Ein neuartiges Bauteil, das durch eine fortschrittliche Fertigungstechnologie eine sehr schnelle, sparsame und verlässliche Datenübertragung ermöglicht, haben Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) entwickelt. Wie das KIT in einer Pressemitteilung schreibt, sendet der elektrooptische Modulator Daten effizient durch Glasfaserkabel und lässt sich kostengünstig in großer Stückzahl auf Standard-Halbleiterplatten herstellen. Dies ist von großer Bedeutung, da Rechenzentren und Glasfasernetze durch KI-Anwendungen und den steigenden Datenverkehr an ihre Leistungsgrenzen stoßen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
Der Modulator entsteht, ähnlich wie moderne Computerchips, mit erprobten Halbleiterverfahren. Die Forschenden kombinieren dabei Lithiumtantalat – ein Material, das Licht besonders gut lenkt – mit einer bewährten Chip-Fertigungstechnik aus der Mikroelektronik. Bisher wurden die beiden Technologien nicht gemeinsam eingesetzt, doch nun ermöglichen sie erstmals eine zuverlässige Massenproduktion.
Erprobte Herstellung
Lichtmodulatoren wandeln elektrische Signale in Lichtimpulse um – sie bilden bereits heute die Grundlage für schnelles Internet und eignen sich für Anwendungen mit riesigen Datenströmen, wie beim Training mit künstlicher Intelligenz. Neu ist dabei vor allem das Fertigungsverfahren: „Der entscheidende Fortschritt liegt in den Kupferelektroden und in der Art, wie wir sie herstellen“, sagt Prof. Christian Koos, Leiter des Instituts für Photonik und Quantenelektronik (IPQ) des KIT. Kupfer leitet Signale besser als das bislang verwendete Gold und ermöglicht zugleich sehr glatte Oberflächen.
Dadurch arbeitet das Bauteil zum einen effizienter, weil weniger Energie verloren geht. Zum anderen lassen sich die Kupferelektroden in einem Verfahren herstellen, das in der elektronischen Computerchip?Fertigung bereits millionenfach erprobt ist. Dabei entsteht eine fast spiegelglatte Oberfläche, über die sich optische Mikrochips mit elektronischen Chips verbinden lassen. Die Modulatoren lassen sich somit einfacher herstellen und auch in bereits vorhandene elektronische Systeme einbauen.
Mehr als 400 Gigabit pro Sekunde möglich
Tests des KIT-Teams zeigen: „Der Modulator ermöglicht höchste Datenraten und läuft vor allem stabil – ohne dass wir die Einstellungen immer wieder korrigieren müssen“, sagt Alexander Kotz, ebenfalls vom IPQ. Ein großer Fortschritt, denn das Nachjustieren im Dauerbetrieb ist aufwendig, verkompliziert Übertragungssysteme und verbraucht Energie – ein besonders kritischer Punkt beim millionenfachen Einsatz solcher Bauteile in Rechenzentren und KI-Clustern.
Laut den KIT-Forschenden erreicht der Modulator Datenraten von mehr als 400 Gigabit pro Sekunde, was der gleichzeitigen Übertragung von rund 80.000 HD-Streams (bei 5 Megabit pro Sekunde) oder dem Versenden von acht kompletten HD-Filmen entspricht. „Wir arbeiten an der Grenze dessen, was heute technisch möglich ist – mit einer leistungsfähigeren Ansteuerelektronik könnten wir die Datenraten sogar noch steigern“, erklärt Kotz.
Koos betont, dass die Technologie insbesondere für Rechenzentren und KI-Cluster attraktiv ist, da diese bereits heute unter Engpässen beim Datenaustausch zwischen den Prozessoren leiden.
