Chip‑Scale Frequenzkämme treiben die Datenzukunft an

Forscher der Columbia Engineering haben einen neuen Chip entwickelt, der einen Laser in ein „Frequenzkamm“ verwandeln kann und dabei gleichzeitig mehrere leistungsstarke Lichtkanäle erzeugt.

Durch die Nutzung eines speziellen Sperrmechanismus haben die Forscher das unruhige Laserlicht bereinigt und Labor‑Genauigkeit auf einem kleinen Siliziumgerät erreicht. Diese Errungenschaft kann die Effizienz von Rechenzentren erheblich verbessern und Innovationen in LiDAR, Sensorik und Quantentechnologie vorantreiben.

Mikrokämme verkleinern Laborpräzision auf einen Chip 

Die Forscher entwickelten das Hochleistungs‑Mikrokamm‑Gerät, um die LiDAR‑Technologie (Light Detection and Ranging) zu verbessern.

LiDAR ist eine Fernerkundungstechnologie, die gepulstes Laserlicht verwendet, um Entfernungen zu berechnen und hochauflösende 3D‑Modelle der Umgebung zu erstellen. Sie funktioniert wie Radar, nutzt jedoch Licht statt Schall.

Das System sendet Laserimpulse aus und misst deren Rückkehrzeit, um präzise Entfernungen zu Objekten zu bestimmen und Bewegungen in Echtzeit zu verfolgen.

Bestehend aus einem Laser, einem Scanner und einem spezialisierten GPS‑Empfänger erzeugt ein LiDAR-Instrument eine detaillierte ‘Punktwolke’ von Daten, die anschließend zur Erstellung von 3D‑Karten für Anwendungen wie autonomes Fahren, Umweltüberwachung, Vermessung und Archäologie verwendet wird.

Die Technologie wurde bereits in den 1960er‑Jahren erfunden und zunächst in der Meteorologie, Ozeanmessung und topografischen Kartierung eingesetzt, bevor ihre Nutzung von der NASA ins All ausgeweitet wurde. In den 2010er‑Jahren begannen kommerzielle Automobile, LiDAR zu nutzen, und seitdem ist Automotive‑LiDAR in hochwertigen Elektroautos sehr populär geworden.

Angesichts der wachsenden Anwendung von LiDAR arbeiten Forscher kontinuierlich an der Verbesserung der Technologie. Viele spannende Innovationen der Lasertechnologie werden mit fortschrittlicher Optik kombiniert, was weitere Miniaturisierung ermöglicht und vielversprechend für die langfristige Zukunft von LiDAR‑Systemen ist.

Der Fokus der Forscher der Columbia University School of Engineering and Applied Science lag darauf, eine Methode zu finden, um höhere Leistung und spektrale Reinheit aus kompakten Lasersystemen zu erschließen, um die chip‑skalierte Frequenzkamm‑Erzeugung zu ermöglichen, um Kommunikation, Sensorik, Spektroskopie, LiDAR und andere integrierte photonische Anwendungen zu verbessern.

So haben sie einen Mikrokamm entwickelt, ein miniaturisiertes photonisches Gerät, das eine Reihe gleichmäßig verteilter optischer Frequenzen erzeugt, ähnlich den Zähnen eines Kamms, auf einem Chip.

Diese integrierten miniaturisierten Frequenzkämme haben das Potenzial, die Größe komplexer Systeme, die traditionell für solche Anwendungen erforderlich sind, zu reduzieren. Daher sind integrierte Mikrokämme für zahlreiche Anwendungen vielversprechend, die hohe Ausgangsleistung, geringen Platzbedarf und hohe Effizienz erfordern, wie Spektroskopie, Sensorik und Datenkommunikation.

Kürzlich haben Forscher elektrisch gepumpte Mikrokämme demonstriert, indem sie Verstärkerchips (Halbleiter‑optische Elemente) mit erstklassigen Resonatoren integrierten. Ihre gesamte optische Leistung liegt jedoch immer noch weit unter dem, was praktische Lösungen benötigen.

Diese Einschränkung wurde von Columbia‑Forschern adressiert, die Hochleistungs‑elektrisch gepumpte Kerr‑Frequenz‑Mikrokämme demonstrierten. 

