Ein bahnbrechender Fortschritt in der optischen Signalverarbeitung könnte die Zukunft der Datenverarbeitung prägen. Ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Xinliang Zhang (Huazhong University of Science and Technology), Prof. Yikai Su (Shanghai Jiao Tong University), Prof. Kun Qiu (University of Electronic Science and Technology of China) und Akademiker Ninghua Zhu (Nankai University) hat einen monolithisch integrierten, programmierbaren rein optischen Signalverarbeitungschip (AOSP) entwickelt. Die Ergebnisse, veröffentlicht am 15. Juni 2025 in Frontiers of Optoelectronics, zeigen vielseitige Funktionen wie Filterung, Logikoperationen und Signalregeneration, die neue Maßstäbe für optische Netzwerke setzen.
Im Big-Data-Zeitalter stoßen herkömmliche elektrische Signalverarbeitungssysteme an ihre Grenzen, insbesondere bei Kapazität und Energieverbrauch. Über 90 % der Daten werden über Lichtwellen übertragen, doch die Verarbeitung erfolgt meist elektrisch, was ineffizient ist. Die rein optische Signalverarbeitung (AOSP) bietet eine Lösung, indem sie Daten direkt im optischen Bereich verarbeitet, was Systemkomplexität, Kosten und Energieverbrauch drastisch reduziert. Siliziumbasierte Photonik, kompatibel mit bestehender CMOS-Technologie, erweist sich dabei als ideale Plattform.
Das Team überwand zentrale Herausforderungen der Siliziumtechnologie, wie hohe Übertragungsverluste und schwache nichtlineare Effekte, durch innovative Fertigungsprozesse und Materialien. Sie entwickelten ultraniedrige Verlust-Wellenleiter (0,17 dB/cm) und Mikroresonatoren mit einem Q-Faktor von 2,1 Millionen. Neuartige Strukturen wie PIN-Wellenleiter, Schlitz-Wellenleiter und Multimode-Wellenleiter verstärkten die Nichtlinearität, während fortschrittliche Verpackungstechnologien optische und thermische Überspreche minimierten.
Der Chip demonstrierte beeindruckende Leistungen: Ein programmierbarer photonischer Filter mit einstellbarer Bandbreite von 0,55 pm bis 648,72 pm und einem freien Spektralbereich von 0,06 nm bis 1,86 nm ermöglicht präzise Lichtmanipulation. Logikoperationen mit 100 Gbit/s wurden auf einem optischen Logikarray realisiert, ebenso wie mehrkanalige Amplituden- und Phasenregeneration für verschiedene Modulationsformate (DPSK, OOK, QPSK). Ein einzelner Chip integriert 136 Bauelemente und verarbeitet bis zu 800 Gbit/s über acht Kanäle, mit einer FWM-Konversionseffizienz von -12 dB.
„Dieser Chip legt den Grundstein für skalierbare, hochleistungsfähige optische Netzwerke“, betont Prof. Zhang. Die Kombination aus Rekonfigurierbarkeit, Multifunktionalität und niedrigem Energieverbrauch eröffnet Anwendungen in optischer Kommunikation, Hochleistungsrechnen, Bildgebung und Sensorik. Zukünftige Verbesserungen in Nanofabrikation und Materialien könnten die Leistung weiter steigern, insbesondere für klassische und nicht-klassische Rechenanwendungen.
Die Studie, finanziert durch ein nationales chinesisches Forschungsprogramm, markiert einen Meilenstein in der Siliziumphotonik und könnte die Art und Weise, wie wir Daten verarbeiten, nachhaltig verändern.
DOI
Credits:
Jing Xu, Wenchan Dong, Qingzhong Huang, Yujia Zhang, Yuchen Yin, Zhenyu Zhao, Desheng Zeng, Xiaoyan Gao, Wentao Gu, Zihao Yang, Hanghang Li, Xuhan Guo, Heng Zhou, Huashun Wen, Kun Qiu, Xinliang Zhang
