Wenn KI-Chips zusammenarbeiten, müssen sie ständig Daten austauschen. Dafür rückt Licht näher an die Prozessoren heran: Es soll Informationen über kurze optische Wege zwischen Bausteinen transportieren. Doch eine Lichtverbindung besteht aus mehr als einem hellen Faden. Ein Sender muss elektrische Daten in Lichtsignale übersetzen, ein Leiter sie möglichst verlustarm führen und ein Empfänger wieder in elektrische Signale verwandeln.
Zwei europäische Forschungsarbeiten zeigen, wie unterschiedlich diese Aufgaben aussehen. Das belgische Forschungszentrum Imec entwickelt einen besonders schnellen Lichtempfänger. In Deutschland arbeiten Fraunhofer IZM und die TU Berlin an der Gestaltung von Lichtleitern in Glas. Die Projekte sind unabhängig voneinander und bilden kein gemeinsam getestetes Produkt. Zusammen machen sie sichtbar, warum Geschwindigkeit, Energiebedarf und Zuverlässigkeit am Ende vom ganzen Übertragungsweg abhängen.
Die Reise eines Datenpakets
Ein KI-Beschleuniger verarbeitet Daten elektrisch. Sollen sie optisch weiterreisen, prägt ein Sender die Information einem Lichtsignal auf. Das Licht läuft durch einen Wellenleiter, also eine Struktur, die es auf einem vorgegebenen Weg hält. Am anderen Ende erkennt ein Fotodetektor das eintreffende Licht und erzeugt ein elektrisches Signal. Erst dann kann die nächste elektronische Schaltung damit weiterarbeiten.
Jede Station beeinflusst die nächste. Geht unterwegs Licht verloren, muss entweder der Sender mehr Licht bereitstellen oder der Empfänger mit weniger auskommen. Auch die Übergänge zwischen Bauteilen zählen: Ein gut geführtes Signal hilft wenig, wenn beim Einkoppeln ein großer Teil verloren geht. Deshalb ist eine schnelle einzelne Komponente nur ein Teil der Lösung.
Ein empfindlicheres Ohr für Licht
Imec hat im September 2026 eine sogenannte Lawinenfotodiode vorgestellt. Sie nutzt einen internen Verstärkungseffekt: Auftreffendes Licht löst elektrische Ladungsträger aus, die im Bauteil weitere Ladungsträger erzeugen. Das schwache optische Signal wird dadurch schon im Detektor verstärkt.
Die Herausforderung besteht darin, Empfindlichkeit und Geschwindigkeit zusammenzubringen. Eine stärkere interne Verstärkung ging laut Imec bislang häufig zulasten der Bandbreite oder verlangte eine höhere Betriebsspannung. Die neue Germanium-Silizium-Diode erreicht nach Angaben des Instituts eine Bandbreite von 100 Gigahertz bei fünf Volt. Gemeinsam mit einem Modulator demonstrierte das Team eine optische Verbindung mit netto 400 Gigabit pro Sekunde.
Die Zahl beschreibt die Übertragung in diesem Forschungsaufbau. Sie sagt nicht, dass ein komplettes KI-System mit dieser Geschwindigkeit rechnet oder entsprechend viel Strom spart. Im Vergleich zu einer herkömmlichen Fotodiode meldet Imec eine um drei Dezibel verbesserte Empfängerempfindlichkeit. Diese Reserve könnte je nach Auslegung helfen, die Laserleistung zu senken oder höhere optische Verluste zu verkraften. Ob und wie stark ein fertiges System davon profitiert, hängt von den übrigen Bauteilen ab.
Auch der Weg zum praktischen Einsatz ist nicht abgeschlossen: Imec nennt weitere Untersuchungen zur Zuverlässigkeit bei unterschiedlichen Temperaturen und Lichtleistungen sowie die Integration mit schneller Empfängerelektronik als nächste Schritte.