Von ‘Messy’ Dioden zu sauberen Mikrokämmen

Interessanterweise war dies eine zufällige Entdeckung. Vor einigen Jahren arbeiteten Forscher im Labor des Mitautors Michal Lipson, einem Eugene Higgins Professor für Elektrotechnik und Professor für Angewandte Physik, an einem Projekt zur Verbesserung der LiDAR‑Fähigkeiten, als sie etwas Unglaubliches bemerkten.

Sie entwickelten Hochleistungschips, die hellere Lichtstrahlen erzeugen konnten, und „als wir immer mehr Leistung durch den Chip schickten, bemerkten wir, dass er das erzeugt, was wir einen Frequenzkamm nennen“, sagte Andres Gil‑Molina, ein ehemaliger Post‑Doc‑Forscher im Labor von Lipson und derzeit Principal Engineer bei Xscape Photonics.

Ein Frequenzkamm ist ein Spektrum, das aus diskreten und regelmäßig abgestandenen spektralen Linien besteht. Das bedeutet, dass diese spezielle Lichtart verschiedene Farben enthält, die nebeneinander in geordneter Weise angeordnet sind, wie man es in einem Regenbogen sieht.

Hier strahlen Dutzende von Lichtfrequenzen. Doch die Lücken zwischen diesen verschiedenen Farben oder Frequenzen bleiben dunkel. Wenn man also diese unterschiedlichen hellen Frequenzen in einem Spektrogramm betrachtet, sehen sie aus wie Spitzen oder Zähne eines Kamms, daher der Name.

Da verschiedene Lichtfarben nicht miteinander interferieren, fungiert jeder Zahn als eigener Kanal, was eine unglaubliche Möglichkeit bietet, mehrere Datenströme gleichzeitig zu übertragen.

Obwohl äußerst vorteilhaft, erfordert die Erstellung eines leistungsstarken Frequenzkamms große und teure Laser sowie Verstärker. 

Veröffentlicht in Nature Photonics¹, beschreibt das Papier, wie dasselbe auf einem einzelnen Chip durchgeführt werden kann. 

“Die von uns entwickelte Technologie nimmt einen sehr leistungsstarken Laser und verwandelt ihn in Dutzende sauberer, hochleistungsfähiger Kanäle auf einem Chip. Das bedeutet, dass man Racks einzelner Laser durch ein kompaktes Gerät ersetzen kann, Kosten senkt, Platz spart und den Weg für viel schnellere, energieeffizientere Systeme öffnet.”

– Gil-Molina

Diese Forschung kann nicht nur die enorme Nachfrage von Rechenzentren nach leistungsstarken und effizienten Lichtquellen mit vielen Wellenlängen befriedigen, sondern markiert auch einen Meilenstein in der Mission des Teams, die Silizium‑Photonik voranzutreiben.

Silizium‑Photonik, bekannt dafür, deutlich schnellere Datenübertragungen zu ermöglichen, während sie weniger Energie verbraucht und weniger Wärme erzeugt als herkömmliche elektronische Schaltungen, findet Anwendung in Hochgeschwindigkeits‑Rechenzentren, KI, LiDAR, Quantentechnologien, IoT und 5G.

Silizium‑Photonik integriert lichtbasierte Komponenten auf einem Siliziumchip mittels der standardmäßigen CMOS‑Fertigung, um photonische integrierte Schaltungen (PICs) zu erzeugen. Sie nutzt Silizium‑on‑Insulator (SOI) Wafer als Halbleiterplattform, um Wellenleiter und andere Bauteile zu bilden, die Licht für schnellere, energieeffizientere Kommunikation und kleinere, kostengünstigere Geräte leiten.

“Da diese Technologie zunehmend zentral für kritische Infrastrukturen und unser tägliches Leben wird, ist dieser Fortschritt entscheidend, um sicherzustellen, dass Rechenzentren so effizient wie möglich sind.”

– Lipson

Wie Self‑Injection‑Locking Licht reinigt und vervielfacht

Was ist der leistungsstärkste Laser, der auf einen Chip gesetzt werden kann? Diese Frage führte die Forscher zu ihrem Durchbruch.

Das Columbia‑Team wählte eine Mehrmoden‑Laserdiode. Eine Laserdiode (LD) ist ein Halbleiterbauelement, das einfarbiges Licht bei einer bestimmten Wellenlänge erzeugt. Mehrmoden‑Laserdioden, auch Broad Area Lasers (BALs) genannt, liefern höhere Ausgangsleistungen und eignen sich, wenn hohe optische Leistung erforderlich ist und die Strahlqualität weniger kritisch ist.

