{"id":29927,"date":"2025-05-20T10:00:00","date_gmt":"2025-05-20T08:00:00","guid":{"rendered":"https:\/\/fmd-insight.de\/?p=29927"},"modified":"2026-03-18T17:36:33","modified_gmt":"2026-03-18T16:36:33","slug":"photonic-integrated-circuit","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/fmd-insight.de\/de\/news\/interviews\/photonic-integrated-circuit\/","title":{"rendered":"Photonic Integrated Circuit<\/strong> | \u00dcber Daten\u00fcbertragung via Licht und wie PICs\u00a0die digitale Zukunft revolutionieren k\u00f6nnen"},"content":{"rendered":"\n
©<\/span>Adobe Stock | Vitte Yevhen<\/div><\/div><\/div>\n
\n
\n
\n \n \n \"\"\n <\/picture><\/div><\/div><\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n
\n
\n

Im Interview: Prof. Dr. Anna Lena Schall-Giesecke vom Fraunhofer IMS
\n<\/strong><\/p>\n<\/div><\/div><\/div> \n <\/div>\n\n \n <\/div>\n\n\n

\n
\n \n

In Bereichen wie der Telekommunikation und K\u00fcnstlicher Intelligenz w\u00e4chst der Bedarf an Technologien, die Daten schneller und effizienter \u00fcbertragen k\u00f6nnen. Eine vielversprechende L\u00f6sung bieten Photonic Integrated Circuits (PICs), die Licht statt Elektrizit\u00e4t nutzen, um Informationen mit au\u00dfergew\u00f6hnlicher Geschwindigkeit zu verarbeiten und gleichzeitig den Energieverbrauch minimieren. Das Potenzial ist gro\u00df. Aus diesem Grund haben wir mit Prof. Dr. Anna Lena Schall-Giesecke vom Fraunhofer IMS<\/a> und der Universit\u00e4t Duisburg-Essen \u00fcber die Besonderheiten von PICs gesprochen.<\/strong><\/p>\n\n <\/div>\n <\/div>\n \n <\/div>\n\n\n

Prof. Schall-Giesecke, Sie leiten am Fraunhofer IMS die Gruppe Photonic Structure Integration. Welche Aufgaben haben Sie bzw. Ihre Gruppe?<\/p>\n<\/div>

<\/span>

Unser Aufgabenbereich liegt in der Entwicklung neuer photonischer Technologien, die auf herk\u00f6mmlichen Elektronikschaltungen aufgebracht werden k\u00f6nnen. Nicht etwa in einem separaten Fertigungsprozess, als Teil eines monolithischen Herstellungsverfahrens. Das bedeutet: Photonik und Elektronik entstehen gleichzeitig auf demselben Chip, ohne dass daf\u00fcr zwei unterschiedliche Herstellungsorte n\u00f6tig sind. So erreichen wir eine besonders enge, direkte Integration der Technologien.<\/p>\n<\/div>

Was unterscheidet photonische Technologien von herk\u00f6mmlichen elektronischen Schaltungen?<\/p>\n<\/div>

<\/span>

Photonische Technologien nutzen Licht (Photonen) zur Informationsverarbeitung und -\u00fcbertragung anstelle von Elektronen. Das bedeutet, in der Photonik kommen optische Signale zum Einsatz, um Daten zu \u00fcbertragen, was oft schneller und effizienter ist. Bei den Photonic Integrated Circuits (PICs) werden viele optische Komponenten auf einem einzigen Chip integriert.<\/p>\n<\/div>

Lassen Sie uns einen genaueren Blick auf die PICs werfen. Was macht sie so besonders und vielversprechend im Vergleich zu traditionellen Ans\u00e4tzen?<\/p>\n<\/div>

<\/span>

Fr\u00fcher, in den 40er und 50er Jahren, als die ersten Computer entwickelt wurden, f\u00fcllten die ganze R\u00e4ume und bestanden aus vielen diskreten Komponenten. Diese riesigen Maschinen waren anf\u00e4llig f\u00fcr St\u00f6rungen \u2013 oft fiel innerhalb von 50 Minuten eine Komponente aus und es musste ein Techniker kommen, um sie zu auszubauen und zu tauschen.<\/p>\n

