Optisches Rechnen Programmierbarer Photonik-Chip bremst Licht auf Kommando

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Forscher aus Seoul haben ein programmierbares photonisches Design vorgestellt, das die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht steuert. Verzögerung, Synchronisation, Pufferung und Frequenzkonversion ließen sich damit auf einem einzigen Chip vereinen. Noch handelt es sich um eine Simulation, doch die Stoßrichtung passt zum Boom der Silizium-Photonik in KI-Servern.

Kupfer stößt an seine Grenzen. Mit dem rasanten Wachstum generativer KI und größerer sowie mächtigerer Modelle steigt der Rechen- und Datentransferbedarf in Rechenzentren so schnell, dass elektrische Interconnects bei Bandbreite und Energieeffizienz nicht mehr mithalten. Die Antwort darauf heißt zunehmend Silizium-Photonik: Der Markt für steckbare optische Transceiver erreichte 2025 rund 15,5 Mrd. US-Dollar und soll bis 2030 auf über 34 Mrd. Dollar wachsen; der Anteil silizium-photonischer Modulatoren in Transceivern klettert im gleichen Zeitraum von 43 auf 76 Prozent. Optische Signalübertragung ist damit auf dem besten Weg, im KI-Rechenzentrum zum Standard zu werden.

Doch für echtes optisches Rechnen reicht schnelles Übertragen allein nicht. Signale müssen auch zur richtigen Zeit ankommen. Dazu müssen sie sich verzögern, synchronisieren und zwischenspeichern lassen. Und genau das ist mit Licht schwierig: Es bewegt sich mit fester Geschwindigkeit und lässt sich nur mühsam „anhalten". Optische Buffer und Speicherfunktionen, die für lichtbasierte Rechenwerke unverzichtbar wären, bleiben deshalb eine der größten offenen Baustellen.

Ein Freiheitsgrad statt fester Verdrahtung

An dieser Stelle setzt eine Arbeit von Forschern der Seoul National University und der University of Seoul an, veröffentlicht in der Fachzeitschrift Advanced Science. Das Team um die Professoren Namkyoo Park und Sunkyu Yu (SNU) sowie Professor Xianji Piao (University of Seoul) hat ein programmierbares photonisches Integrated Circuit (PIC) entworfen, das die Geschwindigkeit und die Form optischer Signale nach Bedarf steuert.

Technische Grundlage ist ein als Coupled-Resonator-Induced Transparency (CRIT) bekanntes Prinzip: Durch Interferenz zwischen mehreren optischen Resonatoren lässt sich Licht in einem definierten Frequenzbereich hindurchlassen und dabei gleichzeitig verlangsamen. Der Haken bisheriger CRIT-Bauelemente: Ihre Eigenschaften sind nach der Fertigung fest. Wer eine längere Verzögerung oder einen anderen Frequenzbereich braucht, muss ein komplett neues Bauteil entwerfen und fertigen. Das allerdings ist teuer, langsam und wenig flexibel.

Der koreanischen Forscher behandeln zwei optische Zustände des CRIT-Systems, den sogenannten Bright-Mode und Dark-Mode, als einen einzigen, vereinten Freiheitsgrad und ergänzen zwei steuerbare Loop-Coupler. Aus einer nach der Fertigung festgelegten Resonator-Anordnung wird so eine rekonfigurierbare Struktur.

Delay, Bandbreite und Signalform einstellbar

Über die beiden Loop-Coupler lassen sich laut Studie Bandbreite und Form des Durchlassbereichs ebenso einstellen wie die Verzögerungszeit und die Transmissionseffizienz. Diese Steuerung wirkt nicht nur auf einen einzelnen Resonator, sondern über ein ganzes System mehrerer Resonatoren hinweg. Numerische Simulationen zeigen, dass sich die Geschwindigkeit optischer Pulse sogar dynamisch im laufenden Betrieb anpassen lässt. Das erfolgt ohne Einbußen bei der Verarbeitungsleistung. Zusätzlich kann die Struktur die Frequenz des Lichts umsetzen, ohne dass dafür separate Spezialkomponenten nötig wären.

