Neue Materialien für eine leistungsfähigere optische Datenübertragung

Der Europäische Forschungsrat (ERC) fördert das Forschungsprojekt ATHENS der Professoren Christian Koos und Stefan Bräse vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) mit einem Synergy Grant. Ziel ist es, optische Kommunikationssysteme leistungsfähiger und energieeffizienter zu machen. Dies ist besonders angesichts steigender Anforderungen an die Übertragung großer Datenmengen durch Anwendungen mit Künstlicher Intelligenz (KI) relevant. Der ERC fördert ATHENS für sechs Jahre mit insgesamt 14 Millionen Euro. Das Projekt wird unter anderem am Karlsruhe Center for Optics and Photonics (KCOP) durchgeführt, das 2025 eröffnet wird.

Enorm wachsende Datenmengen stellen die Informations- und Kommunikationstechnik vor Probleme. Besonders das digitale Trainieren sogenannter Large-Language-Models für KI-Anwendungen ist eine rechentechnische Mammutaufgabe. Der Flaschenhals dabei ist die Kommunikation zwischen tausenden Prozessoren in riesigen Parallelrechnern. Hierbei spielen optische Transceiver eine zentrale Rolle: Sie wandeln elektrische Informationen in optische Signale um, die dann über eine Glasfaser oder über einen Lichtwellenleiter effizient und schnell übertragen werden können. Bisher werden für die Signalumwandlung in den Transceivern in der Regel Silizium-Bauteile eingesetzt. Dieser Ansatz stößt jedoch zunehmend an Grenzen, da reine Siliziumbauteile zu langsam für die immer größeren Datenmengen sind. Dazu kommt ein hoher Energieverbrauch der vorhandenen Transceiver, der zu einem hohen CO2-Ausstoß der KI-Modelle beiträgt.

Bessere Datenübertragung mit geringerem Energieverbrauch

Das Projekt ATHENS untersucht neue Materialsysteme und Bauteile für die Umwandlung elektronischer in optische Signale. „Unser Ziel ist es, Transceiver nicht nur leistungsfähiger zu machen, sondern auch effizienter, um höhere Datenübertragungsraten mit dem gleichen oder sogar einem geringeren Energieverbrauch als bisher zu ermöglichen”, erklärt Professor Christian Koos vom Institut für Photonik und Quantenelektronik und vom Institut für Mikrostrukturtechnik des KIT. „Die Förderung durch dem ERC Synergy Grant erlaubt uns nun, ATHENS umfassend umzusetzen – von der Auswahl geeigneter Materialien und der Simulation organischer Moleküle bis hin zu einem funktionierenden Übertragungssystem im Labor.“

Kombination von Silizium mit anderen Materialien

Das vierköpfige Projektteam, zu dem neben Koos Professor Stefan Bräse vom Institut für Organische Chemie und dem Institut für Biologische und Chemische Systeme des KIT, Professor Carsten Ronning von der Friedrich-Schiller-Universität Jena und Professor Tobias Kippenberg von der École Polytechnique Fédérale de Lausanne gehören, verfolgt einen hybriden Ansatz: Die Forschenden kombinieren Silizium mit anderen Stoffen. „Silizium-Bauteile sind kostengünstig und in großen Stückzahlen verfügbar, aber in ihren optischen Eigenschaften eingeschränkt. Wir verbinden Silizium mit weiteren Materialsystemen, um dieses Defizit auszugleichen und die Vorteile von Silizium weiter zu nutzen”, so Koos. Zum einen testet das Team den Einsatz organischer Materialien, also kohlenstoffbasierter Verbindungen. „Wir können diese Moleküle zunächst im Computer simulieren, bevor wir die Stoffe dann mit den gewünschten Eigenschaften synthetisch im Labor herstellen und sie dann auf Silizium-Wafer drucken“, erläutert Bräse. Eine zweite Methode ist die Kombination siliziumphotonischer Chips mit anderen Chips. Dabei spielen zusätzliche Materialplattformen eine Rolle, etwa sogenannte Crystal-On-Insulator-Plattformen, mit denen eine dünne, einkristalline Schicht eines Materials auf ein isolierendes Trägersubstrat übertragen und dort zu optischen Bauteilen weiterverarbeitet wird.

Förderung stärkt Stellung des KIT bei photonischen Technologien

„Die rasanten Entwicklungen in der Künstlichen Intelligenz sind eine große Herausforderung für die Informationstechnik. Hier gilt es, rasch zukunftsfähige Lösungen zu finden“, sagt Professor Oliver Kraft, Vizepräsident Forschung des KIT. „Ich freue mich, dass der Europäische Forschungsrat mit ATHENS ein Projekt an der Schnittstelle zwischen Materialwissenschaften und Informationstechnik fördert. Diese Forschung stärkt die herausragende Stellung des KIT bei den photonischen Technologien, die auch mit dem gerade entstehenden Karlsruhe Center for Optics -and Photonics, kurz KCOP, noch weiter an Bedeutung gewinnt.“

Nutzen auch für Quantentechnologie und Medizintechnik

Hybride Materialsysteme für Transceiver könnten nicht nur in KI-Modellen, sondern auch im Bereich der Quantentechnologie und in der Medizintechnik Anwendung finden, etwa in Sensoren für tragbare Geräte oder in optischen Lab-on-Chip-Anwendungen zur Blutwertanalyse.

ERC Synergy Grant

Der Europäische Forschungsrat fördert mit Synergy Grants vielversprechende Forschungsteams. Die geförderten Projekte sollen nur in Zusammenarbeit der benannten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler möglich sein und zu Entdeckungen an den Schnittstellen zwischen etablierten Disziplinen und zu wesentlichen Fortschritten an den Grenzen des Wissens führen. Für die Ausschreibung 2024 waren insgesamt 548 Anträge eingegangen. Der ERC wählte 57 Projekte für einen Synergy Grant aus. Deutschland ist in 34 der ausgewählten Projekte und damit mit Abstand am stärksten vertreten. An Forschende des KIT geht der prestigeträchtige ERC Synergy Grant nun bereits zum vierten Mal.

Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 10 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen. Seine 22 800 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen. Das KIT ist eine der deutschen Exzellenzuniversitäten.

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