 <\/p>\n

In den Optiklaboren stehen wir heute an einem \u00e4hnlichen Punkt. Dort werden komplexe optische Systeme eingesetzt, etwa f\u00fcr Quantenexperimente, die ebenfalls viel Platz ben\u00f6tigen und sehr aufwendig in der Handhabung sind. Das ist nicht praktikabel. Daher setzen wir mit unserer Forschung genau hier an. Wir realisieren eine photonische Variante des elektronischen Schaltkreises.<\/p>\n<\/div><\/div>\n\n\n

\n \n
\n
\n
\n \n \n \"\"\n <\/picture><\/div><\/div><\/div>
©<\/span>Fraunhofer IMS<\/div><\/div>\n<\/div><\/div>\n

Die Besonderheit von photonischen integrierten Schaltkreisen (PICs) liegt darin, dass sie die Komplexit\u00e4t und den Platzbedarf der traditionellen Optik \u00fcberwinden. Statt separate optische Komponenten auf gro\u00dfen Tischen zu betreiben, k\u00f6nnen wir alle optischen Bauteile auf einem einzigen Chip integrieren. PICs erm\u00f6glichen es, Schaltungen zu schaffen, die mit Licht statt mit Elektrizit\u00e4t arbeiten \u2013 und das in einer kompakten sowie zuverl\u00e4ssigen Form. Dadurch k\u00f6nnen wir die Vorteile der Optik, wie hohe Geschwindigkeit und geringe Verluste, in eine zug\u00e4nglichere Technologie umwandeln. Das macht PICs besonders vielversprechend f\u00fcr die Zukunft von Kommunikation, Quantencomputing und vielen anderen Bereichen.<\/p>\n<\/div><\/div><\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n\n\n\n

K\u00f6nnten Sie den Herstellungsprozess f\u00fcr PICs genauer erkl\u00e4ren? Wie l\u00e4uft dieser ab und welche Schritte sind dabei besonders wichtig?<\/p>\n<\/div>

<\/span>

Wir beginnen den Prozess \u00e4hnlich wie in der klassischen Elektronik: Mit einem Silizium-Wafer, der als Grundlage dient. Auf diesen Wafer werden dann verschiedene Schichten aufgetragen, meist durch Abscheidungsprozesse wie CVD (Chemical Vapor Deposition) oder sputtern.<\/p>\n

 <\/p>\n

Anschlie\u00dfend kommt die Fotolithographie zum Einsatz, die auch in der klassischen Elektronikfertigung verwendet wird. Bei diesem Verfahren werden Masken und lichtempfindliche Materialien genutzt, um die gew\u00fcnschten Strukturen auf der Waferoberfl\u00e4che zu definieren. Nach der Belichtung werden die Strukturen durch \u00c4tzprozesse in den Wafer \u00fcbertragen.<\/p>\n

 <\/p>\n

Was wir dann erhalten, ist eine Art Lichtleiterbahn. Sie funktioniert \u00e4hnlich wie eine Glasfaser, die Licht von Punkt A nach Punkt B \u00fcbertr\u00e4gt. Der Unterschied ist, dass diese Lichtleiterbahnen nicht so knickbar oder instabil sind wie Glasfasern. Sie sind sehr klein, pr\u00e4zise und stabil, und werden genau auf dem Chip positioniert. Diese Strukturen sind die Grundlage f\u00fcr die photonischen Bauteile auf dem Chip, wie z. B. Wellenleiter, die Licht f\u00fchren, oder optische Modulatoren, die das Licht steuern, und sie erm\u00f6glichen eine Daten\u00fcbertragung in Lichtgeschwindigkeit. Also die schnellste Art, die es gibt!<\/p>\n<\/div>

Sie sprachen gerade das Thema Wellenleiter an. Am Fraunhofer IMS arbeiten Sie auch mit einer anpassbaren Photonik-Plattform, die Wellenl\u00e4ngen eines breitbandigen Spektrums unterst\u00fctzt und dank ultraverlustarmer Wellenleiter besonders energieeffizient ist. K\u00f6nnen Sie uns dazu mehr erz\u00e4hlen?<\/p>\n<\/div>

