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Optische Breitband-Kommunikation, Biosensoren- und LiDAR-on-a-Chip-Lösungen sowie Photonik-Prozessoren für KI- und andere High-End-Computing-Anwendungen treiben den Fortschritt der Silizium-Photonik. Der Markt soll rasant wachsen.

Zwar schwächen die Analysten von Yole Développement ihre Wachstumsprognose in einer aktuellen Studie ab. Dennoch kennt der globale Markt für Silizium Photonik aktuell nur eine Richtung: Durchschnittliche jährliche Zuwachsraten von 36 Prozent auf der Rohchip-(Die)-Ebene treiben die junge Technologie der Milliarden-US-Dollar-Marke entgegen. Betrug das Marktvolumen im Jahr 2021 noch 152 Millionen Dollar, so wird es laut Yole bis 2027 auf 972 Millionen Dollar steigen.

Der wichtigste Markt für die Silizium Photonik ist bisher noch die Datenkommunikation. Dort ebnen optische Transceiver den Weg zur immer effizienteren Datenübertragung mit rasant steigenden Datenraten. Marktführer Intel ist mittlerweile bei steckbaren (pluggable) optischen Modulen angekommen, die 800 Gigabit/Sekunde übertragen und sich dabei in bestehende Ethernet-Architekturen integrieren lassen. Im nächsten Schritt werden co-packed Optics anstelle der Pluggables übernehmen. Sie werden mit bis zu 16 Terabit/s nicht nur ein völlig neues Bandbreitenniveau ermöglichen, sondern erreichen dank voll integrierter Photonischer Integrierter Schaltungen auch eine wesentlich verbesserte Energieeffizienz. Während Intel den Energiebedarf der neuesten 800 G Ethernet-Pluggables mit 30 Pikojoule pro Bit (pJ/bit) angibt, soll dieser bei den künftigen co-packed Optics deutlich unter 5 pJ/bit sinken.

Neue LiDAR-Lösungen, Biosensoren und Prozessor-Architekturen

Solche Fortschritte treiben das Marktwachstum ebenso wie die volle Integration von LiDAR-Systemen auf Silizium-Chips. Eines dieser Lidar-System-on-Chip (SoC)-Konzepte kommt von der israelischen Intel-Tochter Mobileye und integriert sowohl die Laserstrahlquellen als auch die empfangenden Fotodioden auf einem Chip. Auch hier handelt es sich im eine voll integrierte Photonische integrierte Schaltung (PIC), die ab Mitte des Jahrzehnts den Markt für autonome Fahrzeuge erobern soll. Daneben drängen aktuell auch PIC-Plattformen für die biomedizinische Sensorik auf den Markt, deren Einsatz unter anderem in Wearables großes Marktpotenzial birgt. Yole nennt hierfür beispielhaft die VitalSpexTM-Biosensorplattform des britisch-kalifornischen Start-ups Rockley Photonics. Silizium-photonische Sensorik basiert oft auf spektroskopischen Verfahren. Dafür werden miniaturisierte durchstimmbare Strahlquellen und Ringresonatoren samt Schaltungen auf den Halbleiterchips integriert.

Auch im Bereich Artificial-Intelligence- und High-end-Computing erwarten die Analysten ein stürmisches Wachstum der Silizium Photonik. Die jährlichen Zuwachsraten erreichen hier über 140 Prozent, wodurch dieses junge Marktsegment bis 2027 bereits auf ein Volumen von annährend 250 Millionen Dollar wachsen werde. Das Zusammenwachsen der herkömmlichen Siliziumchips mit photonischen Modulen wird laut Intel zu neuartigen Prozessor-Architekturen führen. Sowohl für zentrale Recheneinheiten (CPUs) als auch für Grafikprozessoren (GPUs) sei ein Technologiesprung notwendig, um dem weiterhin rasant steigenden Datenaufkommen gewachsen zu bleiben.

Noch bremsen hohe Start-Investitionen die Entwicklung

Experten wie Michal Lipson, Professorin für Angewandte Physik an der Columbia University New York oder Prof. Roel Baets, der das Zentrum für Nano- und Biophotonik der belgischen Universität Gent leitet, sehen großes disruptives Potenzial in der Silizium Photonik. Derzeit befinde sich die Technologie in einem Stadium, das mit der Chipindustrie in den 1970er zu vergleichen sei. Angesichts der enormen Startinvestitionen für die Fertigungstechnik und die Reinräume gelang der industrielle Durchbruch erst mit sogenannten Halbleiter-Foundries, die auf ihrer Fertigungsinfrastruktur Produkte verschiedener Halbleiterkonzerne fertigten und oft heute noch fertigen. Beats vermutet, dass auch die Silizium-Photonik erst auf diesem Wege zu einem Massenmarkt reifen wird, weil die oft jungen Firmen auf diese Art und Weise die Kosten und Risiken verteilen können. Er hat dafür bereits vor Jahren die European Silicon Photonics Alliance – ePIXfab initiiert.