Von Elektronen zu Photonen – Der nächste Schritt in der Datenübertragung

Seit über einem halben Jahrhundert nutzt die Halbleiterindustrie die Bewegung von Elektronen in Silizium zur Realisierung von Rechen- und Kommunikationssystemen. Mit steigender Transistordichte gemäß dem Moore’schen Gesetz basierte die Datenübertragung zwischen Chips, Leiterplatten und Rechenzentren weiterhin auf elektrischen Verbindungen – Kupferleitungen und elektronischen Schaltungen.

Doch Elektronen stoßen zunehmend an physikalische Grenzen. Mit steigenden Frequenzen nehmen Verlustleistung, Signalabschwächung und Latenz deutlich zu. Selbst mit fortschrittlichen Materialien und 3D-Integration lassen sich rein elektronische Systeme nicht unbegrenzt skalieren.

Hier kommt Licht ins Spiel. Photonen können – im Gegensatz zu Elektronen – über große Distanzen mit Lichtgeschwindigkeit übertragen werden, ohne vergleichbare ohmsche Verluste zu erleiden. Sie ermöglichen die parallele Datenübertragung über unterschiedliche Wellenlängen und eröffnen Bandbreiten im Terabit-pro-Sekunde-Bereich auf kompakten Chips.

Dieses Paradigma – die integrierte Photonik – entwickelt sich zunehmend zum Nachfolger konventioneller elektrischer Interconnects.

KI und der wachsende Bandbreitenengpass

Um das Wachstum der KI nachhaltig zu unterstützen, richten führende Unternehmen der Halbleiter-, Telekommunikations-, Luft- und Raumfahrt- sowie Computerindustrie ihren Fokus zunehmend auf photonische Informationssysteme. Photonische Chips, optische Interposer und Hochgeschwindigkeitsmodulatoren werden die Infrastruktur für die nächste Generation von Rechensystemen bilden.


Was ist ein Wellenleiter?

Ein Wellenleiter ist eine Struktur, die Licht führt und einschließt – ähnlich wie ein Draht elektrischen Strom leitet. In der integrierten Photonik sind Wellenleiter mikroskopisch kleine optische „Kanäle“, die in Materialien strukturiert werden und Lichtsignale zwischen Komponenten auf einem Chip lenken.

Die Leistungsfähigkeit eines Wellenleiters hängt von seiner Fähigkeit ab, Licht effizient zu führen (hoher Brechungsindexkontrast), Streu- und Ausbreitungsverluste zu minimieren sowie stabile Phasen- und Polarisationseigenschaften zu gewährleisten. Damit wird die Materialwahl entscheidend – und ein Werkstoff etabliert sich zunehmend als Branchenfavorit: Lithiumniobat (LiNbO₃).

Warum Lithiumniobat?

LNOI-Photonik der nächsten Generation

Eine LNOI-Plattform (Lithium Niobate on Insulator) ermöglicht leistungsfähige photonisch integrierte Schaltungen, indem sie ausgeprägte elektrooptische und nichtlineare Eigenschaften mit verlustarmen Wellenleitern auf kompakter Chipfläche kombiniert. Diese Plattformen finden Anwendung in der Telekommunikation, bei LiDAR-Systemen sowie in der Sensorik und in Quantentechnologien.


Die Lithium Niobate Foundry von Intlvac fungiert als vollständig integriertes „Research Lab in a Box“ und ermöglicht eine schnelle Entwicklung, effizientes Prototyping sowie einen beschleunigten Übergang zur skalierbaren Produktion. Im Folgenden werden die Anwendungsbereiche näher vorgestellt.

Nichtlineare Effekte zweiter Ordnung und PPLN-Wellenleiter:

  • Breites Spektrum an Wellenlängenumwandlung und -erzeugung; Funktionalität vergleichbar mit optischen Analogien zu Bipolartransistoren.

Breites Transparenzfenster:

  • Effiziente Signalverarbeitung über einen großen Spektralbereich – ideal für kompakte photonische Recheneinheiten bei kurzen Wellenlängen.

Ultraschnelle, energieeffiziente elektrooptische Modulatoren:

  • Schnelle Modulation, Filterung und Interleaving optischer Signale.

Hochwertige Resonatoren und verlustarme Wellenleiter:

  • Flexible Delay-Line-Architekturen für fortschrittliche optische Signalverarbeitung.

Neuromorphes Rechnen mit On-Chip-Integration:

  • Nutzt verlustarme, energieeffiziente Bauelemente und intrinsische Nichtlinearitäten der LNOI-Plattform.

Programmierbare photonische Engines:

  • Rekonfigurierbare Mach-Zehnder-Meshes, Wellenlängenumwandlung und adaptive Funktionalität.

CMOS-kompatible aktive Komponenten:

  • Schnell abstimmbare Laser und vereinfachte PIC-Integration für praktikable optische Rechensysteme.

LNOI-PIC-Plattformen bieten ein breites Spektrum an Vorteilen für Anwendungen in der Sensorik:

  • Mehrwellenlängenbetrieb: Breites Transparenzfenster vom sichtbaren bis in den mittleren Infrarotbereich für Biomonitoring, Raman-Spektroskopie sowie Gas- und Umweltsensorik (z. B. CO₂, Methan).
  • Nichtlineare Wellenlängenumwandlung: Frequenzkonversion von 1550-nm-InP-Lasern in zusätzliche Spektralbereiche.
  • Schnelle elektrische Lichtsteuerung auf dem Chip: Thermische und elektrooptische Modulation für integrierte Lab-on-Chip-Sensorsysteme.
  • Optomechanische Sensorik: Suspended-Wellenleiter, starke piezoelektrische Effekte und geringe Verluste für Drucksensoren, Gyroskope und weitere Präzisionsanwendungen.
  • On-Chip-Frequenzkamm-Spektroskopie: Für hochpräzise Anwendungen wie Astrocombs.