<\/span>

Nat\u00fcrlich. Schauen wir uns dazu erst einmal ein paar Grundlagen an. Die ersten photonischen Wellenleiter wurden urspr\u00fcnglich f\u00fcr die reine Datenkommunikation hergestellt, also um Daten im Rechenzentrum von A nach B zu \u00fcbertragen. Daf\u00fcr wurde Licht mit bestimmten Wellenl\u00e4ngen genutzt, typischerweise im Bereich von 1310 bis 1550 Nanometern. Diese Bereiche eignen sich besonders gut f\u00fcr Glasfaserkommunikation \u2013 sind aber nicht universell einsetzbar.<\/p>\n

 <\/p>\n

Hinzu kommt: Das damals verwendete Material, reines Silizium, hat in anderen Wellenl\u00e4ngenbereichen physikalische Einschr\u00e4nkungen. Deshalb setzen wir auf alternative Materialien wie Siliziumnitrid und Aluminiumnitrid. Diese sind breitbandig einsetzbar \u2013 sogar im sichtbaren Spektrum, also im Bereich von etwa 400 bis 800 Nanometern. Das er\u00f6ffnet ganz neue M\u00f6glichkeiten, etwa in der Sensorik oder in der Quantenphotonik. Dort k\u00f6nnen wir nun Licht gezielt manipulieren \u2013 zum Beispiel eine bestimmte Farbe (Wellenl\u00e4nge) in eine andere umwandeln. Damit das funktioniert, muss der Wellenleiter jedoch in der Lage sein, all diese Farben ohne gro\u00dfe Verluste zu f\u00fchren. Wird das Licht bei einer bestimmten Wellenl\u00e4nge vom Material absorbiert, w\u00e4re der Effekt dahin. Daher entwickeln wir breitbandige Wellenleiter, die mehrere Farben gleichzeitig \u00fcbertragen k\u00f6nnen \u2013 und das innerhalb eines einzigen Chipquerschnitts. Das macht unsere Plattform nicht nur vielseitig, sondern auch effizient.<\/p>\n

 <\/p>\n

Und das Beste: Unsere ersten Aluminiumnitrid-Wellenleiter funktionieren bereits! Das ist ein v\u00f6llig neuer Prozess \u2013 und ein gro\u00dfer Schritt nach vorn.<\/p>\n

 <\/p>\n

\u00dcbrigens ist das auch ein Alleinstellungsmerkmal unserer Arbeit: Es ist eher selten, dass sich Teams so konsequent mit dem gesamten Spektralbereich besch\u00e4ftigen \u2013 insbesondere mit dem sichtbaren Licht und den dar\u00fcberhinausgehenden, kurzwelligen Bereichen, also dem blauen Licht bis hin zum ultravioletten (UV) Bereich. W\u00e4hrend viele sich auf die klassischen Wellenl\u00e4ngen im Infrarot konzentrieren, schauen wir gezielt auf Materialien, die auch in diesen kurzwelligen Spektren funktionieren. So erweitern wir Schritt f\u00fcr Schritt die nutzbare Bandbreite photonischer Systeme.<\/p>\n<\/div>

Sind PICs also eine neue Technologie?<\/p>\n<\/div>

<\/span>

Nicht ganz. PICs gibt es tats\u00e4chlich schon seit mehr als 25 Jahren. Allerdings basierten sie lange Zeit auf speziellen Materialplattformen, die nur sehr schwer skalierbar waren. Das bedeutete: Man konnte sie meist nur auf kleinen Wafern herstellen. Sobald man versuchte, gr\u00f6\u00dfere Wafer zu nutzen, wurden diese instabil und br\u00fcchig, sodass sie nicht mehr automatisch verarbeitet werden konnten. Hinzu kam, dass das Ausgangsmaterial extrem teuer war. Beides \u2013 die schlechte Skalierbarkeit und die hohen Materialkosten \u2013 machten die Technologie f\u00fcr viele Anwendungen unpraktisch.<\/p>\n

