פתיחת הכוח של מעגלים פוטוניים מסיליקון: כיצד צ'יפים מבוססי אור משנים את התקשורת והמחשוב. גלו את ההת breakthroughs המניעים את הדור הבא של טכנולוגיות במהירות גבוהה, חסכוניות באנרגיה.

• מבוא למעגלים פוטוניים מסיליקון
• כיצד פוטוניקה מסיליקון פועלת: עקרונות ורכיבים
• יתרונות מרכזיים על פני מעגלים אלקטרוניים מסורתיים
• יישומים מרכזיים: מרכזי נתונים, תקשורת ועוד
• חדשנויות וה突破ים האחרונים בפוטוניקה מסיליקון
• אתגרים ומגבלות מול מעגלים פוטוניים מסיליקון
• מגמות שוק ותחזיות לעתיד
• סיכום: הדרך קדימה למעגלים פוטוניים מסיליקון
• מקורות והפניות

מבוא למעגלים פוטוניים מסיליקון

מעגלים פוטוניים מסיליקון מייצגים טכנולוגיה משנה מציאות המשלבת רכיבים אופטים על גבי צ'יפים מבוססי סיליקון, ומאפשרת את המניפולציה והעברת אור לצורך תקשורת נתונים במהירות גבוהה ועיבוד אותות. לנצל את התשתיות המתקדמות לייצור בתעשיית המוליכים למחצה, פוטוניקה מסיליקון מציעה פלטפורמה ניתנת להרחבה וחסכונית ליחוד פוטוני, מה שהופך אותה לאפשרות מרכזית למרכזי נתונים מהדור הבא, תקשורת וטכנולוגיות קוונטיות מתפתחות. היתרון המרכזי של מעגלים פוטוניים מסיליקון טמון ביכולתם לשלב את הרוחב הפס הגבוה וזמן ההשהיה הנמוך של חיבורים אופטיים עם הקומפקטיות והיכולת לייצור של אלקטרוניקת סיליקון, ובכך להתמודד עם הביקוש הגובר לפתרונות העברת נתונים מהירים ויעילים מבחינת אנרגיה.

קדימות אחרונות הובילו לשילוב של פונקציות פוטוניות מורכבות—כמו מודולטורים, גלאים ומערכות מולטיפלקס לאורכי גל—ישירות על גבי צ'יפים סיליקוניים. שילוב זה לא רק מצמצם את שטח הפיזי וצריכת האנרגיה של מערכות אופטיות אלא גם מקל על אריזות משולבות עם מעגלים אלקטרוניים, תוך פתיחת הדרך לשילוב הטרוגני במבנים מחשוב מתקדמים. יתרה מכך, מעגלים פוטוניים מסיליקון תואמים לתהליכי CMOS, מה שמאפשר ייצור המוני ומחזורי חדשנות מהירים. כתוצאה מכך, התחום עובר לאימוץ מוגבר ביישומים שהם מנעו מחשוב ביצועים גבוהים ואינטליגנציה מלאכותית ועד חישה ביולוגית ועיבוד מידע קוונטי Intel Corporation, IBM Research. מחקר מתמשך ממשיך לדחוף את גבולות הביצועים של מכשירים, צפיפות אינטגרציה ופונקציות חדשות, וממקם את מעגלים פוטוניים מסיליקון בחזית המפגש בין פוטוניקה לאלקטרוניקה.

כיצד פוטוניקה מסיליקון פועלת: עקרונות ורכיבים

מעגלים פוטוניים מסיליקון פועלים על ידי מניפולציה של אור (פוטונים) בתוך גלי מדריכים משולבים המיוצרים על תתי סיליקון. העיקרון הבסיסי הוא השימוש בניגוד הגבוה של מדד השבירה של סיליקון עם סיליקון דיאוקסיד, מה שמאפשר מגבלה אופטית חזקה והכוונה יעילה של אור בקנה מידה תת-מיקרוני. זה מאפשר את המיזוג של רכיבים אופטיים ואת שילובם עם מעגלים אלקטרוניים על אותו צ'יפ, תוך שימוש בתהליכי ייצור CMOS מתקדמים.