Diese Geräte erzeugen einen breiteren Strahl, was die Strahlqualität reduziert, aber die Leistungsdichte erhöht. Mehrmoden‑Laserdioden werden in Anwendungen wie medizinischen Geräten, Druck‑ und Bildgebung sowie Laserschneidwerkzeugen breit eingesetzt.

Obwohl sie enorme Lichtmengen erzeugen, ist der Strahl dieser Laser „unordentlich“, was die Nutzung für präzise Anwendungen erschwert. 

Die Integration einer Mehrmoden‑Laserdiode in einen Silizium‑Photonik‑Chip, bei dem die Lichtwege nur wenige Mikrometer (μm) oder sogar Hunderte Nanometer (nm) breit sind, erfordert jedoch sorgfältige Konstruktion.

Um diese leistungsstarke, aber sehr rauschende Lichtquelle zu reinigen, nutzte das Team einen Sperrmechanismus.

Das Self‑Injection‑Locking wurde im nichtlinearen Regime eingesetzt, um hochleistungsfähige On‑Chip‑Kämme zu erzeugen und gleichzeitig die Kohärenz der Pumpquelle zu reinigen.

Injection‑Locking ist der Frequenzeffekt, der auftreten kann, wenn ein Oszillator durch einen zweiten Oszillator in der Nähe seiner Frequenz gestört wird. Wenn die Frequenzen nahe genug beieinander liegen und die Kopplung stark ist, kann der zweite Oszillator den ersten erfassen, sodass dieser praktisch dieselbe Frequenz wie der zweite Oszillator hat.

Diese Technik wird hauptsächlich bei kontinuierlich arbeitenden (CW) Einzelfrequenz‑Laserquellen angewendet, wenn eine hohe Ausgangsleistung erforderlich ist, kombiniert mit sehr geringem Intensitätsrauschen und Phasenrauschen.

Sie nutzt Silizium‑Photonik, um die Ausgangsleistung des Lasers umzugestalten und zu bereinigen, wodurch ein stabilerer und saubererer Strahl entsteht, der als hochkohärent bezeichnet wird. Sobald das Licht gereinigt ist, übernehmen die nichtlinearen optischen Eigenschaften des Chips, die den einzelnen leistungsstarken Strahl in Dutzende Farben aufspalten, die gleichmäßig verteilt sind – das ist das Schlüsselmerkmal eines Frequenzkamms.

Die daraus resultierende kompakte, hocheffiziente Lichtquelle kombiniert die Rohleistung eines Industrie‑Lasers mit der Stabilität und Präzision, die für fortschrittliche Kommunikation und Sensorik erforderlich sind.

Die niederkohärente Quelle wurde mit hoher Ausgangsleistung und Silizium‑Nitrid‑Ringresonatoren integriert. Die Resonatoren sind mit normaler Gruppengeschwindigkeitsdispersion ausgelegt, was bedeutet, dass die Geschwindigkeit abnimmt, wenn die optische Frequenz steigt. Dies tritt auf, wenn längere Lichtwellenlängen in einem Medium schneller reisen als kürzere, wodurch optische Pulse im Laufe der Zeit auseinanderlaufen.

Die vom Team erzeugten Mikrokämme erreichten Gesamteffekte von bis zu 158 mW auf dem Chip. Die Kamm‑Linien hatten gleichzeitig eine intrinsische Linienbreite von 200 kHz. Die Forscher zeigten zudem mehr als doppelt so viele Kamm‑Linien, die 100 μW überstiegen, und um eine Größenordnung höhere On‑Chip‑Leistungen als alle zuvor berichteten Ergebnisse.

Researchers said:

“Unsere neuartige elektrisch gepumpte Mikrokamm‑Quelle besitzt Größe, Leistung und Linienbreite, die für Datenkommunikation erforderlich sind, und könnte andere Bereiche wie Hochleistungs‑Computing und allgegenwärtige Geräte für spektrale Sensorik und Zeitmessungs‑Anwendungen stark beeinflussen.”

Der Durchbruch kommt zu einer Zeit, in der der KI‑Boom eine explosive Zunahme der Nachfrage nach Rechenzentrumskapazität verursacht. Dies belastet ihre Infrastruktur, die Schwierigkeiten hat, Informationen schnell zu übertragen. Infolgedessen bauen Unternehmen spezialisierte KI‑Infrastrukturen, um die enormen Rechenanforderungen für das Training und den Betrieb großer KI‑Modelle zu bewältigen.