 <\/p>\n

Wie schon erw\u00e4hnt, setzen wir daher auf andere Materialien \u2013 n\u00e4mlich CMOS-kompatible. Diese k\u00f6nnen in klassischen Elektronik-Reinr\u00e4umen weiterverarbeitet werden \u2013 also dort, wo auch herk\u00f6mmliche Mikrochips gefertigt werden. Das bringt zwei gro\u00dfe Vorteile: Zum einen k\u00f6nnen wir auf bestehende Infrastrukturen zur\u00fcckgreifen, zum anderen ist damit auch die Skalierung auf gro\u00dfe Waferformate m\u00f6glich. Das macht unsere photonische Plattform nicht nur effizienter, sondern auch wirtschaftlich deutlich attraktiver.<\/p>\n<\/div>

Lassen Sie uns einen Blick auf die Anwendungsgebiete werfen. PICs sind spannend f\u00fcr Bereiche wie Telekommunikation, Optisches Computing, K\u00fcnstliche Intelligenz und Medizintechnik. Aber inwiefern sorgen sie f\u00fcr Innovationen, die vorher noch nicht m\u00f6glich waren?<\/p>\n<\/div>

<\/span>

Ein gutes Beispiel ist das photonische oder optische Computing \u2013 also Rechnen mit Licht. Der Gr\u00fcnder von OpenAI hat sinngem\u00e4\u00df gesagt, dass er k\u00fcnftig Rechenzentren mit einem Energiebedarf von f\u00fcnf Gigawatt bauen m\u00f6chte. Klingt beeindruckend \u2013 aber wenn man das hochrechnet, br\u00e4uchte man f\u00fcr jedes einzelne dieser Rechenzentren etwa 1,3 Atomkraftwerke. Das h\u00e4ngt damit zusammen, dass moderne KI-Anwendungen auf extrem vielen Rechenoperationen beruhen. Dabei werden Unmengen an Energie gebraucht.<\/p>\n

 <\/p>\n

Die Photonik hingegen ben\u00f6tigt gar keine Energie. Denn der entscheidende Rechenvorgang geschieht durch die \u00dcberlagerung zweier Lichtwellen. Nat\u00fcrlich muss man das Licht am Anfang einspeisen und ggf. verst\u00e4rken, weil \u00fcber l\u00e4ngere Distanzen Verluste auftreten. Aber der eigentliche Rechenvorgang \u2013 das, was in elektronischen Systemen die meiste Energie frisst \u2013 ist in der Photonik nahezu verlustfrei. Das ist gerade in Hinblick auf energieeffizientes KI-Computing der n\u00e4chsten Generation relevant. Nat\u00fcrlich wird es nicht so sein, dass k\u00fcnftig weltweit alle Computer ausschlie\u00dflich photonisch rechnen \u2013 f\u00fcr viele Anwendungen wird klassische Elektronik weiterhin sinnvoll bleiben. Aber \u00fcberall dort, wo es um sehr viele, sehr schnelle Multiplikationen geht, also genau das, was in modernen KI-Systemen zentral ist, kann die Photonik eine entscheidende L\u00fccke f\u00fcllen.<\/p>\n<\/div><\/div>\n\n\n

\n \n
\n
\n
\n \n \n \"\"\n <\/picture><\/div><\/div><\/div>
©<\/span>Fraunhofer IMS<\/div><\/div>\n<\/div><\/div>\n

Daneben finden PICs aber auch in der Sensorik Anwendung, etwa in Wearables wie Smartwatches. Aktuell sind diese Systeme noch recht einfach: Eine Diode leuchtet auf die Haut und misst zum Beispiel den Puls \u2013 oft aber nur ungenau. Mit einem integrierten photonischen Chip, der das Licht interferometrisch auswertet, lassen sich Vitalparameter wie Schlaf oder Blutdruck deutlich pr\u00e4ziser erfassen. Solche Chips k\u00f6nnten k\u00fcnftig sogar in der medizinischen Diagnostik eingesetzt werden \u2013 direkt am Patienten, in sogenannten Point-of-Care-Systemen.<\/p>\n