רכיבים מרכזיים של מעגלים פוטוניים מסיליקון כוללים גלי מדריכים, מודולטורים, גלאים ומולטיפלקסים. גלי מדריכים הם רצועות סיליקון צרות המערכות אור עם אובדן מינימלי. מודולטורים מקודדים נתונים על גבי האור על ידי שינוי שלב או עוצמה, תוך שימוש לרוב באפקט פיזור פלאזמה בסיליקון. גלאי אור, בדרך כלל עשויים לגרמניום שמשולב עם סיליקון, ממירים את האותות האופטיים חזרה לאלקטרונים. מולטיפלקסים ודמולטיפלקסים (כמו גרטינג גלי מכוון) מאפשרים מיכון חלוקי גל מרובי, המאפשרים להעביר מספר ערוצי נתונים בו-זמנית דרך גלי מדריך יחיד.

חיבור האור ביעילות לתוך ומחוץ לצ'יפים סיליקוניים מתבצע באמצעות קובעים גרפיים או קובעים קצות, המתחברים עם סיבי אור. השילוב של רכיבים אלה מאפשר העברת נתונים עם רוחב פס גבוה וזמן השהיה נמוך, מה שהופך את מעגלים פוטוניים מסיליקון לאידיאליים ליישומים במרכזי נתונים, תקשורת וטכנולוגיות קוונטיות מתפתחות. מחקר מתמשך מתמקד בהפחתת אובדני אור, שיפור צפיפות האינטגרציה והרחבת מגוון המכשירים הפעילים והפסיביים הזמינים על פלטפורמות סיליקון (Intel Corporation; imec).

יתרונות מרכזיים על פני מעגלים אלקטרוניים מסורתיים

מעגלים פוטוניים מסיליקון מציעים מספר יתרונות מרכזיים על פני מעגלים אלקטרוניים מסורתיים, בעיקר הודות לשימושם באור (פוטונים) במקום באותות חשמליים (אלקטרונים) להעברת נתונים ולעיבוד. אחד היתרונות המשמעותיים ביותר הוא הפוטנציאל להגדלת רוחב הפס של נתונים בצורה דרמטית. פוטונים יכולים להוביל הרבה יותר מידע ליחידת זמן מהאלקטרונים, מה שמאפשר למעגלים פוטוניים מסיליקון לתמוך בקצבי נתונים בטווח הטראבית לשנייה, הרבה מעבר ליכולות של חיבורים מבוססי נחושת קונבנציונליים Intel Corporation.

עוד יתרון מרכזי הוא הפחתת צריכת האנרגיה. אותות אופטיים במעגלים פוטוניים מסיליקון חווים אובדן התנגדות פחות מאלה של אותות חשמליים, מה שמחייב במידה קריטית להגדיל את מרכזי הנתונים ומערכות מחשוב ביצועים גבוהים IBM Research. יעילות זו לא רק מורידה את עלויות הפעלת העסקים אלא גם עוסקת באתגרים ניהול תרמי המוגבלים את הצפיפות והמהירות של מעגלים אלקטרוניים מסורתיים.

מעגלים פוטוניים מסיליקון נדרשים גם לצפיפות אינטגרציה גבוהה יותר. מאחר שגלי מדריכים אופטיים יכולים להיות מיוצרים בקנה מידה תתי-מיקרוני ואינם נחשפים להפרעות אלקטרומגנטיות, מספר ערוצי פוטוניקה יכולים לקיים יחד בקרבה צמודה ללא השראות, מה שמאפשר חיבורים על צ'יפ שהם קומפקטיים ומורכבים מאוד GlobalFoundries. יתרה מכך, שימוש בתהליכי ייצור יחודיים ל-CMOS מאפשר ייצור המוני חסכוני ואינטגרציה חלקה עם רכיבי אלקטרוניקה קיימים, מה שמאיץ את האימוץ של פוטוניקה מסיליקון ביישומים מסחריים.

