Der kompakte Modulator ermöglicht eine schnelle und energieeffiziente Datenübertragung und lässt sich kostengünstig herstellen. (Quelle: Hugo Larocque/EPFL)

 

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. Der elektrooptische Modulator sendet Daten effizient durch Glasfaserkabel und lässt sich kostengünstig in großer Stückzahl auf Standard-Halbleiterplatten herstellen. Das ist wichtig, weil Rechenzentren und Glasfasernetze durch KI‑Anwendungen und den steigenden Datenverkehr an ihre Leistungsgrenzen stoßen. Der Modulator entsteht, ähnlich wie moderne Computerchips, mit erprobten Halbleiterverfahren. Die Forschenden kombinieren dabei Lithiumtantalat – ein Material, das Licht besonders gut lenkt und als Herzstück des Modulators dient – mit einer bewährten Chip-Fertigungstechnik aus der Mikroelektronik. Bisher wurden die beiden Technologien nicht gemeinsam eingesetzt, doch nun ermöglichen sie erstmals eine zuverlässige Massenproduktion.

 

Millionenfach erprobte Herstellung

Lichtmodulatoren wandeln elektrische Signale in Lichtimpulse um – sie bilden schon heute die Grundlage für schnelles Internet und sind ideal 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 Professor Christian Koos, Leiter des Instituts für Photonik und Quantenelektronik (IPQ) des KIT. Denn 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.

 

Im Gegensatz zu früheren Verfahren entsteht dabei eine fast spiegelglatte Oberfläche, über die sich optische Mikrochips leicht mit elektronischen Chips verbinden lassen. Damit kann man Modulatoren nicht nur einfacher herstellen, sondern sie auch in bereits vorhandene elektronische Systeme einbauen.

 

Höchste Datenraten bei stabilem Lauf

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. Das ist ein großer Fortschritt, denn ständiges Nachjustieren im Dauerbetrieb ist aufwendig, verkompliziert die Übertragungssysteme und verbraucht Energie – ein besonders kritischer Punkt beim millionenfachen Einsatz solcher Bauteile in Rechenzentren und KI-Clustern.

 

Der Modulator erreicht Datenraten von über 400 Gigabit pro Sekunde – das entspricht der gleichzeitigen Übertragung von rund 80 000 HD-Streams (bei 5 Megabit pro Sekunde) oder dem Versenden von acht kompletten HD-Filmen. „Wir arbeiten an der Grenze dessen, was heute technisch möglich ist – mit einer leistungsfähigeren Ansteuerelektronik könnten wir die Datenraten sogar noch steigern“, erklärt Kotz. „Schnell, sparsam, zuverlässig und industriell massenhaft herstellbar – diese Mischung macht die Technologie attraktiv, besonders für Rechenzentren und KI-Cluster, die schon heute unter Engpässen im Datenaustausch zwischen den Prozessoren leiden“, betont Koos.

 

Originalpublikation:

Cai, J., Kotz, A., Larocque, H. et al. Heterogeneously integrated lithium tantalate-on-silicon nitride modulators for high-speed communications. Nat Commun (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-69769-3

https://www.nature.com/articles/s41467-026-69769-3

 

Siehe auch:

https://www.kit.edu/