Welche Vorteile und Herausforderungen bieten Siliziumphotonik und integrierte photonische Schaltungen?

Integrierte photonische Schaltkreise (PICs) sind winzige optische Systeme aus Materialien wie Quarzglas, Silizium oder Indiumphosphid. PICs ermöglichen vielfältige Anwendungen – von komplexen optischen Designs, die Milliarden von Bits an Informationen in einem Gehäuse von der Größe einer Tafel Schokolade senden und empfangen können, bis hin zu künstlichen Nasen, die verschiedene Verbindungen und Moleküle in der Umgebungsluft erkennen können.

Durch die Nutzung der Milliardeninvestitionen in CMOS-Chips können photonische integrierte Schaltungen (PICs) neue Skalierungspotenziale jenseits des Mooreschen Gesetzes erschließen. Der PIC-Markt steht jedoch weiterhin vor erheblichen Herausforderungen, darunter Materialbeschränkungen, Integrationskomplexität und Kostenmanagement. Um die anfänglichen Design- und Herstellungskosten von PICs zu decken, sind hohe Nachfragemengen erforderlich, und die Produktionsvorlaufzeiten können Monate betragen. Der neue Bericht von IDTechEx zu diesem Thema, „Siliziumphotonik und photonische integrierte Schaltungen 2024–2034: Markt, Technologien und Prognosen“, analysiert den PIC-Markt eingehend und identifiziert photonische Transceiver für KI als aufstrebendes Segment, das schon bald den größten Anteil der PIC-Nachfrage ausmachen wird.

Was sind die PIC-Materialien der Zukunft?

Für die photonischen integrierten Schaltungen (PICs) der Zukunft steht eine breite Materialpalette zur Verfügung. Derzeit werden auf dem Markt hauptsächlich Silizium- und silikatbasierte PICs zur Lichtausbreitung eingesetzt. Silizium ist jedoch als indirekter Halbleiter weder eine effiziente Lichtquelle noch ein effizienter Photodetektor. Daher wird Silizium häufig mit III-V-Materialien für Lichtquellen und Photodetektion kombiniert. Dünnschicht-Lithiumniobat (TFLN) mit seinem moderaten Pockels-Effekt und geringen Materialverlusten entwickelt sich jedoch zu einem vielversprechenden Kandidaten für Anwendungen, die eine hochleistungsfähige Modulation erfordern, wie beispielsweise Quantensysteme oder zukünftige Hochleistungstransceiver. Monolithisches Indiumphosphid (InP) bleibt aufgrund seiner Fähigkeit, Licht sowohl zu detektieren als auch zu emittieren, ein wichtiger Bestandteil. Darüber hinaus werden innovative Materialien wie Bariumtitanit (BTO) und Seltenerdmetalle hinsichtlich ihres Potenzials für Quantencomputer und andere zukunftsweisende Anwendungen erforscht.

Wie KI die Nachfrage nach Siliziumphotonik und PICs verändert

Der Aufstieg der Künstlichen Intelligenz (KI) hat eine beispiellose Nachfrage nach Hochleistungstransceivern ausgelöst, die die von KI-Beschleunigern und Rechenzentren benötigten enormen Datenübertragungsraten unterstützen. Siliziumphotonik und photonische integrierte Schaltungen (PICs) stehen dank ihrer Fähigkeit, Daten mit Geschwindigkeiten von 1,6 Tbit/s und mehr zu übertragen, an der Spitze dieser Revolution. Wie die neuesten Blackwell-CPUs von Nvidia zeigen, die laut einer Studie von IDTechEx etwa zwei 800G-Transceiver pro GPU benötigen, wird die effiziente Kommunikation mit hoher Bandbreite für KI immer wichtiger. Dies positioniert Siliziumphotonik und PICs als essenzielle Komponenten der KI-gesteuerten Zukunft. Haupttreiber der PIC-Transceiver-Entwicklung ist die KI selbst, da leistungsstärkere KI-Beschleuniger auch leistungsstärkere Transceiver benötigen. Bis 2026 werden Transceiver mit 3,2 Tbit/s erwartet.

Welche zukünftigen Anwendungsgebiete gibt es?

Siliziumphotonik und photonische integrierte Schaltungen (PICs) bieten weitere Anwendungsmöglichkeiten: von Chip-zu-Chip-Verbindungen mit hoher Bandbreite bis hin zu fortschrittlichen Gehäuse- und Co-Packaging-Optiken. Diese Technologien ebnen den Weg für die nächste Generation des Computings.

Photonische Motoren und Beschleuniger: Durch die Verwendung bestimmter photonischer Komponenten, wie z. B. Mach-Zehnder-Interferometer, und die Steuerung dieser Komponenten über elektrooptische Verbindungen können Hochleistungsprozessoren und programmierbare PIC-Bausteine ​​entwickelt und hergestellt werden, wodurch eine Leistungsfähigkeit erreicht wird, die über das hinausgeht, was mit elektronischen Beschleunigern allein möglich ist.

PIC-basierte Sensoren: Einige PIC-Materialien, wie beispielsweise Siliziumnitrid, eignen sich für eine Vielzahl von Sensoren, von Gassensoren bis hin zu künstlichen Nasen. Der Bereich der Gesundheitssensorik könnte von der Miniaturisierung optischer Komponenten in PIC-Bausteinen profitieren, die Anwendungsmöglichkeiten in der patientennahen Diagnostik oder bei Wearables bieten.

Der PIC-basierte FMCW-LiDAR hat das Potenzial, die Automobil- und Agrarindustrie durch Anwendungen in Drohnen und autonomen Fahrzeugen zu verändern.

Quantensysteme: Unternehmen, die in Quantencomputer mit Ionenfallen und Photonen investieren, setzen auf photonische integrierte Schaltungen (PICs) für stabilere und skalierbarere Quantensysteme. PICs werden in photonischen Quantensystemen verwendet, um die für das Quantencomputing notwendige präzise Photonensteuerung zu erreichen.

Der Markt für PICs wird voraussichtlich ein jährliches Wachstum von 8 % verzeichnen, angetrieben durch Anwendungen in den Bereichen Quantencomputing, 5G, LiDAR, Sensoren (wie Biosensoren und Gassensoren) sowie Datenkommunikation für KI. Quelle: IDTechEx

Der Markt für Siliziumphotonik und PICs verzeichnet ein starkes Wachstum, angetrieben durch den Aufstieg der KI und die Nachfrage nach Datenkommunikations-Transceivern. Branchenführer wie Intel/Jabil, Coherent und Infinera setzen PICs aktiv in ihren Transceivern ein. Innolight, ein chinesisches Transceiver-Unternehmen, erreichte Ende 2023 mit seinen neuesten Transceivern eine Übertragungsrate von 1,6 Tbit/s. Die Auslieferung für Rechenzentrumsanwendungen soll 2024 beginnen. Coherent, das über eigene InP-Wafer-Fertigungsanlagen verfügt, entwickelt ebenfalls leistungsstärkere Transceiver für Anwendungen mit über 1,6 Tbit/s. Intel Silicon Photonics, das möglicherweise vom Hersteller Jabil übernommen wird, verkaufte laut einer Analyse von IDTechEx im Jahr 2023 rund 1,7 Millionen PICs und entwickelt weiterhin Transceiver für Telekommunikation und Datenkommunikation. IDTechEx geht davon aus, dass die PIC-Technologie den Markt für Hochleistungs-Transceiver weiterhin dominieren wird und damit ihre Position als entscheidende Komponente in der modernen Technologielandschaft weiter festigt.

Autor: 

Autor: James Falkiner, Technologieanalyst bei IDTechEx