoniki krzemowej lub standaryzowane fotoniczne PDK (Process Design Kits) dla klientów ansys.com. Ta standaryzacja oznacza, że startupy lub mniejsze firmy mogą projektować układy fotoniczne i zlecać ich produkcję bez konieczności budowania własnej fabryki – analogicznie do działania firm fabless produkujących układy elektroniczne. Regularnie organizowane są wspólne przebiegi produkcyjne multi-project wafer (MPW) dla układów fotonicznych, gdzie wiele projektów dzieli jeden przebieg na waflu, co drastycznie obniża koszty prototypowania. Grupy branżowe pracują nad standaryzowanymi rozwiązaniami w zakresie pakowania (interfejsy optyczne I/O, metody mocowania światłowodów), aby układy fotoniczne można było łatwiej integrować z produktami. Utworzenie American Institute for Manufacturing Integrated Photonics (AIM Photonics) było dużym impulsem: to konsorcjum publiczno-prywatne uruchomiło odlewnię i linię pakowania fotoniki krzemowej w Nowym Jorku i niedawno otrzymało 321 milionów dolarów na 7-letni program (do 2028 roku) na rozwój produkcji zintegrowanej fotoniki w USA nsf.gov. Podobnie w Europie, instytuty badawcze takie jak IMEC w Belgii i CEA-Leti we Francji oferują platformy fotoniki krzemowej i stworzyły klaster startupów fotonicznych. W Chinach fotonika krzemowa również nabiera tempa – firmy takie jak InnoLight i Huawei inwestują w krajowe możliwości produkcji układów fotonicznych optics.org optics.org. Wszystkie te wydarzenia wskazują, że fotonika krzemowa nie jest już technologią eksperymentalną – staje się standardową częścią narzędziowni półprzewodnikowej.
Wyższe prędkości i nowe materiały: Pod względem technologicznym obserwujemy szybki postęp w zwiększaniu wydajności urządzeń fotoniki krzemowej. Transceivery optyczne 800G są już dostępne jako próbki, moduły 1,6 Tb/s zostały zademonstrowane optics.org, a moduły wtykane 3,2 Tb/s są spodziewane do 2026 roku optics.org. Aby osiągnąć takie prędkości, inżynierowie stosują wszystko – od 16-kanałowego multipleksowania długości fal po zaawansowane formaty modulacji – zasadniczo wykorzystując domenę optyczną do upakowania większej liczby bitów. Na poziomie urządzeń do fotoniki krzemowej wprowadzane są nowe materiały, aby przezwyciężyć ograniczenia krzemu. Przykładem jest cienkowarstwowy niobian litu (TFLN) na krzemie, który zapewnia bardzo szybkie modulatory z efektem Pockelsa o niskich stratach. Może to umożliwić budowę modulatorów obsługujących pasma modulacji powyżej 100 GHz, odpowiednich dla przyszłych łączy 1,6T i 3,2T, a nawet do zastosowań kwantowych optics.org. Startupy takie jak HyperLight komercjalizują te hybrydowe układy LiNbO3/Si. Inne materiały w fazie badań i rozwoju to modulatory elektrooptyczne z tytanianu baru (BTO) oraz materiały domieszkowane pierwiastkami ziem rzadkich do laserów/wzmacniaczy zintegrowanych na chipie optics.org. Trwają także prace nad integracją półprzewodników III-V (InP, GaAs) na krzemie w celu uzyskania lepszych laserów i wzmacniaczy optycznych – na przykład lasery z kropek kwantowych bezpośrednio hodowane na krzemie poczyniły duże postępy, rozwiązując problemy z niezawodnością, które nękały wcześniejsze próby nature.com nature.com. Krótko mówiąc, paleta materiałowa dla fotoniki krzemowej się poszerza, co przyniesie wyższą wydajność i nowe funkcjonalności. Obserwujemy nawet wykorzystanie opartych na fotonice krzemowej mikrogrzebieni (optycznych źródeł grzebieni częstotliwości) do takich zastosowań jak ultraszybka transmisja danych i precyzyjna spektroskopia, co dekadę temu wydawałoby się nieprawdopodobne.
Nowe zastosowania i produkty: Oprócz podstawowych zastosowań, w 2025 roku pojawiają się nowe przypadki użycia. Jednym z nich jest optyczne przetwarzanie danych dla AI (omówione wcześniej), które przechodzi z demonstracji badawczych do wczesnych produktów – na przykład Lightelligence zaprezentowało sprzęt do obliczeń fotonicznych przyspieszający wnioskowanie AI. Kolejnym przykładem są optyczne połączenia chip-to-chip w zaawansowanych opakowaniach: gdy firmy badają moduły wieloukładowe i chipletowe, połączenia optyczne mogą łączyć te chiplety z dużą prędkością w obrębie jednego opakowania lub interpozytora. Standardy takie jak UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express) rozważają nawet rozszerzenia optyczne warstwy fizycznej. Widzimy także zainteresowanie ze strony rządu: DARPA i inne agencje prowadzą programy wykorzystania fotonicznych połączeń w systemach obronnych (do zaawansowanego przetwarzania i trasowania sygnałów RF). W segmencie konsumenckim pojawiają się spekulacje, że w ciągu kilku lat optyczne I/O może pojawić się w urządzeniach konsumenckich – na przykład zestaw AR/VR wykorzystujący układ fotoniki krzemowej do połączeń czujników o dużej przepustowości lub optyczny kabel Thunderbolt do okularów AR. Choć jeszcze ich nie ma, te pomysły są już na deskach kreślarskich.

Podsumowując, rok 2025 to punkt zwrotny dla fotoniki krzemowej: na rynek trafiają znaczące produkty komercyjne (szczególnie w sieciach), napływają ogromne inwestycje, a ekosystem dojrzewa. Coraz wyraźniej widać, że optyka odegra fundamentalną rolę w przyszłości obliczeń i łączności. Jak ujął to jeden z komentatorów branżowych, w drugiej połowie tej dekady wielu spodziewa się, że optyczne I/O przejdzie z linii pilotażowych do produkcji masowej – „generacja silników obliczeniowych z 2025 roku może jeszcze nie mieć fotoniki krzemowej, ale generacja 2026 już może, a generacja 2027 prawie na pewno będzie ją mieć”, ponieważ ostatecznie nie mamy wyboru – „czas miedzi dobiegł końca.” nextplatform.com

Wyzwania i ograniczenia

Pomimo całego entuzjazmu, fotonika krzemowa stoi przed wieloma wyzwaniami i ograniczeniami, które naukowcy i inżynierowie aktywnie starają się pokonać. To technologia przełomowa, ale nie cudowny lek – przynajmniej jeszcze nie teraz. Oto kluczowe przeszkody:

Integracja źródeł światła: Być może najbardziej znanym ograniczeniem jest to, że krzem nie jest dobry w generowaniu światła. Krzem ma pośrednią przerwę energetyczną, co oznacza, że nie może działać jako laser ani wydajna dioda LED. Jak ujął to wprost pionier fotoniki John Bowers, „Krzem jest niesamowicie zły jako emiter światła.” nature.com Jego wewnętrzna wydajność jest bliska zeru – tylko jeden na milion elektronów w krzemie wytworzy foton – podczas gdy półprzewodniki III-V, takie jak fosforek indu lub arsenek galu, mogą emitować światło z niemal 100% wydajnością nature.com. Oznacza to, że aby mieć lasery na krzemowym układzie fotonicznym, zazwyczaj trzeba wprowadzić inne materiały. Można to zrobić poprzez integrację hybrydową (łączenie kawałka płytki InP z diodami laserowymi z płytką krzemową) lub nowsze techniki, takie jak bezpośredni wzrost nanostrukturalnych laserów III-V na krzemie. Postępy w tej dziedzinie są obiecujące: firmy i laboratoria (Intel, UCSB itd.) zademonstrowały hybrydowo zintegrowane lasery na dużą skalę, a ostatnio nawet lasery kwantowo-kropkowe wyhodowane na 300 mm płytkach krzemowych o dobrej niezawodności nature.com nature.com. Mimo to integracja laserów zwiększa złożoność i koszty. Jeśli laser znajduje się poza układem (w osobnym module laserowym sprzężonym przez światłowód), pojawia się wyzwanie efektywnego sprzężenia tego światła z miniaturowymi falowodami na chipie. Krótko mówiąc, wprowadzenie światła na chip to niebłaha sprawa. Branża bada rozwiązania takie jak integracja heterogeniczna (wiele materiałów na jednym chipie), a nawet nowatorskie podejścia, takie jak elektrycznie pompowane lasery germanowo-krzemowe czy lasery Ramana na krzemie, ale są to wciąż technologie rozwijające się. Na rok 2025 większość systemów fotoniki krzemowej wykorzystuje albo lasery hybrydowe, albo lasery zewnętrzne sprzężone z układem. To jeden z kluczowych obszarów trwających badań.
Produkcja i wydajność: Krzemowe układy fotoniczne mogą być wytwarzane w istniejących fabrykach, ale mają inne wymagania niż układy elektroniczne. Po pierwsze, optyka wymaga bardzo precyzyjnej kontroli wymiarów – zmiany szerokości lub odstępu falowodu o zaledwie kilka nanometrów mogą zmienić długość fali rezonatorów lub fazę światła. Osiągnięcie wysokiej wydajności (tj. spójnych parametrów w wielu układach) jest wyzwaniem. Ponadto integracja wielu typów materiałów (krzem, azotek krzemu, III-V, metale) w jednym procesie technologicznym wprowadza złożoność. Sprzęganie światłowodów z układem to także wyzwanie produkcyjne i wydajnościowe; ustawianie maleńkich światłowodów względem falowodów o wymiarach mikronowych często wymaga obecnie kosztownego aktywnego pozycjonowania. Niektóre z tych etapów są nadal częściowo ręczne w produkcji, co nie jest skalowalne. Trwają intensywne prace nad ulepszaniem technik pakowania, takich jak stosowanie standaryzowanych modułów do mocowania światłowodów lub wprowadzanie sprzęgaczy siatkowych, które umożliwiają łatwiejsze sprzęganie światła z włókien od góry układu. Pakowanie połączonych układów elektronicznych i fotonicznych jest również trudne – na przykład, jeśli w jednym opakowaniu znajduje się układ fotoniczny i elektroniczny ASIC, trzeba je wyrównać i zarządzać ciepłem (ponieważ gorąca elektronika może zakłócać fotonikę). Ansys zauważa, że jeśli elektronika i fotonika współdzielą układ, podejście produkcyjne musi równoważyć potrzeby obu, a jeśli są to oddzielne układy, potrzebne jest zaawansowane pakowanie – „generowanie ciepła w elektronice może wpływać na fotonikę.” ansys.com Strojenie termiczne to kolejna kwestia: wiele krzemowych filtrów i modulatorów fotonicznych opiera się na efektach termicznych, więc zmiany temperatury mogą rozstrajać układy, wymagając zasilania do stabilizacji. Wszystko to komplikuje produkcję i podnosi koszty.
Koszt i wolumen: Mówiąc o kosztach – choć fotonika krzemowa obiecuje niskie koszty dzięki wykorzystaniu wielkoseryjnych fabryk krzemu, obecna rzeczywistość jest taka, że te urządzenia wciąż są stosunkowo niszowe i drogie. Branża wysyła miliony sztuk (jako transceivery w centrach danych), ale aby naprawdę obniżyć koszty, prawdopodobnie musi wysyłać miliardy sztuk rocznie ansys.com. Innymi słowy, nie osiągnęła jeszcze skali elektroniki towarowej. Urządzenia te często wymagają również specjalistycznego pakowania (jak wspomniano) i testowania, co podnosi koszty. Obecny transceiver fotoniki krzemowej do centrów danych może kosztować setki lub tysiące dolarów, co jest akceptowalne dla tego rynku, ale zbyt wysokie dla rynków konsumenckich. Ekonomia na bardzo dużą skalę jest nieco niepewna – jak zauważył jeden z raportów, duzi klienci chmurowi martwią się o niezawodność i strukturę kosztów, gdyby mieli szeroko wdrożyć fotonikę krzemową, ponieważ technologia ta nie osiągnęła jeszcze krzywej uczenia się produkcji mainstreamowego krzemu nextplatform.com. Jednak koszty stale się poprawiają, a wysiłki takie jak standardowe PDK foundryjne i automatyzacja pomagają. W ciągu najbliższych kilku lat, wraz ze wzrostem wolumenu (napędzanym przez AI i centra danych), powinniśmy zobaczyć spadek kosztów, co z kolei otworzy kolejne rynki (to efekt kuli śnieżnej, gdy już się zacznie). Nadal jednak w 2025 roku koszt na urządzenie może być czynnikiem ograniczającym wdrożenie fotoniki krzemowej w aplikacjach wrażliwych na koszty.
Pobór mocy i wydajność: Chociaż fotonika krzemowa może zmniejszyć zużycie energii przy przesyle danych z bardzo dużą prędkością, same urządzenia nadal pobierają energię – np. modulatory często wykorzystują strojenie termiczne lub złącza PN, które pobierają prąd, a lasery oczywiście zużywają energię. Istnieje narzut związany z konwersją sygnałów elektronicznych na optyczne i z powrotem. Aby rzeczywiście oszczędzać energię na poziomie systemu, te narzuty muszą być mniejsze niż oszczędności wynikające z rezygnacji z długich połączeń elektrycznych. Dzisiejsze transceivery fotoniki krzemowej są dość energooszczędne (rzędu kilku pikodżuli na bit dla konwersji optycznej), ale dąży się do jeszcze niższego zużycia, zwłaszcza jeśli optyczne I/O jest używane na chipie lub w magistralach pamięci, gdzie wydajność musi być bardzo wysoka. Obiecującym podejściem jest wykorzystanie materiałów elektrooptycznych (takich jak LiNbO3 lub BTO), które mogą modulować światło przy bardzo niskim napięciu (a więc niższym poborze mocy) zamiast strojenia termicznego. Również integracja bardziej wydajnych źródeł światła (np. laserów z kropkami kwantowymi) mogłaby zmniejszyć straty energii w laserach (obecne lasery z rozproszonym sprzężeniem zwrotnym często tracą dużo energii w postaci ciepła). Tak więc, choć fotonika krzemowa rozwiązuje problem zużycia energii przez połączenia na makroskalę, na mikroskalę inżynierowie wciąż optymalizują zużycie energii przez poszczególne urządzenia. Dobra wiadomość: nawet przy obecnej technologii, optyka współpakowana może zmniejszyć całkowite zużycie energii przez połączenia o ~30% w porównaniu do tradycyjnych rozwiązań wtykowych laserfocusworld.com, a przyszłe ulepszenia prawdopodobnie zwiększą te korzyści.
Projektowanie i narzędzia projektowe: To mniej oczywiste wyzwanie, ale bardzo istotne: projektowanie układów fotonicznych to nowy zestaw umiejętności, a narzędzia EDA (Electronic Design Automation) dla fotoniki nie są tak dojrzałe jak te dla elektroniki. Symulacja układów optycznych, zwłaszcza dużych z wieloma komponentami, może być złożona. Zmienność w procesie wytwarzania musi być uwzględniona w projekcie (możesz potrzebować tunerów termicznych do korekcji drobnych błędów). Potrzebne są lepsze narzędzia projektowe, które mogą współoptymalizować części elektroniczne i fotoniczne układu, często nazywane EPDA (Electronic Photonic Design Automation). Ekosystem nadrabia zaległości – firmy takie jak Synopsys, Cadence i Lumerical (Ansys) mają narzędzia do projektowania fotonicznego – ale to wciąż rozwijająca się dziedzina. Powiązanym problemem jest brak standardów w niektórych obszarach: choć wiele odlewni oferuje PDK, każda z nich może mieć inne biblioteki komponentów i parametry. To może sprawić, że projekty są mniej przenośne niż projekty elektroniczne. Branża zmierza w kierunku wspólnych standardów (na przykład format wymiany układów dla obwodów fotonicznych lub standaryzowane modele komponentów), ale potrzeba jeszcze pracy, by usprawnić proces projektowania. Budowanie solidnego zaplecza kadrowego jest również kluczowe: potrzebni są inżynierowie rozumiejący zarówno projektowanie w stylu RF/mikrofale analogowe, jak i fizykę optyczną, a takich specjalistów brakuje (choć wiele uczelni wypuszcza już absolwentów z tej interdyscyplinarnej dziedziny).
Ograniczenia wydajności: Mimo że fotonika krzemowa znacząco poprawia niektóre parametry, ma też własne ograniczenia fizyczne. Straty optyczne w falowodach, choć niskie (rzędu dB/cm), kumulują się w dużych układach, a ciasne zakręty lub małe elementy mogą zwiększać straty. Trzeba też minimalizować straty przy sprzęganiu światłowodu z układem. Wrażliwość termiczna krzemu (współczynnik załamania zmienia się z temperaturą) oznacza, że wiele układów fotoniki krzemowej wymaga stabilizacji lub kalibracji. Ograniczenia pasma mogą występować w modulatorach lub detektorach – na przykład modulatory pierścieniowe z krzemu mają skończone pasmo i mogą być wrażliwe na temperaturę, podczas gdy modulatory Mach-Zehndera wymagają starannego projektowania, by osiągnąć bardzo wysoką szybkość bez zniekształceń. Dyspersja chromatyczna w falowodach może ograniczać bardzo szerokopasmowe zastosowania (choć zwykle nie jest to problem na krótkich dystansach na chipie). Kolejny subtelny punkt: integracja elektroniki i fotoniki oznacza, że często trzeba współprojektować elektronikę (np. wzmacniacze sterujące, TIA dla detektorów) z fotoniką. Interfejs między nimi może ograniczać ogólną wydajność (np. jeśli modulator wymaga określonego zakresu napięcia, potrzebujesz sterownika, który może to szybko dostarczyć). Tak więc inżynieria systemowa jest złożona. Ponadto nie wszystkie zastosowania uzasadniają użycie fotoniki – dla bardzo krótkich, wolnych połączeń elektrycznych rozwiązanie może być tańsze i prostsze. Zatem samo określenie, gdzie wdrożyć fotonikę krzemową, by uzyskać maksymalne korzyści, jest istotnym zagadnieniem.

