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Optisches Rechnen Programmierbarer Photonik-Chip bremst das Licht

Von Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter 2 min Lesedauer

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Forscher aus Seoul haben ein programmierbares photonisches Design vorgestellt, das die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht steuert. Noch handelt es sich um eine Simulation, doch die Stoßrichtung passt zum Boom der Silizium-Photonik in KI-Servern.

Konzeptdarstellung des programmierbaren CRIT-Photonikchips: Optische Pulse ändern beim Durchlaufen der Schaltung ihre zeitliche Verzögerung und ihre Frequenzeigenschaften. (Bild: Seoul National University College of Engineering)
Konzeptdarstellung des programmierbaren CRIT-Photonikchips: Optische Pulse ändern beim Durchlaufen der Schaltung ihre zeitliche Verzögerung und ihre Frequenzeigenschaften.
(Bild: Seoul National University College of Engineering)

Kupfer stößt an seine Grenzen. Mit dem rasanten Wachstum generativer KI und immer größerer Modelle steigt der Rechen- und Datentransferbedarf in Rechenzentren rasant. Elektrische Interconnects halten bei Bandbreite und Energieeffizienz nicht mehr mit. Die Antwort heißt Silizium-Photonik: Der Markt für steckbare optische Transceiver soll bis 2030 auf über 34 Mrd. US-Dollar wachsen; der Anteil silizium-photonischer Modulatoren klettert laut Prognosen von 43 auf 76 Prozent. Doch für echtes optisches Rechnen reicht Übertragen allein nicht. Signale müssen zur richtigen Zeit ankommen – sie müssen sich verzögern, synchronisieren und zwischenspeichern lassen. Genau das ist mit Licht schwierig, da es sich mit fester Geschwindigkeit bewegt. Optische Buffer bleiben eine der größten offenen Baustellen.

An dieser Stelle setzt eine Arbeit von Forschern der Seoul National University und der University of Seoul an. Das Team hat ein programmierbares, photonisches Integrated Circuit (PIC) entworfen, das die Geschwindigkeit und Form optischer Signale steuert. Technische Grundlage ist das Prinzip der Coupled-Resonator-Induced Transparency (CRIT): Durch Interferenz mehrerer Resonatoren lässt sich Licht in einem definierten Frequenzbereich durchlassen und dabei verlangsamen. Bisherige CRIT-Bauelemente waren nach der Fertigung jedoch starr. Das koreanische Team behandelt Bright- und Dark-Mode eines CRIT-Systems als einen einzigen Freiheitsgrad und ergänzt zwei steuerbare Loop-Coupler. So wird aus einer starren Anordnung eine rekonfigurierbare Struktur. Über die Koppler lassen sich Bandbreite, Signalform, Verzögerungszeit und Transmissionseffizienz dynamisch anpassen – und das über mehrere Resonatoren hinweg, ohne Leistungsverlust. Zudem kann die Frequenz des Lichts umgesetzt werden.

Funktionen wie Signalsynchronisation, Delaylines und Frequenzkonversion könnten künftig auf einem einzigen, software-definiert konfi­gurierten Chip zusammengefasst werden. Es handelt sich um ein theoretisches Designprinzip auf Basis einer 3D-elektromagnetischen Simulation auf einer Siliziumnitrid-Plattform (Si3N4). Reale Störeinflüsse wurden berücksichtigt. Silizium-Photonik geht in die Volumenphase, programmierbare Slow-Light-Delaylines bleiben Forschung. Das Konzept liefert einen Baustein für künftige photonische Plattformen. 

Dieser Artikel stammt von unserem Partnerportal ELEKTRONIKPRAXIS.

Kurz erklärt

CRIT (Coupled-Resonator-Induced Transparency): Optisches Phänomen, das Licht in einem definierten Frequenzbereich selektiv durchlässt und verzögert. Das erfolgt durch Interferenz zwischen mehreren Resonatoren.

Optischer Resonator: Photonisches Bauelement, das Licht einer bestimmten Frequenz einschließt oder zirkulieren lässt; genutzt für Signalverzögerung, Filterung und Modulation.

Si₃N₄-PIC (Siliziumnitrid-Plattform): Verlustarme, sehr stabile Waveguide-Plattform, verbreitet für optische Signalverarbeitung und integrierte Photonik.

Thermisches Übersprechen: Wärme aus einem Schaltungsteil beeinflusst benachbarte Komponenten und kann deren Verhalten verändern.

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