FMCW-LiDAR

  • Schnell abstimmbare Laser (< 1 ns): Elektrooptischer Vernier-Filter für ultraschnelle Frequenzsteuerung.
  • Schmale Linienbreite: Ultrahohe Auflösung durch verlustarme LNOI-Wellenleiter in externen Hybridlaser-Resonatoren.
  • Mehrwellenlängengenerierung: Geeignet für fortschrittliche PIC-Anwendungen.

Optisches Phased Array (OPA)

  • Nichtmechanische Hochgeschwindigkeits-Strahlsteuerung
  • Schnelle, kompakte und verlustarme elektrooptische Phasenschieber
  • Geringe Betriebsspannung und reduzierter Energieverbrauch im Vergleich zu thermischen Abstimmverfahren
  • Keine thermischen parasitären Crosstalk-Effekte

Photonische Engines für Quantenkontrolle

  • Für atomare Systeme wie Ionenfallen, optische Gitter, Atomuhren und Farbzentren (z. B. NV bei 578 nm, SV⁻ bei 737 nm).
  • Unterstützung relevanter atomarer Übergänge: Ca⁺ bei 729 nm, Rb bei 795 nm – im sichtbaren und nahinfraroten Bereich.
  • Ultraschnelle Pulsgenerierung on demand: Reine Phasenmodulation ohne unerwünschte Amplitudenmodulation

Quantenkommunikation und QKD

  • Erzeugung verschränkter Photonenpaare: Durch spontane parametrische Abwärtskonversion (SPDC)
  • Ultraschnelle Modulation und Polarisationskontrolle
  • Elektrooptische Gates und Interferometer

Photonisches Quantencomputing

  • Kontinuierliche Variablen, Boson Sampling und Cluster-Zustände
  • Verschränkte Photonenpaare via SPDC
  • Programmierbare Mach-Zehnder-Interferometer-Meshes Auf Basis des elektrooptischen Effekts
  • Geringe Verluste und reine Phasenmodulation

Ultrahochgeschwindigkeits-Transmitter (> 400 Gbit/s):

  • Realisiert durch schnelle elektrooptische Modulatoren.

Mehrwellenlängenbetrieb:

  • On-Chip-Wellenlängengenerierung für kohärentes DWDM.

Nichtlineare Wellenlängenkonversion:

  • Erweiterung vom C-Band in L- und S-Band mittels PPLN-Wellenleitern.

CMOS-kompatibler Betrieb:

  • Vereinfachte Transceiver-Architektur und Co-Integration von PIC und IC.

Geringes Gewicht und niedriger Energieverbrauch:

  • Hohe optische Leistungsfestigkeit und nahtlose elektronische Integration für IoT- und Massenanwendungen.

Hochwertige abstimmbare Filter sowie MUX/DMUX-Komponenten:

  • Für flexible DWDM-Systeme.

Integrierte elektrooptische Polarisationskontroller:

  • Ermöglichen fortschrittliche On-Chip-Link-Optimierung und potenzielle Bandbreitenverdopplung.

Die intrinsischen Nichtlinearitäten zweiter und dritter Ordnung von LNOI bilden eine leistungsfähige Plattform für nichtlineare Photonik und Präzisionsmetrologie.

Integrierte Wellenlängenkonversion:

  • Periodisch gepolte Lithiumniobat-Wellenleiter ermöglichen SHG, SFG, DFG und SPDC.

Quantenoptische Anwendungen:

  • Erzeugung gequetschter Zustände und verschränkter Photonenpaare sowie Messungen jenseits der Standard-Quantengrenze.

Frequenzumwandlung in sichtbare und NIR-Bereiche:

  • Für OCT, Holografie, RGB-Lichtquellen und Raman-Spektroskopie.

Mid-IR-Quellen durch DFG:

  • Für Gasdetektion, Sicherheitstechnik und Umweltmonitoring.

On-Chip-Frequenzkämme:

  • Breitbandig und stabil, basierend auf Kerr- oder elektrooptischen Effekten.

Selbstreferenzierung und Stabilisierung (f–2f):

  • Für Frequenzkämme, modengekoppelte Laser und Superkontinuumquellen.

Laserstabilisierung an Atomuhren:

  • Durch harmonische Generation für hochpräzise metrologische Systeme.

Energieeffiziente, leichte PICs mit breitem Spektralbereich:

  • Erhöhen die Kommunikationskapazität bei reduzierten Betriebskosten und flexibler Einsatzfähigkeit.
  • Ideal für Intra-Payload-, Satelliten-zu-Satelliten- und Satelliten-zu-Boden-Verbindungen

Robustes dielektrisches Material: Lithiumniobat ist beständig gegenüber hohen Temperaturen, Strahlung und elektromagnetischen Störungen.

Hohe optische Leistungsfestigkeit: Geeignet für Freiraum-Kommunikationssysteme.

LNOI-basierte LiDAR-Systeme: Schneller Multispektralbetrieb durch elektrooptische Modulatoren und breites Transparenzfenster.

CMOS-kompatible Integration: Vereinfacht Co-Integration, Systemsteuerung und Implementierung in Raumfahrtplattformen.

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