Podsumowując, choć żadne z tych wyzwań nie jest nie do pokonania, to łącznie oznaczają, że fotonika krzemowa wciąż musi się rozwijać. Wielu z najzdolniejszych specjalistów w dziedzinie fotoniki i elektroniki aktywnie pracuje nad tymi problemami: integracją lepszych laserów, ulepszaniem pakowania, skalowaniem produkcji i poszerzaniem możliwości projektowych. Postęp, nawet w ostatnich kilku latach, jest obiecujący. Jak zauważył prof. Bowers, wyzwania takie jak integracja laserów III-V z CMOS, poprawa wydajności i łączenia z włóknami oraz obniżenie kosztów są rozwiązywane przy „bardzo szybkim postępie” nature.com. Każdy rok przynosi ulepszenia, a różnica między prototypem laboratoryjnym a produkcją masową staje się coraz mniejsza. Warto pamiętać, że układy scalone elektroniczne potrzebowały dziesięcioleci intensywnych prac, by osiągnąć dzisiejszą skalę – fotonika krzemowa, w porównaniu, jest na znacznie wcześniejszym etapie swojej drogi, ale szybko nadrabia zaległości.

Wiodące firmy i instytucje w tej dziedzinie

Fotonika krzemowa stała się globalnym przedsięwzięciem, w którym wiele firm (od startupów po gigantów technologicznych) i instytucji badawczych napędza rozwój tej dziedziny. Według badań rynkowych, czołowi gracze na rynku fotoniki krzemowej (stan na 2025 rok) to branżowi giganci, tacy jak Cisco, Intel i IBM, a także specjaliści tacy jak NeoPhotonics (Lumentum), Hamamatsu Photonics oraz STMicroelectronics expertmarketresearch.com. Oto przegląd kilku kluczowych uczestników:

Intel Corporation (USA): Intel, pionier w dziedzinie fotoniki krzemowej, zainwestował wcześnie i znacząco w tę technologię. W 2016 roku wprowadził jeden z pierwszych transceiverów fotoniki krzemowej 100G i od tego czasu dostarczył miliony urządzeń optics.org. Intel wykorzystuje fotonikę krzemową w szybkich transceiverach optycznych i wdraża ją w przyszłych procesorach serwerowych oraz aplikacjach edge. Wizją firmy jest „umożliwienie przyszłego wzrostu przepustowości centrów danych” dzięki fotonice, skalując od 100G do 400G i więcej, oraz integrując optykę z procesorami do zastosowań takich jak 5G i pojazdy autonomiczne expertmarketresearch.com, tanaka-preciousmetals.com. Dział Silicon Photonics firmy Intel niedawno nawiązał współpracę produkcyjną z Jabil, co wskazuje na dojrzewanie do produkcji na dużą skalę optics.org. Intel prowadzi także badania nad optyką współpakietowaną dla switchy i posiada udziały w licznych startupach fotonicznych (takich jak Ayar Labs).
Cisco Systems (USA): Cisco, gigant sieciowy, wszedł w fotonikę krzemową poprzez przejęcia (np. przejęcie Luxtera w 2019 roku) i obecnie jest czołowym dostawcą optycznych transceiverów fotoniki krzemowej dla centrów danych i telekomunikacji. Cisco wykorzystuje swoją technologię fotoniczną w produktach od modułów 100G/400G typu pluggable po przyszłe współpakietowane switche optyczne. Rozwiązania Cisco korzystają z własnych projektów układów fotoniki, które zapewniają wysoką gęstość i efektywność energetyczną. Dzięki fotonice krzemowej Cisco oferuje klientom szybkie połączenia w mniejszych formatach. W 2025 roku Cisco jest jednym z liderów rynku dostarczających fotonikę krzemową na dużą skalę expertmarketresearch.com.
IBM Corporation (USA): IBM ma długą historię badań nad połączeniami optycznymi. Zespół Silicon Photonics, z ponad dekadą badań i rozwoju, opracował technologię szybkich łączy optycznych przeznaczonych do połączeń na poziomie płyty i procesora expertmarketresearch.com. Badania IBM przyniosły postępy w dziedzinie modulatorów mikropierścieniowych, multipleksacji długości fal i pakowania. Chociaż IBM nie sprzedaje transceiverów jak Intel czy Cisco, często współpracuje przy prototypach (np. IBM i Mellanox zaprezentowali połączenie optyczne dla serwerów w 2015 roku). IBM kładzie nacisk na wykorzystanie fotoniki do rozwiązywania wąskich gardeł w obliczeniach (np. procesor POWER10 wykorzystuje łącza fotoniczne do sygnalizacji poza chipem poprzez partnerstwa). IBM przyczynia się także do standardów i otwartych badań; jego prace często pojawiają się na konferencjach takich jak OFC i CLEO.
NeoPhotonics/Lumentum (USA): NeoPhotonics (obecnie część Lumentum od 2022 roku) specjalizuje się w laserach i komponentach fotonicznych dla telekomunikacji i centrów danych. Opracowali lasery o ultraczystym świetle z możliwością strojenia oraz szybkie modulatory. Warto zauważyć, że NeoPhotonics wprowadziło krzemowe fotoniczne zespoły optyczne koherentne (COSA) dla komunikacji 400G na długość fali i prowadziło badania nad 800G i wyżej expertmarketresearch.com. Jako część Lumentum (ważnego gracza w branży optycznej), ta ekspertyza przyczynia się do rozwoju nowej generacji koherentnych transceiverów i modułów pluggable dla telekomunikacji. Własność Lumentum oznacza, że te produkty z zakresu krzemowej fotoniki mogą być zintegrowane z istniejącym portfolio fotonicznym Lumentum (np. ich modulatorami i wzmacniaczami z fosforku indu).
Hamamatsu Photonics (Japonia): Lider w dziedzinie komponentów optoelektronicznych, Hamamatsu produkuje szeroką gamę urządzeń fotonicznych (fotodiody, fotopowielacze, czujniki obrazu itp.). Hamamatsu wykorzystuje procesy krzemowe do produkcji takich elementów jak krzemowe matryce fotodiodowe i krzemowe czujniki optyczne expertmarketresearch.com. Chociaż nie koncentruje się tak mocno na szybkich transceiverach, prace Hamamatsu w zakresie krzemowej fotoniki są kluczowe w dziedzinie czujników i aparatury naukowej. Dostarczają krzemowe fotodiody PIN, APD oraz układy czujników optycznych, które są podstawą odbiorników komunikacji optycznej i detektorów LiDAR. Ich doświadczenie w zakresie fotoniki o niskim poziomie szumów i wysokiej czułości uzupełnia cyfrową stronę komunikacji w krzemowej fotonice.
STMicroelectronics (Szwajcaria/Europa): STMicro to duży producent półprzewodników, który rozwinął własne możliwości w zakresie krzemowej fotoniki. STMicro koncentruje się na zintegrowanych rozwiązaniach obrazowania i czujników – na przykład wyprodukowali krzemowe układy fotoniczne do światłowodowych żyroskopów i pracowali nad badaniami i rozwojem połączeń optycznych w europejskich konsorcjach. Zaawansowane fabryki i możliwości MEMS STMicro dobrze pozycjonują firmę do produkcji krzemowej fotoniki wymagającej integracji z innymi czujnikami lub elektroniką expertmarketresearch.com. Kraje takie jak Francja i Włochy (gdzie ST ma duże zakłady) wspierają fotonikę poprzez różne inicjatywy, a ST często jest ich partnerem. Firma jest również podobno dostawcą niektórych komponentów krzemowej fotoniki do systemów przemysłowych i motoryzacyjnych.
GlobalFoundries (USA) i TSMC (Tajwan): Ci producenci układów scalonych na zlecenie wprowadzili własne oferty w zakresie krzemowej fotoniki. GlobalFoundries posiada znany proces krzemowej fotoniki 45 nm (GF 45CLO) i współpracował ze startupami, takimi jak Ayar Labs, przy produkcji układów optycznych I/O. TSMC jest bardziej tajemniczy, ale podobno współpracuje z dużymi firmami technologicznymi nad budową zintegrowanych układów fotonicznych (na przykład niektóre plotki dotyczące Apple sugerują udział TSMC w czujnikach fotonicznych). Obie firmy są kluczowe dla skalowania produkcji – obecność dużych foundry oznacza, że każda firma bez własnych fabryk może łatwiej uzyskać prototypy i produkcję seryjną układów fotonicznych. W rzeczywistości zaangażowanie takich foundry jest silnym sygnałem, że krzemowa fotonika staje się technologią powszechną.
Infinera (USA) i Coherent/II-VI (USA): Infinera to producent sprzętu telekomunikacyjnego, który już na wczesnym etapie postawił na zintegrowane układy fotoniki (choć oparte na fosforku indu). Od tego czasu firma zaadaptowała również fotonikę krzemową w niektórych produktach lub do współpakowania z własnymi układami InP PIC. Coherent (która przejęła Finisar i później przyjęła nazwę Coherent) jest głęboko zaangażowana w komponenty optyczne; posiada własne fabryki InP, ale rozwija także transceivery fotoniki krzemowej dla centrów danych optics.org. Firmy te wnoszą telekomunikacyjną jakość skupioną na niezawodności i wydajności, napędzając rozwój fotoniki krzemowej do spełniania wymagań klasy operatorskiej (np. moduły 400ZR do spójnych połączeń na odległość).
Ayar Labs, Lightmatter i startupy: Fala innowacyjnych startupów napędza fotonikę krzemową w nowe obszary. Omówiliśmy Ayar Labs (optyczne I/O dla AI/HPC) i Lightmatter (obliczenia optyczne). Inne to m.in. Lightelligence (kolejny startup z układami AI opartymi na optyce), Luminous Computing (integracja fotoniki i elektroniki dla AI), Celestial AI (sieci optyczne dla klastrów obliczeniowych), OpenLight (joint venture oferujące otwartą platformę fotoniczną ze zintegrowanymi laserami) oraz Rockley Photonics (skupiający się na czujnikach zdrowotnych, obecnie w większości przejęty przez Celestial). Startupy te wyróżniają się ambitnym podejściem – np. 3D-zintegrowany fotoniczny rdzeń tensorowy Lightmatter czy próba Luminous zbudowania pełnego stosu komputerowego opartego na fotonice. Często współpracują z dużymi firmami (np. HPE nawiązało współpracę z Ayar Labs, by wykorzystać optyczne połączenia w tkaninie interkonektów superkomputera nextplatform.com). Scena startupowa jest dynamiczna, a ich obecność zmusza dotychczasowych graczy do szybszego działania. Jeden z obserwatorów branży zauważył, że obok Ayar, firmy takie jak Lightmatter i Celestial AI „wszystkie mają szansę na zdobycie pozycji, gdy fotonika krzemowa staje się pomostem między silnikami obliczeniowymi a interkonektami.” nextplatform.com
Instytucje akademickie i badawcze: Po stronie instytucjonalnej, czołowe uniwersytety i laboratoria narodowe odgrywają kluczową rolę w rozwoju fotoniki krzemowej. Uniwersytet Kalifornijski w Santa Barbara (UCSB) pod kierunkiem prof. Johna Bowersa jest potęgą, pionierem hybrydowych laserów krzemowych i laserów z kropkami kwantowymi na krzemie. MIT, Stanford, Columbia (z grupą prof. Michal Lipson) oraz Caltech to kolejne amerykańskie ośrodki badań nad fotoniką krzemową, pracujące nad wszystkim – od nowej fizyki modulatorów po architektury obliczeń fotonicznych. W Europie, IMEC w Belgii prowadzi znaczący program fotoniki krzemowej i usługę wieloprojektowych płytek (iSiPP), a Uniwersytet w Southampton, TU Eindhoven, EPFL i inne mają silne zespoły. Instytut AIM Photonics w USA (wspomniany powyżej) łączy wiele z tych uniwersytetów i firm do współpracy oraz zapewnia krajowe możliwości produkcyjne. Rządowe laboratoria, takie jak MIT Lincoln Lab i IMEC, zademonstrowały nawet zaawansowaną zintegrowaną fotonikę na potrzeby obronności (np. optyczne układy fazowe dla LiDAR). Ponadto, międzynarodowe współprace i konferencje (takie jak Optical Fiber Conference, ISSCC, spotkania IEEE Photonics Society) pozwalają tym instytucjom dzielić się przełomowymi osiągnięciami. Dziedzina korzysta ze zdrowego przepływu między nauką a przemysłem: wielu założycieli startupów i liderów branży było szkolonych w tych laboratoriach badawczych, a trwające badania akademickie wciąż przesuwają granice możliwości (na przykład integracja nowych materiałów czy fotonika kwantowa, jak wspomniano).

Wszyscy ci gracze – wielkie firmy technologiczne, wyspecjalizowani producenci komponentów, ambitne startupy i nowatorskie laboratoria badawcze – tworzą bogaty ekosystem, który wspólnie napędza rozwój fotoniki krzemowej. Konkurencja i współpraca między nimi przyspieszają innowacje. Warto zauważyć, że nawet geopolityka odgrywa tu rolę: istnieje świadomość wyścigu pomiędzy USA, Europą a Chinami o to, kto będzie liderem w technologiach fotonicznych csis.org, biorąc pod uwagę ich strategiczne znaczenie dla komunikacji i obliczeń. Doprowadziło to do zwiększonych inwestycji publicznych (np. PhotonHub UE i chińskie krajowe inicjatywy fotoniczne). Dla ogólnego entuzjasty technologii wniosek jest taki, że na całym świecie wiele mądrych osób i poważnych zasobów jest zaangażowanych w to, by nasze przyszłe układy scalone komunikowały się za pomocą światła.