Der Weg durch Glas ist eine eigene Aufgabe
Während Imec am Empfang arbeitet, beschäftigt sich ein Team von Fraunhofer IZM und TU Berlin mit der Frage, wie sich Lichtwege in Glas entwerfen lassen. Im Projekt 3DGlassGuard stehen zunächst optische Sensorlösungen für anspruchsvolle Umgebungen im Mittelpunkt. Glas mit integrierten Lichtleitern könnte nach Einschätzung der Forschenden später auch für die Verbindung von Chips interessant sein.
Die gewünschte Struktur ergibt sich nicht einfach aus einer geraden Linie auf einer Zeichnung. Wie sich Licht durch eine mikroskopische Struktur bewegt, muss berechnet werden. Beim sogenannten inversen Design steht zuerst das gewünschte Verhalten fest; ein Algorithmus sucht anschließend eine Struktur, die es möglichst gut erfüllt. Viele Varianten müssen berechnet und angepasst werden.
Das Team nutzt dafür KI-Modelle, die aus aufwendig berechneten Beispielen lernen. Laut Fraunhofer IZM liefert das einsatzbereite Modell für einen Teil des Herstellungsprozesses eine einzelne Simulation in weniger als 30 Sekunden. Klassische Rechnungen bleiben für Trainingsdaten und die geplante Validierung wichtig. Später sollen entworfene Strukturen gefertigt und untersucht werden.
Das ist ein anderer Ansatz als der Imec-Empfänger. Er zeigt auch keine fertige Datenleitung im Rechenzentrum. Er adressiert jedoch ein verwandtes Problem: Ein optischer Weg muss so gestaltet und hergestellt werden, dass das Licht dort ankommt, wo es gebraucht wird.
Warum das Gehäuse mitentscheidet
Zwischen einem Laborbauteil und einem Rechenzentrum liegen weitere technische Entscheidungen. Wo sitzt die Lichtquelle? Wie werden optische und elektrische Komponenten verbunden? Wie lässt sich Wärme abführen, wenn der Prozessor direkt daneben arbeitet? Und was geschieht, wenn ein Bauteil ausfällt?
Eine Forschungsarbeit zu einem optischen Zwischenträger demonstriert einen anderen Integrationsweg: Sender, Empfänger und elektronische Bauteile wurden auf einer gemeinsamen Plattform kombiniert. Der Versuchsaufbau übertrug vier Kanäle mit je 100 Gigabit pro Sekunde über eine Glasfaser. Die Autoren beschreiben zugleich Platzbedarf, elektrische Signalqualität und Wärme als gekoppelte Entwurfsfragen. Der Versuch ist weder identisch mit dem Imec-Aufbau noch mit dem deutschen Glasprojekt.
Ein Fachbeitrag zu optischer Integration betont darüber hinaus Wartbarkeit, Standards und thermische Auslegung. Je näher optische Technik an die Rechenchips rückt, desto stärker beeinflussen solche Systemfragen ihren praktischen Nutzen. Ein austauschbares Modul und ein eng integriertes Bauteil können unterschiedliche Vorteile bieten; die schnellste Lösung auf dem Prüfstand muss nicht automatisch die beste für den Betrieb sein.
Die gemeinsame Richtung ist dennoch klar: Forschende verbessern nicht nur den Prozessor, sondern auch die Wege dazwischen. Ein empfindlicher Empfänger kann das Lichtbudget entspannen. Ein sorgfältig gestalteter Leiter kann Verluste verringern. Ob daraus eine zuverlässige und sparsame Verbindung wird, entscheidet sich erst, wenn Sender, Lichtweg, Empfangselektronik und Kühlung zusammenarbeiten.
Quellen
- Imec: 100-GHz-Lawinenfotodiode, 21. September 2026
- Fraunhofer IZM: Inverses photonisches Design, 2026
- Hou und weitere: Optischer Zwischenträger für 4 × 100G, 2026
- Yi und Wilkerson: 3D-Optoelektronik und Co-Packaged Optics, 2026
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