Neue Materialien für eine effizientere optische Datenübertragung

Angesichts der steigenden Anforderungen an die Datenübertragung ist die Forschung an leistungsfähigeren und energieeffizienteren Kommunikationssystemen von zentraler Bedeutung. Die enorme Zunahme von Datenmengen, wie sie beim Trainieren von Large-Language-Models für KI erforderlich ist, stellt die Informations- und Kommunikationstechnik vor große Herausforderungen. Besonders die Kommunikation zwischen den Prozessoren in Parallelrechnern wird durch die begrenzte Geschwindigkeit der aktuellen Technologien zum Engpass. 

Optische Transceiver, die elektrische Informationen in optische Signale umwandeln, spielen eine entscheidende Rolle, da sie schnelle und effiziente Datenübertragung über Glasfaser- oder Lichtwellenleitersysteme ermöglichen. Aktuell kommen vor allem Silizium-Bauteile zum Einsatz. Diese stoßen jedoch angesichts der steigenden Anforderungen zunehmend an ihre Grenzen – sowohl hinsichtlich der Geschwindigkeit als auch des Energieverbrauchs, was zu einem erhöhten CO2-Ausstoß führt. 

Das ATHENS-Projekt zielt darauf ab, die optische Kommunikation durch die Entwicklung neuer Materialsysteme und Bauteile für die Umwandlung von elektrischen in optische Signale zu verbessern. "Unser Ziel ist es, Transceiver nicht nur leistungsfähiger zu machen, sondern auch effizienter, um höhere Datenübertragungsraten mit dem gleichen oder sogar einem geringeren Energieverbrauch als bisher zu ermöglichen", erklärt Prof. Christian Koos vom Institut für Photonik und Quantenelektronik und vom Institut für Mikrostrukturtechnik des KIT. 

Die Förderung durch den ERC Synergy Grant ermöglicht es den Forschenden, das Projekt umfassend umzusetzen. Dies umfasst die Auswahl geeigneter Materialien, die Simulation organischer Moleküle und die Entwicklung eines funktionierenden Übertragungssystems im Labor. 

Das Team verfolgt einen hybriden Ansatz, indem es Silizium mit anderen Stoffen kombiniert, um die Einschränkungen des traditionellen Siliziums auszugleichen. "Silizium-Bauteile sind kostengünstig und in großen Stückzahlen verfügbar, aber in ihren optischen Eigenschaften eingeschränkt. Wir verbinden Silizium mit weiteren Materialsystemen, um dieses Defizit auszugleichen und die Vorteile von Silizium weiter zu nutzen", erklärt Koos. 

Ein wichtiger Bestandteil des Projekts ist die Untersuchung des Einsatzes organischer Materialien. Diese können im Computer simuliert und später synthetisch im Labor hergestellt werden. Eine zweite Methode ist die Kombination von Silizium-photonischen Chips mit anderen Chips, etwa durch die Nutzung von Crystal-On-Insulator-Plattformen, die eine verbesserte optische Leistungsfähigkeit ermöglichen. 

Das ATHENS-Projekt hat nicht nur Auswirkungen auf KI-basierte Anwendungen, sondern auch auf andere Zukunftstechnologien. Denkbar sind hier beispielsweise Sensoren für tragbare Geräte oder optische Lab-on-Chip-Anwendungen, die zur Blutwertanalyse genutzt werden können. 

MEDICA.de; Quelle: Karlsruher Institut für Technologie