יישומים מרכזיים: מרכזי נתונים, תקשורת ועוד

מעגלים פוטוניים מסיליקון צצו במהירות כלטכנולוגיה משנה מציאות, בעיקר במרכזי נתונים ותקשורת, שם הביקוש להעברת נתונים מהירה וחסכונית באנרגיה הולך ומתרקם. במרכזי נתונים, פוטוניקה מסיליקון מאפשרת את השילוב של טרנסיברים אופטיים ישירות על צ'יפים סיליקוניים, מה שמוגבר באופן משמעותי את רוחב הפס תוך כדי הפחתת צריכת האנרגיה והשטח הפיזי. שילוב זה תומך בצמיחה האקספוננציאלית של מחשוב облаוה וניתוח נתונים, בכך שהוא מפנה חיבורים מהירים ואמינים יותר בין שרתים למערכות אחסון. שחקנים משמעותיים בתעשייה, כמו Intel Corporation, כבר מסחרו טרנסיברים פוטוניים מסיליקון, וכך מדגישים את התקדמות והיקף הטכנולוגיה.

בתקשורת, מעגלים פוטוניים מסיליקון משנים את רשתות האופטיות על ידי הקניית ריבוי חלוקי גל לדחיסות (DWDM) ותקשורת אופטית מתואמת. התקדמות אלו מאפשרות לקצבי נתונים גבוהים יותר ומרחקי העברה ארוכים יותר, שהם חיוניים כדי לעמוד בדרישות של רשתות 5G ו-6G העתידיות. ארגונים כמו Nokia מפיקים פוטוניקה מסיליקון כדי לפתח פתרונות תחבורה אופטיים מהדור הבא שאמורים להביא להפחתת זמן ההשהיה וגמישות רבה יותר של הרשת.

מעבר לסקטורים האלה, מעגלים פוטוניים מסיליקון מוצאים יישומים בתחומים מתפתחים כמו מחשוב קוונטי, חישה ביולוגית ו-LiDAR לרכב אוטונומיים. התאמתם לתהליכים של ייצור CMOS מאפשרת ייצור המוני חסכוני, מה שמניח את הדרך לאימוץ רחב תעשיות מגוונות. מוסדות מחקר, כולל MIT Photonics, חוקר באופן פעיל יישומים חדשניים, דבר המדגיש את הפוטנציאל הרחב של פוטוניקה מסיליקון להניע חדשנות בכל הנוגע לטכנולוגיה.

חדשנויות וה突破ים האחרונים בפוטוניקה מסיליקון

בשנים האחרונות חווינו חידושים מרשימים במעגלים פוטוניים מסיליקון, הנובעים מהדרישה לקצבי נתונים גבוהים יותר, יעילות אנרגיה וצפיפות אינטגרציה בתקשורת אופטית ובמחשוב. אחד ההישגים המהותיים הוא פיתוח של לייזרים הנתמכים במהותית על סיליקון, התגברו על המגבלה של הפערים היישומיים של החומר. חוקרים הצליחו להדביק חומרים III-V על תתי סיליקון, מאפשרים מקורות אור באפקטיביות גבוה על צ'יפים, ובכך שראו לשלמות של מערכות פוטוניות משולבות Intel Corporation.

עוד התקדמות בולטת היא היישום של ריבוי חלוקי גל לדחיסות (DWDM) על פלטפורמות פוטוניות מסיליקון. באמצעות שילוב של גרטינג גלי מכוון קומפקטיים ותחומים ניתנים להתאמה, מעגלים פוטוניים מסיליקון יכולים כעת לתמוך במאות ערוצי אורך גל, ומעלים את רוחב הפס ליישומי נתונים במרכזי נתונים וטלקום imec. בנוסף, השילוב של מודולטורים מהירים וגלאים אפשרה העברת קצבי נתונים שעולים על 400 Gb/s לערוץ, כשמחקר מתמשך מכוון לקישורים בטראבית Cisco Systems.