Bereits werden Glasfaser‑Links von fortschrittlichen Rechenzentren zur Datenübertragung genutzt, doch selbst diese hängen von Einwellenlängen‑Lasern ab.

Durch das gleichzeitige Betreiben von Dutzenden Strahlen in einem einzigen Glasfaserkabel, anstatt eines einzelnen Strahls, der nur einen Datenstrom trägt, können Frequenzkämme die Fähigkeiten von Rechenzentren erheblich steigern.

Dieses Prinzip liegt auch WDM, der Wellenlängen‑Multiplexierung, zugrunde, eine faseroptische Technologie, die mehrere Datenströme gleichzeitig über ein einziges optisches Kabel sendet, indem jedem Strom eine einzigartige Lichtwellenlänge zugewiesen wird, was die Datenkapazität erheblich erhöht und höhere Bandbreiten ermöglicht. WDM trug in den späten 1990er‑Jahren dazu bei, das Internet zu einem globalen Hochgeschwindigkeits‑Netz zu machen.

Jetzt entwickelt das Team von Lipson hochleistungsfähige, mehrwellenlängige Kämme, die so klein sind, dass sie direkt auf einen Chip passen. Dieser Fortschritt wird es ermöglichen, diese Fähigkeit in jene Teile moderner Computersysteme zu integrieren, die kompakt und kostspielig sind.

Auf diese Weise können die Chips die Funktionsweise von Rechenzentren verändern, indem sie die Übertragung und Verarbeitung von Informationen optimieren, was das Design von nächsten‑Generation‑Rechenzentren und vielen anderen Geräten, die auf effiziente optische Kommunikation angewiesen sind, beeinflusst. Diese gleichen Chips könnten auch fortschrittliche LiDAR‑Systeme, kompakte Quanten‑geräte, extrem präzise optische Uhren und tragbare Spektrometer ermöglichen.

“Dabei geht es darum, Labor‑Qualitäts‑Lichtquellen in reale Geräte zu bringen. Wenn man sie leistungsstark, effizient und klein genug machen kann, kann man sie fast überall einsetzen.”

– Gil-Molina

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Investitionen in Lasertechnologie

Ein weltweit führendes Unternehmen in Photonik‑ und Lasertechnologien, Coherent Corp. (COHR ) produziert Halbleiter‑Laserdioden und Hochleistung‑Optikkomponenten.

Mit seinem Kerngeschäft, das sich um die Entwicklung und Herstellung photonikbasierter Lösungen dreht, die in der heutigen Ära fortschrittlicher Datenverarbeitung und Datenübertragung entscheidend sind, hat Coherent sich als dominierende Kraft in der optischen Kommunikationsbranche etabliert und hält einen starken Marktanteil.

Zu seinen Segmenten gehören Networking, das seine Verbundhalbleitertechnologie nutzt, um Komponenten und Teilsysteme zu liefern; Materials, das optoelektronische Geräte wie solche auf Basis von Siliziumkarbid (SiC), Galliumnitrat (GaSb), Galliumnitrid (GaAs), Indiumphosphid (InP), Zinkselenid (ZnSe) und Zinksulfid (ZnS) umfasst; und das Lasers‑Segment, das Industrie­kunden in den Bereichen Halbleiter, Präzisionsfertigung sowie Luft‑ und Raumfahrt & Verteidigung über seine Laser‑ und Optikprodukte bedient.

Coherent Corp. (COHR )

Mit seiner breiten Palette innovativer photonikbasierter Produkte kann Coherent seinen Kunden maßgeschneiderte End‑to‑End‑Lösungen anbieten und gleichzeitig den Skalierbarkeitsbedarf der KI‑Infrastruktur bedienen.

Der strategische Fokus auf den KI‑Markt positioniert Coherent als potenziellen Hauptprofiteur des anhaltenden KI‑Wachstums. Dies ist eine Ergänzung zur steigenden Nachfrage nach Hochleistungs‑Optikkomponenten. Gleichzeitig steht das Unternehmen jedoch vor Herausforderungen durch zunehmende Konkurrenz sowohl im KI‑ als auch im optischen Kommunikationssektor.

Was Coherents Marktperformance angeht, erlebt das Unternehmen derzeit einen Aufwärtstrend, ähnlich wie der breite Aktienmarkt. Bisher ist es in diesem Jahr um 29,16 % gestiegen, COHR‑Aktien werden derzeit zu 123,70 $ gehandelt – ein neues Allzeithoch (ATH), das die Marktkapitalisierung des Unternehmens auf 19,20 Milliarden $ setzt.

