Photonische integrierte Schaltkreise (PIC) unterscheiden sich von elektrischen ICs. Sie haben Wellenleiter anstelle von elektrischen Leiterbahnen; die Lichtsignale werden in kleinen Interferometern anstelle von Transistoren oder Gattern verarbeitet. Sowohl Wellenleiter als auch Interferometer lassen sich in Lithiumniobat herstellen.
Forscher am Fraunhofer IOF haben diese Strukturen jetzt in Dünnschicht-Lithiumniobat realisiert, das auf einem isolierenden Material aufgewachsen wurde (LNOI). Das Verfahren nutzt Technik aus der Halbleiterfertigung und ist dadurch sofort skalierbar. Vorgestellt wird die Technologie auf der World of Quantum in München vom 24. bis 27. Juni 2025.
„Mit der LNOI-Technologie können wir photonische Komponenten mit sehr hoher Bandbreite, geringer Verlustleistung und kompakter Bauweise herstellen“, sagt Dr. Falk Eilenberger, Leiter der Abteilung für Mikro- und nanostrukturierte Optik am Fraunhofer IOF. „Das sind Eigenschaften, die für künftige Anwendungen in der Kommunikation und Datenverarbeitung entscheidend sind“, ergänzt Dr. Frank Setzpfandt, Forscher an der Friedrich-Schiller-Universität Jena.
Quantencomputer mit Photonen
Die Teams um Eilenberger und Setzpfandt sind am Forschungsprojekt PhoQuant beteiligt, in dessen Rahmen die Technologie unter anderem entwickelt wurde und dort auch zur Anwendung kommen soll. Ziel ist ein Quantencomputer, der optische Technologien nutzt. So ein photonischer Quantencomputer braucht keine aufwendige Kühlung, nutzt Quantenlichtquellen, die spezielle Lichtzustände erzeugen, und verarbeitet sie in integrierten LNOI-Strukturen. Die optischen Signale, die dabei entstehen, lassen sich als Ergebnis messen oder können im Quanteninternet mit anderen Qubits interagieren.
Die LNOI-Technologie funktioniert aber auch für normale Lasersignale. Hier sind aktuell Übertragungsraten im Bereich von Gbit- und Tbit/s möglich. Einige Eigenschaften des Lichts helfen, auch die Datenverarbeitung auf Prozessorebene schneller zu machen. Wichtig ist dabei, dass Lichtsignale eine vielfach höhere Bandbreite ermöglichen. Da sich Lichtsignale verschiedener Wellenlängen einfach überlagern lassen, können optische Prozessoren mehrere Signale in der gleichen „Leitung“, also aus demselben Wellenleiter simultan verarbeiten.
Geeignet für KI-Aufgaben
Die am Fraunhofer IOF entwickelte LNOI-Technologie erlaubt Verarbeitungsgeschwindigkeiten im 100-GHz-Bereich. Die Steuerspannung für die Modulatoren liegt im Bereich weniger Volt – eine Besonderheit der Jenaer Technologie. „Das bietet deutliche Vorteile bei der Anwendung von optischen integrierten Schaltkreisen“, sagt Eilenberger.
Die optischen Schaltkreise eignen sich für verschiedene Aufgaben, darunter auch typische Aufgaben Künstlicher Intelligenz. „Perspektivisch werden optische Computer solche Aufgaben schneller und erheblich energieeffizienter ausführen als konventionelle Schaltkreise“, prognostiziert Eilenberger.
Vorstellung auf Fachmessen
Interessierte können auf der diesjährigen World of Quantum (Stand A1.439) die LNOI-Technologie einschließlich verschiedener integrierter optischer Komponenten erleben. Ein weiteres Exponat wird auf der Laser World of Photonics am zentralen Infostand des Fraunhofer IOF (A2.415) zu sehen sein.