יישומים מתפתחים כגון רשתות עצביות אופטיות ופוטוניקה קוונטית גם נהנים מההתקדמויות בעיצוב מעגלים פוטוניים מסיליקון. מעבדי פוטוניקה מתכנתים, המניעים כלים המיועדים לשינוי מחדש, נבדקים כעת להאצת למידה מכונת ועיבוד מידע קוונטי Xanadu Quantum Technologies. ההישגים הללו מהווים סימן לתקופה חדשה לפוטוניקה מסיליקון, עם הפוטנציאל לשנות את עיבוד הנתונים, התקשורת ואת התודעה המתפתחת.

אתגרים ומגבלות מול מעגלים פוטוניים מסיליקון

למרות ההבטחה שלהם לשנות את התקשורת של נתונים ועיבוד אופטי, מעגלים פוטוניים מסיליקון ניצבים בפני מספר אתגרים מגדריים ומגבלות. אחת הבעיות המרכזיות היא התכונה החומרית הפנימית של סיליקון: אין לו פער ישיר, מה שגורם לכך שלא יעיל כממקבל אור. מגבלה זו מסבכת את השילוב של לייזרים על צ'יפים, ולעיתים נדרשו מקורות אור חיצוניים או אינטגרציה היברידית עם מוליכים למחצה III-V, דבר שמגביר את מורכבות הייצור והעלויות (Intel Corporation).

אתגר נוסף הוא אובדן אופטי, במיוחד בממשקי גלי מדריך ובפניות, שעשויים להחמיר את שלמות האות למרחקים הארוכים. אובדני פיזור בגלל קונפרות צדדיות ואובדני ספיגה מחומרים או פגמים מגבילים בנוסף את ביצועי המכשירים. יתרה מכך, ניגוד השבירה הגבוה של סיליקון, בעוד שהוא מועיל לפגיעות המתקן הקומפקטי, יסבול כא-> שושעת לתקלות ייצור, מה שיכול להוביל לשינויים במאפייני המכשיר (imec).

ניהול תרמי הוא גם דאגה, שכן מדד השבירה של סיליקון תלוי בטמפרטורה, דבר שמקנה למעגלים פוטוניים נטייה להפרש תרמי וסטייה. זה מצריך שימוש באלמנטים נשים כמה בעצמם, מה שיכול להוריד את היתרונות היעילות של האינטגרציה הפוטונית (Nature Reviews Materials).

לבסוף, שילוב רכיבים פעילים ופאסיביים, כמו מודולטורים, גלאים ומולטיפלקסים, על צ'יפ אחד נשאר משימה מורכבת. השגת ייצור באיכות גבוהה עם מאוד צריך קשוחות מהווה אתגר מתמשך, במיוחד בעת שמתרקמים את מורכבות המעגלים לאפליקציות מתקדמות במרכזי נתונים ובמחשוב קוונטי (Laser Focus World).

מגמות שוק ותחזיות לעתיד

שוק המעגלים הפוטוניים מסיליקון חווה צמיחה רבה, מנוע על ידי הביקוש המתרסם להעברת נתונים מהירה במרכזים לעיבוד נתונים, תקשורת וביישומים מתפתחים כמו מחשוב קוונטי וחישה ביולוגית. לפי MarketsandMarkets, שוק הפוטוניקה של סיליקון בצפון נוף בהחלט יגיע ליותר מ-$4.6 מיליארד עד 2027, עם שיעור צמיחה שנתי ממוצע (CAGR) שעולה על 23%. הרחבה זו מתודלקת על ידי האימוץ המתרקם של מחשוב облаוה, אינטליגנציה מלאכותית ורשתות 5G, אשר כל הצרכים לחיבורים מהירים ויעילים מבחינת אנרגיה.

