Programmierbarer Lichtchip könnte optische Computer möglich machen

Forscher:innen der Seoul National University und der University of Seoul haben einen photonischen Chip entwickelt, der die Geschwindigkeit von Lichtsignalen gezielt verändert. Anders als bisherige Bauteile lässt sich der Chip nach der Fertigung umprogrammieren und passt Verzögerung, Bandbreite und Frequenz eines optischen Signals flexibel an. Geleitet wurde die Arbeit von den Professoren Namkyoo Park und Sunkyu Yu gemeinsam mit Xianji Piao von der University of Seoul.

Warum Licht manchmal warten muss

Optische Computer versprechen enorme Geschwindigkeiten, weil sie Daten als Licht statt als Elektronen übertragen. Genau diese Geschwindigkeit wird aber zum Problem, sobald mehrere Signale zur gleichen Zeit an einem Punkt ankommen müssen. Prozessoren brauchen Puffer, Synchronisation und Filter, Funktionen, die Elektronik mühelos leistet, Photonik aber kaum. Da sich die Lichtgeschwindigkeit selbst nicht senken lässt, behelfen sich Ingenieur:innen mit Resonatoren, die Licht kurzzeitig festhalten.

Ein Trick mit zwei Kopplern

Die gängige Methode dafür heißt coupled-resonator-induced transparency, kurz CRIT. Mehrere winzige Resonatoren lassen Licht einer bestimmten Frequenz zirkulieren und durch Interferenz entsteht ein schmales Fenster, in dem Licht das Bauteil verzögert passiert. Bislang war dieses Fenster fest verdrahtet: Wer eine andere Verzögerung oder Frequenz brauchte, musste einen neuen Chip bauen lassen. Das Team um Namkyoo Park und Sunkyu Yu behandelt die zwei zugrunde liegenden Lichtzustände, Bright Mode und Dark Mode, erstmals als ein gemeinsames, steuerbares System und fügt zwei einstellbare Schleifenkoppler hinzu. Damit lassen sich Bandbreite, Durchlässigkeit und vor allem die Verzögerungszeit während des Betriebs verändern, ganz ohne neue Hardware.

Simulationen statt Prototyp

Bislang existiert der Chip nur als Theorie und Simulation. Das Team modellierte das Design auf einer Silizium-Nitrid-Plattform und testete es unter realistischen Störfaktoren wie Materialverlusten, Streuung und thermischem Übersprechen zwischen Bauteilen. Die Struktur blieb dabei funktionsfähig, was auf eine Fertigung mit heutiger Technik hindeutet. Gelingt der Sprung vom Modell zum echten Bauteil, könnte ein einziger Chip künftig mehrere Aufgaben übernehmen, die heute separate Komponenten erledigen, von Signalsynchronisation über Frequenzumwandlung bis zu optischen Puffern. Besonders profitieren könnten Rechenzentren und KI-Server, die durch wachsende Modelle zunehmend an die Grenzen elektronischer Verbindungen stoßen. Ein programmierbarer Chip, der sich per Software neu konfigurieren lässt, würde dort mehrere spezialisierte Bauteile ersetzen und so Energieverbrauch, Kosten und Platzbedarf senken. Das nächste Ziel des Teams: größere programmierbare photonische Schaltkreise für Silizium-Photonik und photonische KI-Systeme.