Opinie ekspertów i cytaty

W trakcie rozwoju fotoniki krzemowej eksperci z tej dziedziny przedstawiali perspektywy, które pomagają zrozumieć jej wpływ. Oto kilka godnych uwagi spostrzeżeń:

O przełomie w fotonice krzemowej: „Często opisywałem fotonikę krzemową jako coś więcej niż tylko stopniowe udoskonalenie — to jest zmiana paradygmatu,” mówi René Jonker, menedżer w Soitec, podkreślając, że w przeciwieństwie do połączeń miedzianych, które osiągają swoje granice, łącza optyczne zapewniają zrównoważony sposób radzenia sobie z rosnącym zapotrzebowaniem na dane. Choć wciąż istnieją wyzwania związane z obniżeniem kosztów i skalowaniem produkcji, korzyści – „większa przepustowość, mniejsze opóźnienia i niższe zużycie energii” – sprawiają, że fotonika krzemowa to „nieodzowna część naszej przyszłej infrastruktury.” laserfocusworld.com
O zużyciu energii i optyce w centrach danych: Komentarz w Laser Focus World z 2025 roku podkreślił pilność sytuacji w centrach danych: do końca dekady centra danych mogą zużywać 8% energii elektrycznej w USA, jeśli obecne trendy się utrzymają, co jest „nie do utrzymania przy obecnych połączeniach elektrycznych.” Autor podsumował, że „połączenia optyczne, umożliwione przez fotonikę krzemową, to jedyna skalowalna droga naprzód.” laserfocusworld.com Innymi słowy, aby uniknąć kryzysu energetycznego i przepustowości, przejście na łącza optyczne nie jest tylko opcją – jest koniecznością.
O wyzwaniach integracyjnych: Profesor John Bowers (UCSB), wybitny specjalista w dziedzinie fotoniki, skomentował najtrudniejsze wyzwanie: „Głównym wyzwaniem jest integracja materiałów III–V z krzemowym CMOS… Wciąż istnieją problemy z wysoką wydajnością, niezawodnością, obniżeniem kosztów i łączeniem światłowodów. Pakietowanie elektroniki i fotoniki razem to wyzwanie… Ale postęp jest bardzo szybki.” nature.com To podkreśla, że choć integracja laserów (materiały III–V) i osiągnięcie idealnej wydajności jest trudne, liderzy branży, tacy jak Intel, czynią stałe postępy, a rozwiązania są już na horyzoncie.
O emisji światła w krzemie: W tym samym wywiadzie Bowers barwnie wyjaśnił, dlaczego lasery potrzebują czegoś innego niż krzem: „Krzem jest niezwykle słabym emiterem światła. Jego wewnętrzna wydajność kwantowa to około jedna część na milion, podczas gdy wydajność bezpośredniego pasma zabronionego III–V to praktycznie 100%. Od początku wiedziałem, że potrzebujemy półprzewodnika z bezpośrednią przerwą energetyczną…” nature.com. Ta szczera ocena wyjaśnia, dlaczego jego zespół już na wczesnym etapie postawił na hybrydowe lasery (łączenie InP z Si) – podejście, które zaowocowało hybrydowym laserem krzemowym Intela w 2007 roku i później.
Osiągnięcie serwera za pomocą optyki: Starszy dyrektor ds. fotoniki w firmie Intel, Robert Blum, zobrazował, jak optyka stopniowo wkracza do centrów danych: „Kiedy wchodzisz dziś do centrum danych, widzisz kable miedziane 100 Gb/s… wystarczające na cztery metry. Ale wszystko poza szafą rackową już korzysta z optyki. Wraz ze wzrostem do 200 lub 400 Gb/s, [zasięg] miedzi staje się znacznie krótszy i zaczynamy obserwować trend, w którym optyka dociera aż do serwera.” tanaka-preciousmetals.com Ten cytat doskonale oddaje trwającą transformację – optyka systematycznie zastępuje miedź od rdzenia sieci po jej obrzeża.
O wzroście rynku i AI: „Wzrost znaczenia AI wywołał bezprecedensowy popyt na wysokowydajne transceivery… Fotonika krzemowa i układy PIC są na czele tej rewolucji,” zauważa Sam Dale, analityk technologiczny w IDTechX, wskazując na zdolność fotoniki krzemowej do osiągania „prędkości 1,6 Tb/s i więcej.” optics.org Jego raport przewiduje, że rynek zintegrowanych układów fotonicznych może wzrosnąć niemal dziesięciokrotnie do 2035 roku (do 54 miliardów dolarów), napędzany głównie przez potrzeby centrów danych AI optics.org.
O przyszłości komputerów: Analitycy z The Next Platform przewidują, że optyczne I/O wkrótce pojawi się w systemach HPC. Zauważają, że do 2026–2027 roku prawdopodobnie zobaczymy główne procesory CPU/GPU z interfejsami optycznymi, ponieważ „w najbliższym czasie nie mamy wyboru.” W ich barwnym ujęciu, „Czas miedzi dobiegł końca.” nextplatform.com To podsumowuje powszechne odczucia w branży: połączenia elektryczne nie wystarczą na nową erę komputerów, a fotonika musi przejąć pałeczkę, by nie napotkać ściany ograniczeń.

Te spostrzeżenia ekspertów podkreślają zarówno obietnice, jak i wyzwania fotoniki krzemowej. Przewija się tu spójny motyw: fotonika krzemowa jest przełomowa – umożliwia potrzebny skok wydajności – ale wiąże się z poważnymi wyzwaniami technologicznymi, które są szybko rozwiązywane. Eksperci podkreślają mieszankę optymizmu (zmiana paradygmatu, niezbędna przyszłość) i realizmu (problemy z integracją, koszty i skalowanie). Ich perspektywy pomagają szerokiej publiczności zrozumieć, dlaczego tak wiele firm i naukowców ekscytuje się fotoniką krzemową, a także dlaczego zajęło to kilka dekad, by ta technologia wystartowała. Usłyszenie tego z ust osób z pierwszej linii – czy to doświadczonego badacza, czy menedżera produktu – daje kontekst, że to dziedzina, w której fizyka, inżynieria i siły rynkowe przecinają się w fascynujący sposób.

Najnowsze wiadomości i kamienie milowe

Obszar fotoniki krzemowej jest bardzo dynamiczny. Oto kilka najnowszych wiadomości i kamieni milowych (z ostatniego roku lub dwóch), które ilustrują szybki postęp w tej dziedzinie:

Celestial AI przejmuje własność intelektualną Rockley Photonics (październik 2024): Celestial AI, startup rozwijający optyczne interkonekty Photonic Fabric™ dla AI, ogłosił przejęcie portfela patentów z zakresu fotoniki krzemowej firmy Rockley Photonics za 20 milionów dolarów datacenterdynamics.com. Rockley opracował zaawansowane czujniki fotoniki krzemowej i przeszedł na urządzenia wearables do monitorowania zdrowia, zanim stanął w obliczu bankructwa. Ta transakcja dała Celestial AI ponad 200 patentów, w tym technologie modulatorów elektrooptycznych i przełączania optycznego przydatnych w zastosowaniach centrów danych datacenterdynamics.com. To znacząca konsolidacja, pokazująca jak cenne stały się prawa własności intelektualnej z zakresu fotoniki w obszarze AI/centrów danych. Innowacje Rockley (takie jak szerokopasmowe lasery do detekcji) mogą znaleźć nowe zastosowanie, zintegrowane z rozwiązaniami optycznych interkonektów Celestial.
Duże finansowanie dla startupów – Ayar Labs i Lightmatter (koniec 2024): Dwa amerykańskie startupy pozyskały ogromne rundy finansowania. Ayar Labs zamknął rundę D o wartości 155 milionów dolarów w grudniu 2024 roku, z udziałem liderów branży półprzewodników (Nvidia, Intel, AMD dołożyły się obok funduszy VC) nextplatform.com. Ta runda podniosła wycenę Ayar powyżej 1 miliarda dolarów, co sygnalizuje zaufanie do ich technologii optycznego I/O w pakiecie, która ma zastąpić elektryczne I/O w przyszłych procesorach. Kilka tygodni wcześniej Lightmatter pozyskał 400 milionów dolarów w rundzie D (październik 2024), podwajając swoje całkowite finansowanie i osiągając wycenę 4,4 miliarda dolarów nextplatform.com. Lightmatter rozwija fotoniczne układy obliczeniowe i technologię optycznych interposerów do akceleracji AI. Tak duże inwestycje są godne uwagi – pokazują, że inwestorzy (i partnerzy strategiczni) wierzą, że te startupy mogą rozwiązać kluczowe problemy AI i informatyki dzięki technologii optycznej. Oznacza to również, że możemy spodziewać się przejścia tych firm od prototypów do produktów; Lightmatter wdraża już systemy testowe, a optyczne chipletsy Ayar mają być użyte pilotażowo w systemach HPC.
Intel zleca produkcję transceiverów firmie Jabil (koniec 2023): W interesującym zwrocie akcji, Intel pod koniec 2023 roku zdecydował się przekazać swój biznes wysokowolumenowych transceiverów fotoniki krzemowej firmie Jabil, partnerowi produkcyjnemu optics.org. Intel dostarczył ponad 8 milionów układów transceiverów fotonicznych od 2016 roku optics.org – są one wykorzystywane do łączności 100G/200G w centrach danych. Przekazując produkcję firmie Jabil (producentowi kontraktowemu), Intel zasygnalizował strategiczną zmianę: skupi się na integracji fotoniki ze swoimi kluczowymi platformami (takimi jak optyka współpakietowana i fotonika na procesorze), podczas gdy partner zajmie się zrutynizowanym rynkiem transceiverów. Ten ruch odzwierciedla także dojrzewanie branży – to, co kilka lat temu było zaawansowaną technologią (100G pluggables), dziś jest już na tyle rutynowe, że można to zlecić na zewnątrz. Jabil z kolei rozwija produkcję optyczną, która potencjalnie może obsługiwać także innych klientów. Współpraca Intela i Jabil została wyróżniona przez analityków jako kluczowe wydarzenie w branży optics.org, wskazując na ewolucję ekosystemu.
InnoLight prezentuje moduł 1,6 Tb/s (koniec 2023): W wyścigu o wyższe prędkości, InnoLight, chińska firma produkująca transceivery optyczne, ogłosiła, że osiągnęła prototyp transceivera optycznego o przepustowości 1,6 terabitów na sekundę optics.org. Najprawdopodobniej wykorzystuje on wiele długości fal (np. 16×100G lub 8×200G kanałów) na platformie fotoniki krzemowej. Osiągnięcie 1,6 Tb/s w jednym module na rok przed niektórymi konkurentami pokazuje rosnące możliwości Chin w dziedzinie fotoniki krzemowej. Moduł InnoLight może być używany do uplinków przełączników top-of-rack lub do łączenia systemów AI. To także sygnał, że moduły 3,2 Tb/s (które wykorzystywałyby np. 8 długości fal po 400G każda) są już blisko – IDTechX prognozuje moduły 3,2 Tb/s do 2026 roku optics.org. Był to rekord przyciągający uwagę mediów, który podkreśla intensywną globalną konkurencję; Coherent (USA) i inni również pracują nad projektami 1.6T i 3.2T optics.org.
Postępy PsiQuantum w zakresie fotonowego chipu kwantowego (2024): Na froncie kwantowym PsiQuantum (firma tajemnicza, ale wiadomo, że współpracuje z GlobalFoundries) opublikowała badanie opisujące ścieżkę do odpornego na straty fotonowego komputera kwantowego i ogłosiła chip o nazwie „Omega” dla swojej fotonowej architektury kwantowej thequantuminsider.com. Choć nie jest to jeszcze produkt komercyjny, pokazuje to, że sprzęt do fotonowego przetwarzania kwantowego się rozwija – z fotoniką krzemową w centrum. Podejście PsiQuantum wymaga integracji tysięcy pojedynczych źródeł fotonów i detektorów. Nowością jest tutaj potwierdzenie możliwości produkcyjnych: artykuł w Nature z 2022 roku wykazał kluczowe komponenty (źródła, filtry, detektory) na jednym krzemowym chipie fotonicznym, który można skalować nature.com. Sugeruje to, że są na dobrej drodze do osiągnięcia kamienia milowego w połowie lat 2020. lub na początku lat 2030. w postaci prototypowego optycznego komputera kwantowego o milionie kubitów (ich długoterminowy cel). Takie osiągnięcia, choć niszowe, są uważnie obserwowane, ponieważ mogą zdefiniować na nowo zaawansowane obliczenia.
Startupy fotoniki na niobku litu z dofinansowaniem (2023): Jak wspomniano, dwa startupy koncentrujące się na integracji LiNbO₃ z fotoniką krzemową, HyperLight (USA) i Lightium (Szwajcaria), pozyskały łącznie 44 miliony dolarów w 2023 roku optics.org. Informacja o finansowaniu była istotna, ponieważ podkreśla trend: dodawanie nowych materiałów do fotoniki krzemowej, by przełamać bariery wydajności. Firmy te chwalą się modulatorami, które mogą działać z wyższą liniowością i w szerokim zakresie długości fal (od widzialnych do średniej podczerwieni) przy bardzo niskich stratach optics.org. Bezpośrednim zastosowaniem mogą być ultraszybkie modulatory do komunikacji lub specjalistyczne urządzenia do fotoniki kwantowej i RF. Szerszy wniosek jest taki, że społeczność inwestycyjna wspiera także innowacje materiałowe w fotonice, nie tylko bardziej oczywiste startupy transceiverowe. To znak, że nawet postępy w nauce o materiałach (jak TFLN na izolatorze) mogą szybko przechodzić do startupów i produktów w tej dziedzinie.
Aktualizacje standardów i konsorcjów (2024–25): Nastąpiły postępy w kwestii standaryzacji. Continuous-Wave WDM MSA (konsorcjum definiujące standardowe moduły źródeł światła dla optyki współpakietowanej) opublikowało wstępne specyfikacje wspólnych źródeł laserowych, które mogą zasilać wiele układów fotoniki. Jest to istotne, aby zapewnić kompatybilność rozwiązań współpakietowanej optyki od różnych dostawców. Ponadto konsorcjum UCIe (do połączeń chipletów) utworzyło grupę roboczą ds. optyki, aby rozważyć, jak można standaryzować optyczne połączenia chipletów. Tymczasem organizacje takie jak COBO (Consortium for On-Board Optics) oraz CPO Alliance organizowały szczyty (np. podczas OFC 2024), na których omawiano najlepsze praktyki dla optyki współpakietowanej ansys.com. Wszystko to pokazuje, że branża dostrzega potrzebę harmonizacji interfejsów i unikania fragmentacji, która mogłaby spowolnić wdrożenia. Ostatnie wiadomości z IEEE również wskazują na postępy w standardach Ethernet 1.6T oraz powiązanych standardach interfejsów optycznych, które zakładają wykorzystanie technologii fotoniki krzemowej.
Nowości produktowe: Po stronie produktów widzimy pojawianie się rzeczywistego sprzętu:
- Moduły 800G Pluggable: Wielu dostawców (Intel, Marvell/Inphi itd.) rozpoczęło w 2024 roku próbkowanie modułów 800G QSFP-DD i OSFP wykorzystujących fotonikę krzemową. Najprawdopodobniej zostaną one wdrożone w przełącznikach i sieciach w 2025 roku.
- Zestawy demonstracyjne CPO: Firmy takie jak Ranovus i IBM zaprezentowały zestawy rozwojowe optyki współpakietowanej – to zapowiedź komercyjnych produktów CPO. Na przykład prototyp badawczy przełącznika współpakietowanego IBM został pokazany w działaniu, a Ranovus posiada moduł CPO z 8×100G długościami fal.
- Produkty Lidar z fotoniką krzemową: Innovusion (Chiny) i Voyant Photonics (USA) ogłosiły postępy w swoich lidarach opartych na fotonice krzemowej. Najnowszy lidar Innovusion do pojazdów wykorzystuje niektóre komponenty fotoniki krzemowej, aby osiągnąć FMCW przy konkurencyjnych kosztach. Voyant, startup wywodzący się z badań Uniwersytetu Columbia, faktycznie sprzedaje miniaturowy, całkowicie półprzewodnikowy moduł lidar oparty na fotonice krzemowej do zastosowań w dronach i robotach.
- Optyczne chiplet I/O: Do połowy 2025 roku Ayar Labs planuje mieć swoje TeraPHY optical I/O chiplet oraz SuperNova laser source w fazie wczesnych testów u klientów, dostarczając łącze optyczne 8 Tb/s dla systemów HPC. Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, może to być jedno z pierwszych wdrożeń optycznego I/O w systemie komputerowym (prawdopodobnie w laboratorium rządowym lub pilotażowym superkomputerze w latach 2025–26).