Im April fielen die COHR‑Aktien auf 50 $, als der Aktienmarkt eine Korrektur erlebte, und seitdem haben sich die Coherent‑Aktien um etwa 146 % erholt. Vor nur zwei Jahren wurden sie unter 30 $ gehandelt, was eine starke Erholung darstellt.

Damit erzielt das Unternehmen ein EPS (TTM) von -0,62 und ein KGV (TTM) von -198,72.

Bezüglich Coherents finanzieller Lage meldete das Unternehmen für das am 30. Juni 2025 endende vierte Quartal einen Rekordumsatz von 1,53 Milliarden $, die GAAP‑Bruttomarge betrug in diesem Zeitraum 35,7 % und der GAAP‑Nettoverlust lag bei 0,83 $ pro verwässerter Aktie, während die nicht‑GAAP‑Bruttomarge 38,1 % und das Nettoergebnis pro verwässerter Aktie 1,00 $ betrug.

Für das gesamte Geschäftsjahr 2025 war der Umsatz ebenfalls ein Rekord von 5,81 Milliarden $. Die GAAP‑Bruttomarge lag bei 35,2 % und der GAAP‑Nettoverlust bei 0,52 $ pro verwässerter Aktie, während die nicht‑GAAP‑Bruttomarge 37,9 % und das Nettoergebnis pro verwässerter Aktie 3,53 $ betrug.

According to CEO Jim Anderson:

“Wir haben ein starkes Geschäftsjahr 2025 mit einem Umsatzwachstum von 23 % und einer nicht‑GAAP‑EPS‑Steigerung von 191 % erzielt. Wir glauben, dass wir gut positioniert sind, um langfristig starkes Umsatz‑ und Gewinnwachstum zu erzielen, da wir von wichtigen Wachstumstreibern wie KI‑Rechenzentren profitieren.”

Im Laufe dieses Quartals begann das Unternehmen mit dem Versand seiner 1,6‑T‑Transceiver‑Produkte, die Hochleistungs‑KI‑Rechenzentrumsanwendungen ermöglichen. Ein neues Diamant‑SiC‑Verbundmaterial wurde ebenfalls für die fortschrittliche Kühlung dieser Rechenzentren eingeführt.

Außerdem erzielte Coherent erstmals Einnahmen aus dem Optical Circuit Switch (OCS) und stellte die Excimer‑Laserplattform vor, die für die Hochtemperatur‑Produktion von Supraleitertape für aufkommende Energietechnologien wie die Kernfusion aktualisiert wurde.

In den letzten Wochen hat Coherent mehrere neue Produkte vorgestellt, darunter eine komplette Serie von Quad‑Channel‑ICs, die effizientere und schnellere optische Transceiver für KI und Cloud ermöglichen, die erste QSFP28 Dual‑Laser‑100G‑ZR‑Lösung der Branche, um die Kapazität bestehender Glasfaserinfrastrukturen zu maximieren, sowie Hochleistungs‑400‑mW‑CW‑Laser, die den anspruchsvollen Anforderungen von Co‑Packaged‑Optik und Silizium‑Photonik‑Anwendungen gerecht werden.

Kürzlich demonstrierte Coherent seine nächste Generation von 2D‑VCSEL‑ und Fotodioden‑Arrays, um den steigenden Datenverkehrsanforderungen moderner Rechenzentren gerecht zu werden.

Vor einigen Wochen trat Coherent in Änderungen ein, die die Refinanzierung bestehender revolvierender Kreditverpflichtungen und die Erhöhung des Gesamtkreditrahmens auf 700 Millionen $ umfassen, im Rahmen seiner Kreditvereinbarung mit JPMorgan Chase Bank (JPM ) und anderen Kreditgebern, um die Liquidität und finanzielle Flexibilität des Unternehmens zur Unterstützung von Betrieb und Wachstum zu verbessern.

Fazit

Die Columbia University hat eine ingenieurtechnische Errungenschaft erzielt, die zeigt, wie unerwartete Momente in der Wissenschaft zu noch größeren und besseren Entdeckungen führen können, mit der Fähigkeit, ganze Fachgebiete neu zu definieren. Durch die Umwandlung eines einzelnen unordentlichen Strahls in Dutzende leistungsstarke, stabile Lichtkanäle hat das Team die Grundlagen für die nächste Generation optischer Systeme gelegt.

