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Ein »Stecker« für lichtgesteuerte Chips

Kommunikation über Licht kann deutlich billiger werden

3. März 2026, 7:24 Uhr | Heinz Arnold

Illustration eines photonischen Chips (blau), der über 3D-gedruckte Koppler (grün) mit einem Glasfaser-Array (schwarz) verbunden ist. Die Ausrichtungsstifte auf der Oberfläche des Chips sorgen dafür, dass die Teile automatisch und präzise ausgerichtet werden, während die Koppler das Licht in den Chip leiten.

Photonische ICs können ebenso einfach wie elektronische ICs über einen »Stecker« angesteuert werden, wie Physiker und Chemiker der Universität Heidelberg jetzt gezeigt haben. Damit ließe sich die Kommunikation über Licht in KI-Rechenzentren kostengünstig realisieren.

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Dieser Stecker hat bisher gefehlt, was ein Grund dafür ist, dass der Einsatz von Photonic Inegrated Circuits (PICs) bisher sehr teuer ist. Ein Team um Prof. Dr. Wolfram Pernice am Kirchhoff-Institut für Physik in Heidelberg hat jetzt ein neuartiges Verbindungskonzept für lichtgesteuerte Chips entwickelt und demonstriert.

PICs nutzen Licht anstelle von Elektronen zur Informationsübertragung. Sie bieten extrem hohe Bandbreiten, weisen nur minimale Verzögerungen bei den Übertragungszeiten auf und sind dabei deutlich energieeffizienter als herkömmliche elektronische Systeme.

Alle wichtigen optischen Komponenten wie zum Beispiel die Wellenleiter befinden sich direkt auf dem Chip. So ersetzen sie sperrige Aufbauten aus Spiegeln und Linsen durch kompakte Strukturen. Deshalb versprechen sie ein hohes Innovationspotential für Technologien wie Quantenkommunikation, neuromorphes Computing und optische Hochgeschwindigkeitskommunikation.

Ein- und Auskoppeln: das große Problem der PICs

Eine der größten technischen Herausforderungen der PICs liegt allerdings im Ein- und Auskoppeln der Daten: Um das Licht möglichst verlustfrei auf den Chip zu übertragen, werden zumeist optische Fasern verwendet. Sie müssen mit einer Genauigkeit von unter 5 µm in allen Raumrichtungen positioniert werden, weil sonst ein Großteil des Lichts verloren geht. Bislang erfolgt diese Justierung über aktives Alignment. Dabei werden die Glasfasern während des Betriebs präzise auf maximale Lichtübertragung ausgerichtet und anschließend fixiert. Dieser Prozess ist nach Angaben der Heidelberger Wissenschaftler jedoch langsam, teuer und schwer zu automatisieren. Eine Alternative besteht darin, auf den Fasern und Chips winzige Mikrolinsen zu integrieren, um Toleranzen bei der Ausrichtung zu vergrößern.

Die Fabrikation der Linsen ist jedoch sehr aufwendig und funktioniert nur für einen sehr schmalen Wellenlängenbereich, was zulasten der hohen Bandbreite der Datenraten – einem der Hauptvorteile der Photonik – geht.

So funktioniert der »Stecker«

Das Heidelberger Forschungsteam setzt hier an, indem es ein neuartiges Konzept für die Verbindung von Faser und Chip entwickelt hat. Die Wissenschaftler nutzen dazu Glasfaserkabel, die in einem Glasblock präzise angeordnet und mit standardisierten Ausrichtungslöchern versehen sind. Das für die Kopplung erforderliche passende Gegenstück, das wie ein »Stecker« funktioniert, wird mithilfe von hochpräzisem 3D-Mikrodruck direkt auf der Oberfläche des photonischen Mikrochips gefertigt.

Die Ein- und Auskopplung von Glasfaser zu photonischen Chips erfolgt via dreidimensional gedruckter Totalreflexionskoppler, die die Lichtwellen verlustarm umlenken. Diese superbreitbandigen Koppler sind für die in der Telekommunikation typischen Wellenlängen zwischen 1.500 und 1.600 nm ausgelegt und gewährleisten dort eine praktisch konstante Transmission.

»Durch diese innovative Stecklösung garantieren wir, dass beim Kopplungsprozess keine Daten verloren gehen«, so Erik Jung, der als Doktorand der Forschungsgruppe von Prof. Pernice angehört. Mit ihrem neuartigen Verbindungskonzept ist es den Forscherinnen und Forschern der Universität Heidelberg gelungen, einen neuromorphen photonischen Prozessor mit 17 Ports, das heißt Kommunikationssendepunkten, effizient anzusteuern.

Der Weg für Massenfertigung von PICs ist frei

»Unser Ansatz zeigt, wie sich breitbandige, verlustarme und skalierbare Verbindungen für lichtgesteuerte Mikrochips einfach realisieren lassen. Mit diesem „Stecker“ ist der Weg frei für eine automatisierte, reproduzierbare und effiziente Massenproduktion von photonischen integrierten Systemen«, so Wolfram Pernice. Nach den Worten von Erik Jung ist das Verbindungskonzept auch kompatibel zu hybriden Systemen mit der Integration von Elektronik und Photonik. Zugleich werden auch modulare, flexibel rekonfigurierbare Architekturen unterstützt. Damit könnte der »Stecker« zu einem zentralen Baustein für Rechen- und Kommunikationssysteme der nächsten Generation und zukünftige Anwendungen werden, zum Beispiel in der optischen Sensortechnik.

Die Arbeiten unter der Leitung von Prof. Pernice wurden gemeinsam mit Forschern des Institute for Molecular Systems Engineering and Advanced Materials der Universität Heidelberg durchgeführt. Sie waren eingebunden in das Exzellenzcluster »3D Matter Made to Order«. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Science Advances erschienen.