Seria ostatnich wiadomości pokazuje, że ta dziedzina dynamicznie rozwija się na wielu frontach: od przełomów w prędkości (optyka 1.6T), przez duże ruchy strategiczne (outsourcing Intela, duże rundy finansowania), po pierwsze wdrożenia (silniki optyczne dla AI). To ekscytujący czas, ponieważ te wydarzenia wskazują, że fotonika krzemowa przechodzi z obiecującej technologii do komercyjnej rzeczywistości o rosnącym wpływie na produkty i branże.

Dla szerokiej publiczności kluczowym wnioskiem z tych wszystkich wiadomości jest to, że fotonika krzemowa nie jest odległą obietnicą – to dzieje się teraz. Firmy inwestują w to pieniądze i zasoby, prawdziwe produkty są już dostarczane, a każdy kwartał przynosi nowe kamienie milowe, które biją poprzednie rekordy. To dynamicznie rozwijająca się dziedzina i nawet czytelnicy obeznani z technologią mogą być zaskoczeni, jak szybko pojawiły się takie rzeczy jak „optyczne chipletsy” czy „moduły 1,6 terabita”. Wiadomości podkreślają również, że to globalny wyścig – z dużą aktywnością w USA, Europie i Azji – i że obejmuje wszystko, od startupów deep tech po największe firmy produkujące układy scalone i dostawców sieci.

Perspektywy na przyszłość i prognozy

Patrząc w przyszłość, fotonika krzemowa wydaje się mieć niezwykle obiecujące perspektywy, z potencjałem, by zrewolucjonizować obliczenia i komunikację w ciągu następnej dekady. Oto kilka prognoz i oczekiwań dotyczących tego, co przyniesie przyszłość:

Powszechna adopcja w obliczeniach: Pod koniec lat 2020. można się spodziewać, że fotonika krzemowa stanie się standardową cechą zaawansowanych systemów komputerowych. Jak wspomniano, w latach 2026–2027 powinny pojawić się pierwsze CPU, GPU lub akceleratory AI z zintegrowanym optycznym I/O nextplatform.com. Początkowo mogą one trafić na rynki specjalistyczne (superkomputery, systemy do handlu wysokich częstotliwości, zaawansowane klastry AI), ale utorują drogę do szerszej adopcji. Gdy technologia się sprawdzi i wzrosną wolumeny, optyczne I/O może trafić do bardziej popularnych serwerów i urządzeń w latach 30. XXI wieku. Wyobraź sobie serwery rackowe, w których każdy CPU ma porty światłowodowe bezpośrednio na obudowie, łączące się z optycznym przełącznikiem top-of-rack; to może stać się powszechne. Wąskie gardło pamięci może być również rozwiązane przez łącza optyczne – na przykład poprzez optyczne łączenie modułów pamięci z procesorami, co pozwoli na większą przepustowość na odległość (niektórzy badacze mówią o „optycznej dezintegracji pamięci” dla dużych, współdzielonych pul pamięci). Podsumowując, centrum danych przyszłości (a co za tym idzie, usługi chmurowe przyszłości) prawdopodobnie będzie zbudowane na strukturze optycznych połączeń na każdym poziomie, umożliwionych przez fotonikę krzemową.
Sieci terabitowe dla wszystkich: Przepustowość łączy sieciowych będzie nadal gwałtownie rosnąć. Mówimy o 1,6 Tb/s, 3,2 Tb/s, a nawet 6,4 Tb/s w jednym module optycznym do początku lat 30. XXI wieku. Te prędkości są oszałamiające – łącze 3,2 Tb/s mogłoby przesłać film 4K w ułamku milisekundy. Choć te prędkości będą wykorzystywane w szkieletach centrów danych i sieciach telekomunikacyjnych, pośrednio skorzystają na nich konsumenci (szybszy internet, bardziej niezawodne usługi chmurowe). Do 2035 roku analitycy prognozują, że rynek zintegrowanych układów fotonicznych osiągnie wartość ponad 50 miliardów dolarów, głównie dzięki tym transceiverom dla AI i centrów danych optics.org. Możemy zobaczyć, jak 800G i 1,6T staną się nowym 100G, czyli będą podstawowymi łączami w sieciach. A wraz ze wzrostem wolumenu, koszt na bit spadnie, czyniąc łączność o wysokiej przepustowości tańszą i bardziej powszechną. Jest prawdopodobne, że nawet urządzenia konsumenckie (np. zestaw VR wymagający bardzo szybkiego łącza z PC lub konsolą) mogą wykorzystywać optyczny USB lub optyczny kabel Thunderbolt do przesyłania dziesiątek lub setek gigabitów bez opóźnień czy strat.
Rewolucja w telekomunikacji: W telekomunikacji fotonika krzemowa pomoże zrealizować sieci całkowicie optyczne o znacznie wyższej wydajności. Koherentna komunikacja optyczna z wykorzystaniem zintegrowanej fotoniki prawdopodobnie osiągnie ponad 1 Tb/s na długość fali (z zaawansowanymi konstelacjami i być może zintegrowanymi DSP w transceiverach). To może sprawić, że wieloterabitowe kanały optyczne staną się opłacalne, zmniejszając liczbę potrzebnych laserów/światłowodów. Fotonika krzemowa sprawi również, że reprogramowalne multipleksery optyczne (ROADM) i inne urządzenia sieciowe będą bardziej kompaktowe i energooszczędne, co z kolei ułatwi wdrażanie sieci 5G/6G o większej przepustowości oraz lepszej infrastruktury światłowodowej do domu. Jednym z obszarów, na które warto zwrócić uwagę, są zintegrowane lasery do telewizji kablowej / dostępu światłowodowego: tanie lasery strojone na krzemie mogłyby umożliwić każdemu domowi posiadanie symetrycznego łącza światłowodowego 100G, na przykład. Dzięki integracji funkcji optycznych operatorzy telekomunikacyjni mogą uprościć centrale i stacje czołowe. W efekcie końcowym oznacza to jeszcze szybsze i bardziej niezawodne usługi internetowe przy potencjalnie niższych kosztach, napędzane w tle przez układy fotoniki krzemowej.
AI Computing i silniki optyczne: W dziedzinie AI, jeśli firmom takim jak Lightmatter i Lightelligence się powiedzie, możemy być świadkami pierwszych optycznych koprocesorów w centrach danych. Przyspieszałyby one mnożenia macierzy lub analizę grafów za pomocą światła, potencjalnie oferując ogromny wzrost wydajności na wat. Możliwe, że w ciągu 5 lat niektóre centra danych będą miały całe szafy optycznych akceleratorów AI obok GPU, obsługujących wyspecjalizowane zadania niezwykle szybko (np. ultraszybkie wnioskowanie dla usług czasu rzeczywistego). Nawet jeśli w pełni optyczne komputery pozostaną częściowo ograniczone, hybrydowe podejście elektro-optyczne (elektronika do sterowania logiką, fotonika do przesyłania dużych ilości danych i operacji multiply-accumulate) może stać się kluczową strategią utrzymania skalowania wydajności AI. Dzięki redukcji ciepła i zużycia energii, fotonika może pomóc utrzymać szkolenie AI na wykonalnym poziomie, gdy modele będą rosły do bilionów parametrów. Krótko mówiąc, fotonika krzemowa może być sekretnym składnikiem, który umożliwi kolejny 1000-krotny wzrost rozmiaru modeli AI/danych treningowych bez przeciążania sieci energetycznej.
Wpływ na technologię konsumencką: Chociaż większość fotoniki krzemowej jest obecnie wykorzystywana w dużych centrach danych i sieciach, ostatecznie przeniknie ona do urządzeń konsumenckich. Oczywistym kandydatem są zestawy AR/VR (gdzie trzeba przesyłać ogromne ilości danych do miniaturowych wyświetlaczy i kamer – optyczne połączenia mogą tu pomóc). Innym przykładem są konsumenckie LiDAR-y lub czujniki głębi – przyszłe smartfony lub urządzenia noszone mogą mieć miniaturowe fotoniczne czujniki krzemowe do monitorowania zdrowia (do czego dążyła firma Rockley Photonics) lub do skanowania 3D otoczenia. Mobileye firmy Intel już zapowiedziało, że jego fotoniczny LiDAR trafi do samochodów, więc pod koniec lat 20. XXI wieku Twój nowy samochód może mieć zintegrowany fotoniczny układ scalony, który po cichu wspiera czujniki autonomicznej jazdy tanaka-preciousmetals.com. Z czasem, gdy koszty spadną, więcej takich czujników może pojawić się w codziennych urządzeniach (wyobraź sobie smartwatche, które wykorzystują fotoniczny czujnik krzemowy do nieinwazyjnego monitorowania glukozy lub analizy krwi za pomocą spektroskopii optycznej na nadgarstku – firmy rzeczywiście nad tym pracują). Nawet w zaawansowanym audio/wideo układy optyczne mogą poprawić aparaty (LiDAR do ustawiania ostrości lub mapowania 3D w fotografii) lub umożliwić wyświetlacze holograficzne poprzez modulację światła w mikroskali (trochę spekulacyjne, ale nie niemożliwe, bo przestrzenne modulatory światła na krzemie stają się coraz lepsze). Tak więc za dekadę konsumenci mogą nieświadomie korzystać z fotoniki krzemowej w swoich gadżetach, tak jak dziś używamy wszędzie czujników MEMS, nie zastanawiając się nad tym.
Fotonika w świecie kwantowym: Jeśli spojrzymy dalej w przyszłość, technologie fotoniki kwantowej mogą dojrzeć. Jeśli PsiQuantum lub inne firmy odniosą sukces, możemy mieć fotoniczny komputer kwantowy, który przewyższy klasyczne superkomputery w określonych zadaniach – z przetwarzaniem na układzie być może milionów splątanych fotonów. Byłoby to monumentalne osiągnięcie, prawdopodobnie równie przełomowe jak pierwsze komputery elektroniczne. Choć może to nastąpić dopiero po 2030 roku, postępy po drodze mogą przynieść symulatory kwantowe lub sieciowe systemy komunikacji kwantowej wykorzystujące fotonikę krzemową. Na przykład bezpieczne łącza komunikacji kwantowej (sieci QKD) mogłyby być wdrażane w sieciach miejskich z użyciem standaryzowanych nadajników QKD opartych na fotonice krzemowej w centrach danych. Istnieje także potencjał dla czujników kwantowych na układzie (np. optycznych żyroskopów o czułości kwantowej), które znajdą zastosowanie w nawigacji lub nauce.
Ciągłe badania i nowe horyzonty: Sama dziedzina fotoniki krzemowej będzie się nadal rozwijać. Naukowcy już badają integrację 3D – układanie fotonicznych układów scalonych z elektronicznymi dla jeszcze ściślejszego połączenia (niektórzy badają mikrowypustki lub techniki łączenia, by umieścić fotoniczny interposer pod CPU, na przykład). Mówi się także o optycznych sieciach na układzie (ONoC), gdzie zamiast lub oprócz elektrycznych sieci na układzie, procesory komunikują się między rdzeniami za pomocą światła. Jeśli kiedyś wielordzeniowe CPU będą używać wewnętrznych sieci optycznych, może to wyeliminować ograniczenia przepustowości wewnątrz układu (to perspektywa bardziej odległa, ale koncepcyjnie udowodniona w laboratoriach). Nano-fotonika również może odegrać rolę: plazmoniczne lub nanoskalowe komponenty optyczne działające z bardzo dużą szybkością lub na bardzo małej powierzchni, potencjalnie zintegrowane z fotoniką krzemową do określonych zadań (np. ultrakompaktowe modulatory). A kto wie, może pewnego dnia ktoś osiągnie świętego Graala – laser krzemowy dzięki sprytnemu trikowi materiałowemu – co naprawdę uprościłoby integrację fotoniczną.
Prognozy rynkowe i branżowe: Pod względem ekonomicznym prawdopodobnie zobaczymy boom na rynku fotoniki krzemowej. Według IDTechX, do 2035 roku wartość rynku ma osiągnąć około 54 miliardów dolarów optics.org. Warto zauważyć, że choć komunikacja danych będzie stanowić największą część, szacuje się, że około 11 miliardów dolarów może pochodzić z zastosowań innych niż transmisja danych (telekomunikacja, lidar, czujniki, technologie kwantowe itp.) optics.org. Oznacza to, że korzyści z tej technologii będą rozproszone w wielu sektorach. Możemy również być świadkami dużych przetasowań lub partnerstw w branży: na przykład, czy gigant technologiczny mógłby przejąć jeden z jednorożców fotoniki (wyobraźmy sobie, że Nvidia kupuje Ayar Labs lub Lightmatter, by zdobyć przewagę w obliczeniach optycznych)? To możliwe, gdy stawka rośnie. Ponadto międzynarodowa konkurencja może się zaostrzyć – możemy zobaczyć znaczące inwestycje rządów, by zapewnić sobie pozycję lidera (podobnie jak przemysł półprzewodników jest uznawany za strategiczny). Fotonika krzemowa może stać się kluczowym elementem narodowych strategii technologicznych, co dodatkowo napędzi finansowanie B+R i infrastrukturę.

