Glasfasern transportieren Licht über Tausende Kilometer nahezu verlustfrei, doch auf der Fläche eines Computerchips ging dieser Vorteil bislang verloren. Forscher des California Institute of Technology haben diese Grenze nun eingerissen: Ihre neuen Lichtleiter führen Licht über einen gewöhnlichen Siliziumchip fast so effizient wie eine optische Faser, und das erstmals auch bei sichtbaren Wellenlängen. Im Vergleich zu den bisherigen Bestwerten sinken die Verluste dort um das Zwanzigfache.
Photonische Chips gelten als eine der Schlüsseltechnologien der kommenden Jahrzehnte. Statt Elektronen durch Kupferbahnen zu schicken, leiten sie Lichtsignale durch mikroskopisch feine Kanäle, sogenannte Wellenleiter, und versprechen damit höhere Geschwindigkeiten bei drastisch geringerem Energieverbrauch. In Rechenzentren, die durch den Boom der künstlichen Intelligenz zu gewaltigen Stromverbrauchern geworden sind, sollen solche Bauteile die Datenströme zwischen Prozessoren übernehmen. Das zentrale Qualitätsmaß ist dabei der Lichtverlust: Je weniger Signal auf dem Weg durch den Chip verloren geht, desto kohärentere Laser, empfindlichere Sensoren und effizientere Verbindungen lassen sich bauen. Genau hier klaffte bislang eine Lücke, denn die etablierten Chipmaterialien erreichen die traumhaft niedrigen Verluste einer Glasfaser bei Weitem nicht, besonders im sichtbaren Bereich des Spektrums.
Das Team um Kerry Vahala am California Institute of Technology löste das Problem mit einem naheliegenden und zugleich technisch heiklen Kunstgriff: Es holte das Material der Glasfaser selbst auf den Chip. Die neuen Wellenleiter bestehen aus Germanosilikat, also mit Germanium dotiertem Quarzglas, dem Werkstoff, dem optische Fasern ihre extrem geringe Lichtabsorption verdanken. Mit lithografischen Fertigungsverfahren, die vollständig kompatibel zur Halbleiterindustrie sind, brachten die Forscher dieses Glas direkt auf Standard-Wafer mit acht und zwölf Zoll Durchmesser auf, wie sie in jeder Chipfabrik verarbeitet werden. Damit ließe sich die Technologie im Prinzip ohne neue Anlagen in bestehende Produktionslinien integrieren, ein entscheidender Vorteil gegenüber vielen exotischen Ansätzen der Photonik.
Der eigentliche Trick steckt in der Nachbearbeitung. Germanosilikat besitzt eine vergleichsweise niedrige Schmelztemperatur, weshalb sich die Oberflächen der fertig strukturierten Wellenleiter durch gezieltes Erhitzen kurz anschmelzen und dabei glätten lassen. Dieses thermische Verfließen ebnet mikroskopische Rauigkeiten bis nahe an die atomare Ebene ein, und genau diese Rauigkeiten sind es, die Licht in herkömmlichen Chipstrukturen streuen und das Signal ausbluten lassen. Um trotz kompakter Chipfläche lange Messstrecken zu erhalten, ordneten die Forscher ihre Wellenleiter zudem in eleganten Spiralen an, in denen das Licht viele Zentimeter zurücklegt. Die Kombination aus Fasermaterial und geglätteten Oberflächen führt Licht über das gesamte Spektrum von Violett bis ins nahe Infrarot mit bislang unerreicht geringen Verlusten, wie das Team in der Fachzeitschrift Nature im Detail beschreibt.
Besonders deutlich zeigt sich der Fortschritt im sichtbaren Licht. Dort unterbietet die neue Plattform die bisherigen Rekordwerte von Siliziumnitrid, dem führenden verlustarmen Chipmaterial, um etwa den Faktor 20; im nahen Infrarot zieht sie mit den besten etablierten Technologien gleich. Damit rücken Anwendungen in Reichweite, die bislang an den Verlusten scheiterten, denn viele Schlüsseltechnologien arbeiten zwingend mit sichtbaren Wellenlängen. Atome und Ionen, die Herzstücke von Atomuhren und vielen Quantencomputern, lassen sich nur mit sichtbarem Laserlicht ansteuern, und auch biomedizinische Bildgebung sowie Displays für Datenbrillen sind auf diesen Spektralbereich angewiesen. Erste Demonstrationen der Gruppe wurden auf der Fachkonferenz OFC in Los Angeles vorgestellt, wo das Fachportal optics.org über die Arbeit berichtete, und stießen dort auf erhebliches Interesse der Industrie.
Die Liste möglicher Anwendungen liest sich wie ein Katalog der Zukunftstechnologien. Auf Basis der neuen Wellenleiter lassen sich extrem rauscharme Laser bauen, deren Licht über lange Zeit stabil schwingt, eine Grundvoraussetzung für tragbare optische Atomuhren und hochpräzise Gyroskope, die Flugzeuge und Schiffe auch ohne Satellitennavigation auf Kurs halten könnten. In der Quantentechnologie könnten kompakte photonische Schaltkreise ganze Labortische voller Spiegel und Linsen ersetzen. Den womöglich größten wirtschaftlichen Hebel sehen die Beteiligten jedoch in den Rechenzentren: Verlustarme optische Verbindungen zwischen Prozessoren senken den Energiebedarf der Dateninfrastruktur, deren Stromhunger durch künstliche Intelligenz derzeit rasant wächst. Dass sich die Wellenleiter zudem effizient an Glasfasern und Halbleiterlaser ankoppeln lassen, macht sie für genau diese Schnittstellen attraktiv.
Bis zur Serienreife bleiben dennoch Aufgaben offen. Die Forscher arbeiten daran, aktive Bauelemente wie Modulatoren und Verstärker in die neue Plattform zu integrieren, denn erst das Zusammenspiel aus verlustarmen Leitungen und schnellen Schaltern macht aus einem Wellenleiter einen vollwertigen photonischen Schaltkreis. Auch die Langzeitstabilität unter industriellen Bedingungen muss sich noch beweisen. Die grundsätzliche Botschaft der Arbeit steht allerdings bereits fest: Die jahrzehntelange Kluft zwischen der Effizienz der Glasfaser und den Möglichkeiten des Chips ist keine Naturkonstante. Indem die Photonik das bewährteste Lichtmaterial der Telekommunikation mit den Fertigungsmethoden der Halbleiterindustrie verheiratet, rückt eine Zukunft näher, in der Licht nicht nur zwischen Kontinenten, sondern auch auf wenigen Quadratmillimetern Silizium nahezu ungebremst fließt.
Nature, Towards fibre-like loss for photonic integration from violet to near-infrared; doi:10.1038/s41586-025-09889-w