Was heißt das für die Praxis?

Die eigentliche Botschaft für Entwickler ist die Konsolidierung. Während heute noch mehrere dedizierte Bauteile erforderlich sind, um Funktionen wie Signalsynchronisation, einstellbare Delaylines, optische Buffer und Frequenzkonversion auszuführen, könnten diese sich auf einem einzigen photonischen Chip zusammenfassen lassen. Das verspricht einen geringeren Energieverbrauch, niedrigere Kosten und kompaktere Baugruppen.

Dabei zieht das Team ausdrücklich die Analogie zum Software-defined-Ansatz: ein einziger programmierbarer Chip, dessen Verhalten sich je nach Anforderung umkonfigurieren lässt – ein Denkmuster, das Entwicklern rekonfigurierbarer Hardware vertraut sein dürfte. Für KI-Server und Rechenzentren, die enorme Datenmengen in Echtzeit verarbeiten, wäre dies ein Ansatz, um Informationen effizienter und energiesparender zu verarbeiten.

Noch Simulation und kein fertiger Chip

Bei aller Perspektive ist Nüchternheit angebracht. Denn es handelt sich um ein theoretisches Designprinzip, das durch numerische Simulation untermauert wird, jedoch noch nicht um einen gefertigten und experimentell vermessenen Chip. Die Forscher haben die Struktur mithilfe einer 3D-elektromagnetischen Simulation auf einer Siliziumnitrid-Plattform (Si₃N₄) untersucht. Siliziumnitrid ist ein etabliertes, verlustarmes Waveguide-Material. Dabei haben sie realistische Störeinflüsse berücksichtigt. Geprüft wurden unter anderem Materialverluste, Unterschiede in der Resonatorgüte, Rückstreuung (Backscattering), Kopplungsschwankungen, Phasenfehler der Loop-Coupler und thermisches Übersprechen. Unter diesen realitätsnahen Bedingungen soll die Struktur zuverlässig arbeiten.

Während silizium-photonische Interconnects und Co-Packaged Optics im Jahr 2026 in die frühe Volumenphase gehen und die SiPh-Foundry-Kapazität zwischen 2026 und 2032 um das Achtfache wachsen soll, bleiben Slow-Light-Delaylines und optisches Rechnen bislang überwiegend Forschungsgebiete. Das neue Designprinzip ist genau als Baustein für die spätere Integration solcher Funktionen in photonische Plattformen zu verstehen.

Großskalige programmierbare PICs

„Diese Arbeit ist bedeutsam, weil sie ein neues Designprinzip vorschlägt, das den Lichtfluss in photonischen integrierten Schaltungen nach Bedarf umkonfigurierbar macht und so die Designflexibilität erheblich erhöht“, erklärt Co-korrespondierender Autor Prof. Namkyoo Park. „Wir wollen die Technologie in Richtung großskaliger programmierbarer photonischer Schaltungen auf Basis der Silizium-Photonik und photonischer KI-Technologien weiterentwickeln.“

Die Co-Erstautoren Dr. Seungkyun Park und Doktorand Beomjoon Chae, die den theoretischen Rahmen und die numerische Analyse verantworteten, betonen, dass die Neuinterpretation etablierter Resonatorphysik der Ausgangspunkt für neue Funktionen in photonischen Schaltungen sein könne. Als nächste Schritte nennen sie die praktische Umsetzung in einem Bauelement und die experimentelle Validierung.

Das Team ist der Meinung, dass sich der Ansatz über CRIT hinaus auf ein breites Spektrum resonatorbasierter photonischer Schaltungen anwenden ließe. Damit könnte eine Grundlage für eine flexiblere optische Signalverarbeitung geschaffen werden, die langfristig auch für autonomes Fahren, Kommunikationstechnik der nächsten Generation und Quantentechnologien von Interesse ist. (heh)

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