Ein Forschungsteam des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) hat einen neuartigen elektrooptischen Modulator entwickelt. Diese Komponente ermöglicht eine schnelle, kostengünstige und zuverlässige Datenübertragung. Der optische Mikrochip kann in großen Stückzahlen auf Standard-Halbleiterwafern hergestellt werden und bietet eine potenzielle Lösung für die Leistungsanforderungen, die KI-Anwendungen und der wachsende Datenverkehr an Rechenzentren und Glasfasernetzwerke stellen. Die zugehörigen Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.
Der elektrooptische Modulator wird mit etablierten Halbleiterverfahren hergestellt. Kernmaterial ist Lithiumtantalat, das Lichtsignale effektiv leiten kann. Die Forschenden haben Lithiumtantalat erstmals mit einer bewährten Technologie zur Herstellung von Mikroelektronik-Chips kombiniert, was eine zuverlässige Massenproduktion ermöglicht. Der optische Modulator wandelt elektrische Signale in Lichtimpulse um und ist eine grundlegende Komponente für schnelles Internet, insbesondere für die Verarbeitung großer Datenströme, wie sie beispielsweise bei KI-Trainingsaufgaben anfallen.
Eine entscheidende Innovation im Herstellungsprozess ist die Verwendung von Kupferelektroden. Prof. Dr. Christian Koos, Leiter des Instituts für Photonik und Quantenelektronik (IPQ) am KIT, erklärt: „Der entscheidende Fortschritt liegt in den Kupferelektroden und ihrer Herstellungsweise.“ Kupfer leitet Signale besser als das bisher verwendete Gold. Gleichzeitig ermöglichen die Kupferelektroden eine sehr glatte Oberfläche, die Energieverluste reduziert und die Effizienz der Komponente erhöht. Das Herstellungsverfahren für diese Elektroden wurde bereits millionenfach bei der Produktion elektronischer Computerchips getestet, was sicherstellt, dass die optischen Mikrochips problemlos in bestehende elektronische Systeme integriert werden können.
Tests des KIT-Teams zeigten, dass der Modulator im Betrieb eine hohe Stabilität aufweist. Alexander Kotz, ebenfalls vom IPQ, sagt: „Der Modulator ermöglicht sehr hohe Datenraten. Am wichtigsten ist, dass er stabil läuft, ohne dass wir die Einstellungen ständig nachjustieren müssen.“ Diese Eigenschaft vermeidet häufige Anpassungen während des Dauerbetriebs, senkt Kosten und Systemkomplexität und ist besonders wichtig für den Einsatz von Millionen solcher Komponenten in Rechenzentren und KI-Clustern.
Die Datenrate des elektrooptischen Modulators liegt bei über 400 Gigabit pro Sekunde, was etwa der gleichzeitigen Übertragung von 80.000 HD-Videostreams oder 8 kompletten HD-Filmen entspricht. Kotz fügt hinzu: „Wir arbeiten an der Grenze des derzeit technisch Möglichen. Mit leistungsfähigerer Steuerelektronik könnten wir die Datenrate sogar noch erhöhen.“ Prof. Koos betont: „Schnell, kostengünstig, zuverlässig und in industriellem Maßstab herstellbar – diese Kombination macht die Technologie attraktiv, insbesondere für Rechenzentren und KI-Cluster, die bereits heute an Grenzen beim Datenaustausch zwischen Prozessoren stoßen.“
Veröffentlichungsdetails: Autor: Karlsruhe Institute of Technology; Titel: „AI data centers need faster links: A mass-producible optical microchip could help“; erschienen in: „Nature Communications“ (2026).