Von der Revolutionierung von LiDAR und der Verkleinerung von Quantengeräten bis hin zur Steigerung der Kapazität von KI‑gesteuerten Rechenzentren stellt diese Technologie einen bedeutenden Sprung in der Photonikintegration dar. Und während die Welt zu schnelleren, energieeffizienteren Kommunikationssystemen schreitet, könnten kompakte Frequenzkamm‑Chips die Grundlage zukünftiger Computer‑Infrastrukturen bilden.

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Referenzen

1. Gil-Molina, A., Antman, Y., Westreich, O., et al. (2025). Hochleistungs‑elektrisch gepumpte Mikrokämme. Nature Photonics, 19(10), 873–879. Veröffentlicht am 7. Oktober 2025. https://doi.org/10.1038/s41566-025-01769-z

Forscher der Columbia Engineering haben einen neuen Chip entwickelt, der einen Laser in ein „Frequenzkamm“ verwandeln kann und dabei gleichzeitig mehrere leistungsstarke Lichtkanäle erzeugt.

Durch die Nutzung eines speziellen Sperrmechanismus haben die Forscher das unruhige Laserlicht bereinigt und Labor‑Genauigkeit auf einem kleinen Siliziumgerät erreicht. Diese Errungenschaft kann die Effizienz von Rechenzentren erheblich verbessern und Innovationen in LiDAR, Sensorik und Quantentechnologie vorantreiben.

Mikrokämme verkleinern Laborpräzision auf einen Chip 

Die Forscher entwickelten das Hochleistungs‑Mikrokamm‑Gerät, um die LiDAR‑Technologie (Light Detection and Ranging) zu verbessern.

LiDAR ist eine Fernerkundungstechnologie, die gepulstes Laserlicht verwendet, um Entfernungen zu berechnen und hochauflösende 3D‑Modelle der Umgebung zu erstellen. Sie funktioniert wie Radar, nutzt jedoch Licht statt Schall.

Das System sendet Laserimpulse aus und misst deren Rückkehrzeit, um präzise Entfernungen zu Objekten zu bestimmen und Bewegungen in Echtzeit zu verfolgen.

Bestehend aus einem Laser, einem Scanner und einem spezialisierten GPS‑Empfänger erzeugt ein LiDAR-Instrument eine detaillierte ‘Punktwolke’ von Daten, die anschließend zur Erstellung von 3D‑Karten für Anwendungen wie autonomes Fahren, Umweltüberwachung, Vermessung und Archäologie verwendet wird.

Die Technologie wurde bereits in den 1960er‑Jahren erfunden und zunächst in der Meteorologie, Ozeanmessung und topografischen Kartierung eingesetzt, bevor ihre Nutzung von der NASA ins All ausgeweitet wurde. In den 2010er‑Jahren begannen kommerzielle Automobile, LiDAR zu nutzen, und seitdem ist Automotive‑LiDAR in hochwertigen Elektroautos sehr populär geworden.

Angesichts der wachsenden Anwendung von LiDAR arbeiten Forscher kontinuierlich an der Verbesserung der Technologie. Viele spannende Innovationen der Lasertechnologie werden mit fortschrittlicher Optik kombiniert, was weitere Miniaturisierung ermöglicht und vielversprechend für die langfristige Zukunft von LiDAR‑Systemen ist.

Der Fokus der Forscher der Columbia University School of Engineering and Applied Science lag darauf, eine Methode zu finden, um höhere Leistung und spektrale Reinheit aus kompakten Lasersystemen zu erschließen, um die chip‑skalierte Frequenzkamm‑Erzeugung zu ermöglichen, um Kommunikation, Sensorik, Spektroskopie, LiDAR und andere integrierte photonische Anwendungen zu verbessern.

So haben sie einen Mikrokamm entwickelt, ein miniaturisiertes photonisches Gerät, das eine Reihe gleichmäßig verteilter optischer Frequenzen erzeugt, ähnlich den Zähnen eines Kamms, auf einem Chip.

Diese integrierten miniaturisierten Frequenzkämme haben das Potenzial, die Größe komplexer Systeme, die traditionell für solche Anwendungen erforderlich sind, zu reduzieren. Daher sind integrierte Mikrokämme für zahlreiche Anwendungen vielversprechend, die hohe Ausgangsleistung, geringen Platzbedarf und hohe Effizienz erfordern, wie Spektroskopie, Sensorik und Datenkommunikation.