W szerszym ujęciu, jeśli spojrzymy z dystansu, przyszłość z fotoniką krzemową to taka, w której granice między obliczeniami a komunikacją zacierają się. Odległość przestaje być ograniczeniem – dane mogą podróżować w obrębie układu scalonego lub między miastami z równą łatwością po optycznych włóknach. To może umożliwić architektury takie jak rozproszone obliczenia, gdzie fizyczna lokalizacja zasobów ma niewielkie znaczenie, ponieważ łącza optyczne zapewniają niskie opóźnienia i wysoką przepustowość. Możemy zobaczyć prawdziwie rozproszone centra danych, gdzie moc obliczeniowa, pamięć i magazynowanie są połączone optycznie niczym klocki LEGO. Zyski w efektywności energetycznej dzięki fotonice mogą również przyczynić się do bardziej ekologicznej branży ICT, co jest istotne, gdy apetyt infrastruktury cyfrowej na energię rośnie.

Cytując słowa weterana branży, „droga do skalowania fotoniki krzemowej jest równie ekscytująca, co pełna wyzwań.” laserfocusworld.com Przed nami z pewnością przeszkody, ale istnieje zbiorowa determinacja w środowisku akademickim i przemyśle, by je pokonać. Dzięki współpracy i innowacjom – łącząc naukę o materiałach, inżynierię półprzewodników i fotonikę – eksperci są przekonani, że sprostamy tym wyzwaniom i odblokujemy pełny potencjał fotoniki krzemowej laserfocusworld.com. Perspektywy na przyszłość są takie, że ta technologia przejdzie z peryferii (łącząc nasze urządzenia lub wspierając wyspecjalizowane systemy) do samego serca obliczeń i łączności. Jesteśmy świadkami narodzin nowej ery – takiej, w której to światło, a nie tylko elektrony, niesie życiodajną informację przez urządzenia i sieci będące podstawą współczesnego życia. I to jest prawdziwie rewolucyjna zmiana, która rozwinie się w ciągu następnej dekady i później.

Źródła: Definicje i zalety fotoniki krzemowej ansys.com ansys.com; zastosowania w czujnikach, LiDAR, kwantowych ansys.com ansys.com; trendy w centrach danych i AI laserfocusworld.com, optics.org; cytaty ekspertów i analizy laserfocusworld.com, tanaka-preciousmetals.com, nature.com; liderzy branży expertmarketresearch.com; najnowsze wiadomości i inwestycje datacenterdynamics.com, nextplatform.com, nextplatform.com; prognozy na przyszłość optics.org

The Future of Silicon Photonics: Transforming Data Centers

Watch this video on YouTube.

Rewolucja fotoniki krzemowej – technologia z prędkością światła zmienia AI, centra danych i nie tylko

Czym jest fotonika krzemowa i jak działa?