שחקני תעשייה מרכזיים, כולל Intel Corporation ו-Cisco Systems, Inc., משקיעים כבדות במחקר ופיתוח לשיפור צפיפות שילוב, הפחתה בעלויות ושיפור הביצועים של מכשירי פוטוניקה מסיליקון. המגמה לקראת אופטיקה משולבת—שילוב רכיבים פוטוניים ואלקטרוניים בתוך יחידה אחת—צפויה לשפר את האימוץ של השוק, במיוחד במרכזי נתונים רחבי השפעה.

מסתכלים קדימה, התחזיות של מעגלים פוטוניים מסיליקון נראות מבטיחות, עם התקדמות מתמשכת בטכניקת הייצור ובמדע החומרים, הסכמת פתיחת יישומים חדשים. השילוב של חומרים חדשים כמו גרמניום ומוליכים למחצה III-V צפוי להוריד את המגבלות הנוכחיות בהוצאה ובגילוי אור, מה שיאפשר שימוש רחב יותר באלקטרוניקה לצרכנים ובדיאגנוסטיקה רפואית. עם התבגרת מאמצי הסטנדרטיזציה והפחתת עלויות הייצור, הפוטוניקה מסיליקון מתוכננת להפוך לטכנולוגיה יסודית עבור מערכות תקשורת אופטיות ותחושה מהדור הבא המרכז למידע של אינסטיטוטטור (IDC).

סיכום: הדרך קדימה למעגלים פוטוניים מסיליקון

העתיד של מעגלים פוטוניים מסיליקון מצריך צמיחה רבה, להניע את הביקושים הגוברים להעברת נתונים מהירה, לשיפור יעילות אנרגית, ולמיניאטור מכשירים. ככל שמרכזי נתונים, תקשורת, וטכנולוגיות קוונטיות מתקדמות עושות את גבולות האלקטרוניקה הקונבנציונלית, פוטוניקת הסיליקון מציעה פלטפורמה ניתנת להרחבה וחסכונית לשילוב פונקציות אופטיות ואלקטרוניות על צ'יפ אחד. אתגרים מרכזיים נותרו, כולל הפחתת אובדני אור, שיפור השילוב עם רכיבי אלקטרוניקה, ופיתוח פתרונות אריזות אמינים. עם זאת, מחקר מתמשך על שילוב הטרוגני, חומרים מתקדמים, וארכיטקטורות מכשירים חדשניות פותר מהר את האתגרים הללו.

הצפי לאימוץ של מעגלים פוטוניים מסיליקון צפוי לגדול עם הביטטים של תהליכי ייצור המיועדים לתשתיות קיימות של CMOS, שמאפשרים ייצור המוני וקומוניזציה רחבה יותר. זה יאפשר יישומים חדשים באינטליגנציה מלאכותית, חישה ביולוגית ומחשוב ביצועים גבוהים, שבו יתרונות הייחודיים של הפוטוניקה—כמו זמן השהיה נמוך ורוחב פס גבוה—הופכים אגודתיים. מאמצים משתפים בין אקדמיה, תעשייה ורשויות ממשלתיות מקדמים חדשנות וסטנדרטיזציה, ומניעים את התחום קדימה. ככל שהטכנולוגיות הללו מתפתחות, פוטוניקה מסיליקון צפויה להפוך לאבן פינה במערכות מידע ותקשורת מהדור הבא, שעוסקות בנוף של האלקטרוניקה והפוטוניקה המודרנית על עצמה (Intel Corporation, imec).

מקורות והפניות

• IBM Research
• imec
• Nokia
• Cisco Systems
• Xanadu Quantum Technologies
• Nature Reviews Materials
• Laser Focus World
• MarketsandMarkets
• International Data Corporation (IDC)