Kürzlich haben Forscher elektrisch gepumpte Mikrokämme demonstriert, indem sie Verstärkerchips (Halbleiter‑optische Elemente) mit erstklassigen Resonatoren integrierten. Ihre gesamte optische Leistung liegt jedoch immer noch weit unter dem, was praktische Lösungen benötigen.

Diese Einschränkung wurde von Columbia‑Forschern adressiert, die Hochleistungs‑elektrisch gepumpte Kerr‑Frequenz‑Mikrokämme demonstrierten. 

Von ‘Messy’ Dioden zu sauberen Mikrokämmen

Interessanterweise war dies eine zufällige Entdeckung. Vor einigen Jahren arbeiteten Forscher im Labor des Mitautors Michal Lipson, einem Eugene Higgins Professor für Elektrotechnik und Professor für Angewandte Physik, an einem Projekt zur Verbesserung der LiDAR‑Fähigkeiten, als sie etwas Unglaubliches bemerkten.

Sie entwickelten Hochleistungschips, die hellere Lichtstrahlen erzeugen konnten, und „als wir immer mehr Leistung durch den Chip schickten, bemerkten wir, dass er das erzeugt, was wir einen Frequenzkamm nennen“, sagte Andres Gil‑Molina, ein ehemaliger Post‑Doc‑Forscher im Labor von Lipson und derzeit Principal Engineer bei Xscape Photonics.

Ein Frequenzkamm ist ein Spektrum, das aus diskreten und regelmäßig abgestandenen spektralen Linien besteht. Das bedeutet, dass diese spezielle Lichtart verschiedene Farben enthält, die nebeneinander in geordneter Weise angeordnet sind, wie man es in einem Regenbogen sieht.

Hier strahlen Dutzende von Lichtfrequenzen. Doch die Lücken zwischen diesen verschiedenen Farben oder Frequenzen bleiben dunkel. Wenn man also diese unterschiedlichen hellen Frequenzen in einem Spektrogramm betrachtet, sehen sie aus wie Spitzen oder Zähne eines Kamms, daher der Name.

Da verschiedene Lichtfarben nicht miteinander interferieren, fungiert jeder Zahn als eigener Kanal, was eine unglaubliche Möglichkeit bietet, mehrere Datenströme gleichzeitig zu übertragen.

Obwohl äußerst vorteilhaft, erfordert die Erstellung eines leistungsstarken Frequenzkamms große und teure Laser sowie Verstärker. 

Veröffentlicht in Nature Photonics¹, beschreibt das Papier, wie dasselbe auf einem einzelnen Chip durchgeführt werden kann. 

“Die von uns entwickelte Technologie nimmt einen sehr leistungsstarken Laser und verwandelt ihn in Dutzende sauberer, hochleistungsfähiger Kanäle auf einem Chip. Das bedeutet, dass man Racks einzelner Laser durch ein kompaktes Gerät ersetzen kann, Kosten senkt, Platz spart und den Weg für viel schnellere, energieeffizientere Systeme öffnet.”

– Gil-Molina

Diese Forschung kann nicht nur die enorme Nachfrage von Rechenzentren nach leistungsstarken und effizienten Lichtquellen mit vielen Wellenlängen befriedigen, sondern markiert auch einen Meilenstein in der Mission des Teams, die Silizium‑Photonik voranzutreiben.

Silizium‑Photonik, bekannt dafür, deutlich schnellere Datenübertragungen zu ermöglichen, während sie weniger Energie verbraucht und weniger Wärme erzeugt als herkömmliche elektronische Schaltungen, findet Anwendung in Hochgeschwindigkeits‑Rechenzentren, KI, LiDAR, Quantentechnologien, IoT und 5G.

Silizium‑Photonik integriert lichtbasierte Komponenten auf einem Siliziumchip mittels der standardmäßigen CMOS‑Fertigung, um photonische integrierte Schaltungen (PICs) zu erzeugen. Sie nutzt Silizium‑on‑Insulator (SOI) Wafer als Halbleiterplattform, um Wellenleiter und andere Bauteile zu bilden, die Licht für schnellere, energieeffizientere Kommunikation und kleinere, kostengünstigere Geräte leiten.

“Da diese Technologie zunehmend zentral für kritische Infrastrukturen und unser tägliches Leben wird, ist dieser Fortschritt entscheidend, um sicherzustellen, dass Rechenzentren so effizient wie möglich sind.”