 <\/p>\n

Auch in der Datenkommunikation sind PICs l\u00e4ngst angekommen. Ich habe viele Jahre an photonischen Telekommunikationschips gearbeitet. Am Ende landen diese Hochtechnologien in den grauen K\u00e4sten am Stra\u00dfenrand \u2013 unscheinbar, aber essenziell f\u00fcr unsere digitale Infrastruktur. Es ist faszinierend, wie unsichtbar diese komplexe Technologie bereits heute unser Leben mitgestaltet.<\/p>\n<\/div><\/div><\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n\n\n\n

Auch f\u00fcr Quanten- und neuromorphes Computing k\u00f6nnen PICs interessant sein, richtig?<\/p>\n<\/div>

<\/span>

Gewisserma\u00dfen. Aktuell ist es so, dass die meisten Quantencomputing-Systeme auf supraleitende Technologien ausgelegt sind. Um dieses System zu betreiben, braucht es Temperaturen nah am absoluten Nullpunkt. Und je n\u00e4her man an diesen Nullpunkt herankommen m\u00f6chte, desto mehr Energie wird ben\u00f6tigt. Das K\u00fchlen sorgt daf\u00fcr, dass die Qubits stabil bleiben, sonst w\u00fcrden sie ihre Eigenschaften und Information verlieren \u2013 das nennt man Dekoh\u00e4renz.<\/p>\n

 <\/p>\n

Jeder der Mal gesehen hat, was man f\u00fcr riesige Apparaturen braucht, um diese Temperaturen zu erreichen, wei\u00df, dass solche Systeme nicht in jedem Haushalt zu finden sind. Quantencomputer, die am absoluten Nullpunkt funktionieren, sind auf der Erde schwierig zu betreiben. Und da kommt auf jeden Fall die Photonik zum Einsatz, die hier als Hilfstechnologie wirken kann.<\/p>\n<\/div><\/div>\n\n\n

\n \n
\n
\n
\n \n \n \"\"\n <\/picture><\/div><\/div><\/div>
©<\/span>Fraunhofer Mikroelektronik | Akvile Zaludaite<\/div><\/div>\n<\/div><\/div>\n

Lassen Sie uns den Blick kurz in die Zukunft richten: Welche Technologien werden die Leistungsf\u00e4higkeit und Anwendbarkeit von PICs pr\u00e4gen?<\/strong><\/p>\n

\u00bbAuf jeden Fall Chiplet-Technologie. Also das, worum sich die APECS-Pilotlinie dreht. Wir m\u00fcssen diese ganzen verschiedenen Technologien, die an unterschiedlichen Orten hergestellt werden, vereinen.\u00ab<\/p>\n

Abschlie\u00dfend w\u00fcrden wir Ihnen gern noch eine pers\u00f6nliche Frage stellen: Was begeistert Sie an der Mikroelektronik?<\/strong><\/p>\n

\u00bbDass man etwas Neues erschaffen kann. Viele lassen sich von den Bereichen Technologie und Mikroelektronik abschrecken, dabei kann die Komplexit\u00e4t so viel Spa\u00df machen. Und das Besondere an au\u00dfer-universit\u00e4ren Forschungsinstitutionen wie der Fraunhofer-Gesellschaft ist, dass man von der Idee, \u00fcber die Simulation, bis zur Herstellung alles messen und sehen kann. Das ist richtig cool.\u00ab<\/p>\n<\/div><\/div><\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Prof. Dr. Anna Lena Schall-Giesecke vom Fraunhofer IMS spricht im Interview \u00fcber Photonic Integrated Circuits – eine vielversprechende L\u00f6sung, die Licht statt Elektrizit\u00e4t nutzt, um Informationen mit au\u00dfergew\u00f6hnlicher Geschwindigkeit zu verarbeiten.<\/p>\n","protected":false},"author":151,"featured_media":30183,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":true,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"footnotes":""},"categories":[9],"tags":[],"class_list":["post-29927","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-interviews"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/fmd-insight.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/29927","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/fmd-insight.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/fmd-insight.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/fmd-insight.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/users\/151"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/fmd-insight.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=29927"}],"version-history":[{"count":10,"href":"https:\/\/fmd-insight.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/29927\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":33526,"href":"https:\/\/fmd-insight.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/29927\/revisions\/33526"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/fmd-insight.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media\/30183"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/fmd-insight.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=29927"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/fmd-insight.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=29927"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/fmd-insight.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=29927"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}