Der Datenverkehr in Rechenzentren wächst schnell. Vor allem KI-Anwendungen treiben den Bedarf nach oben. Dabei verschiebt sich der Engpass zunehmend: Nicht nur Rechenleistung zählt, sondern auch der Datentransport zwischen Prozessoren. Genau hier setzt ein neues Bauteil des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) an.
Forschende haben einen elektrooptischen Modulator entwickelt, der hohe Datenraten mit stabiler Übertragung verbindet – und sich gleichzeitig in bestehende Fertigungsprozesse integrieren lässt.
Inhaltsverzeichnis
Photonik und Mikroelektronik wachsen zusammen
Modulatoren bilden die Schnittstelle zwischen Elektronik und Optik. Sie wandeln elektrische Signale in Lichtimpulse um, die durch Glasfasern übertragen werden. Ohne sie wären moderne Datennetze nicht denkbar.
Neu ist die Kombination aus Material und Fertigung. Die Forschenden integrieren Lithiumtantalat in photonische Schaltkreise aus Siliziumnitrid. Das geschieht auf Wafer-Ebene und ist mit etablierten Halbleiterprozessen kompatibel.
Die zugrunde liegende Studie zeigt, dass sich diese heterogene Integration großflächig umsetzen lässt. Dadurch entsteht eine Plattform, die sowohl hohe Bandbreiten als auch industrielle Skalierbarkeit ermöglicht.
Lithiumtantalat spielt dabei eine zentrale Rolle. Das Material reagiert schnell auf elektrische Felder und gilt als stabiler als vergleichbare Lösungen, etwa auf Basis von Lithiumniobat. Es weist unter anderem eine geringere Drift und eine höhere optische Belastbarkeit auf.
Kupfer verbessert Effizienz und Integration
Ein wichtiger Baustein des Designs sind die Elektroden. Statt Gold setzen die Forschenden auf Kupfer. „Der entscheidende Fortschritt liegt in den Kupferelektroden und in der Art, wie wir sie herstellen“, sagt Christian Koos vom KIT.
Kupfer leitet elektrische Signale effizienter und lässt sich mit etablierten Verfahren aus der Chipfertigung strukturieren. Gleichzeitig entstehen sehr glatte Oberflächen. Das erleichtert die Kopplung zwischen elektronischen und optischen Komponenten.
Der Effekt ist messbar: geringere Verluste, stabilere Signalübertragung und bessere Integrationsfähigkeit in bestehende Systeme.
Hohe Datenraten bei stabiler Übertragung
Die Leistungsdaten zeigen, in welche Richtung sich die Technologie entwickelt. Der Modulator erreicht eine elektrooptische Bandbreite von rund 100 GHz und eine Halbwellenspannung von etwa 6 V.
In Übertragungstests wurden unterschiedliche Szenarien untersucht:
- 333 Gbit/s Netto-Datenrate bei PAM4-Signalen
- bis zu 581 Gbit/s bei kohärenter Modulation (16QAM)
Damit bewegt sich das System auf dem Niveau aktueller Hochgeschwindigkeitslösungen. Neben der Geschwindigkeit ist die Stabilität entscheidend. „Der Modulator ermöglicht höchste Datenraten und läuft vor allem stabil – ohne dass wir die Einstellungen immer wieder korrigieren müssen“, sagt Alexander Kotz.
Messungen zeigen nur geringe Leistungsschwankungen über längere Zeiträume. Die Drift liegt unter 0,5 dB innerhalb einer Stunde. Das reduziert den Nachregelaufwand im Betrieb – ein wichtiger Faktor für große Rechenzentren.
Engpass Datentransport: Wo der Modulator ansetzt
In KI-Clustern wandern enorme Datenmengen zwischen Prozessoren, Speichern und Netzwerken. Genau dort entstehen zunehmend Engpässe. Elektrische Verbindungen verlieren bei hohen Datenraten an Effizienz. Signale schwächen sich ab, der Energiebedarf steigt, zusätzliche Kühlung wird nötig.
Optische Verbindungen umgehen diese Grenzen. Sie übertragen Daten mit Licht und verursachen dabei deutlich geringere Verluste. Der neue Modulator sitzt genau an dieser Schnittstelle zwischen Elektronik und Photonik.
Entscheidend ist die Kombination aus Leistung und Fertigbarkeit. Viele photonische Lösungen erreichen hohe Datenraten, scheitern aber an der Skalierung. Hier wird beides zusammengeführt: hohe Geschwindigkeit und ein Prozess, der sich in bestehende Chipfertigung integrieren lässt.
Wo es weiter technisch hakt
Trotz der Fortschritte gibt es weiterhin typische Zielkonflikte. Die Studie zeigt, dass sich zentrale Parameter gegenseitig beeinflussen:
- Dünnere Schichten reduzieren Verluste, verschlechtern aber die Modulationseffizienz
- Stärkerer Mode-Overlap verbessert die Kopplung, erhöht jedoch optische Verluste
- Geometrie und Materialwahl bestimmen Bandbreite und Energiebedarf gleichzeitig
Diese Abwägungen sind typisch für photonische Systeme und müssen je nach Anwendung optimiert werden.
Wo der Modulatur zum Einsatz kommen könnte
Der Modulator fügt sich in eine Plattform ein, die verschiedene photonische Funktionen auf einem Chip vereint. Die Kombination aus Siliziumnitrid und Lithiumtantalat schafft dafür die Grundlage.
Damit lassen sich nicht nur schnelle optische Verbindungen realisieren. Auch Signalverarbeitung direkt auf dem Chip oder Kopplungen zwischen Mikrowellen- und optischen Systemen werden möglich.
Perspektivisch lässt sich die Plattform weiter ausbauen. Denkbar ist die Integration zusätzlicher Materialien, etwa für direkt auf dem Chip erzeugte Laserquellen.