– Lipson

Wie Self‑Injection‑Locking Licht reinigt und vervielfacht

Was ist der leistungsstärkste Laser, der auf einen Chip gesetzt werden kann? Diese Frage führte die Forscher zu ihrem Durchbruch.

Das Columbia‑Team wählte eine Mehrmoden‑Laserdiode. Eine Laserdiode (LD) ist ein Halbleiterbauelement, das einfarbiges Licht bei einer bestimmten Wellenlänge erzeugt. Mehrmoden‑Laserdioden, auch Broad Area Lasers (BALs) genannt, liefern höhere Ausgangsleistungen und eignen sich, wenn hohe optische Leistung erforderlich ist und die Strahlqualität weniger kritisch ist.

Diese Geräte erzeugen einen breiteren Strahl, was die Strahlqualität reduziert, aber die Leistungsdichte erhöht. Mehrmoden‑Laserdioden werden in Anwendungen wie medizinischen Geräten, Druck‑ und Bildgebung sowie Laserschneidwerkzeugen breit eingesetzt.

Obwohl sie enorme Lichtmengen erzeugen, ist der Strahl dieser Laser „unordentlich“, was die Nutzung für präzise Anwendungen erschwert. 

Die Integration einer Mehrmoden‑Laserdiode in einen Silizium‑Photonik‑Chip, bei dem die Lichtwege nur wenige Mikrometer (μm) oder sogar Hunderte Nanometer (nm) breit sind, erfordert jedoch sorgfältige Konstruktion.

Um diese leistungsstarke, aber sehr rauschende Lichtquelle zu reinigen, nutzte das Team einen Sperrmechanismus.

Das Self‑Injection‑Locking wurde im nichtlinearen Regime eingesetzt, um hochleistungsfähige On‑Chip‑Kämme zu erzeugen und gleichzeitig die Kohärenz der Pumpquelle zu reinigen.

Injection‑Locking ist der Frequenzeffekt, der auftreten kann, wenn ein Oszillator durch einen zweiten Oszillator in der Nähe seiner Frequenz gestört wird. Wenn die Frequenzen nahe genug beieinander liegen und die Kopplung stark ist, kann der zweite Oszillator den ersten erfassen, sodass dieser praktisch dieselbe Frequenz wie der zweite Oszillator hat.

Diese Technik wird hauptsächlich bei kontinuierlich arbeitenden (CW) Einzelfrequenz‑Laserquellen angewendet, wenn eine hohe Ausgangsleistung erforderlich ist, kombiniert mit sehr geringem Intensitätsrauschen und Phasenrauschen.

Sie nutzt Silizium‑Photonik, um die Ausgangsleistung des Lasers umzugestalten und zu bereinigen, wodurch ein stabilerer und saubererer Strahl entsteht, der als hochkohärent bezeichnet wird. Sobald das Licht gereinigt ist, übernehmen die nichtlinearen optischen Eigenschaften des Chips, die den einzelnen leistungsstarken Strahl in Dutzende Farben aufspalten, die gleichmäßig verteilt sind – das ist das Schlüsselmerkmal eines Frequenzkamms.

Die daraus resultierende kompakte, hocheffiziente Lichtquelle kombiniert die Rohleistung eines Industrie‑Lasers mit der Stabilität und Präzision, die für fortschrittliche Kommunikation und Sensorik erforderlich sind.

Die niederkohärente Quelle wurde mit hoher Ausgangsleistung und Silizium‑Nitrid‑Ringresonatoren integriert. Die Resonatoren sind mit normaler Gruppengeschwindigkeitsdispersion ausgelegt, was bedeutet, dass die Geschwindigkeit abnimmt, wenn die optische Frequenz steigt. Dies tritt auf, wenn längere Lichtwellenlängen in einem Medium schneller reisen als kürzere, wodurch optische Pulse im Laufe der Zeit auseinanderlaufen.

Die vom Team erzeugten Mikrokämme erreichten Gesamteffekte von bis zu 158 mW auf dem Chip. Die Kamm‑Linien hatten gleichzeitig eine intrinsische Linienbreite von 200 kHz. Die Forscher zeigten zudem mehr als doppelt so viele Kamm‑Linien, die 100 μW überstiegen, und um eine Größenordnung höhere On‑Chip‑Leistungen als alle zuvor berichteten Ergebnisse.

Researchers said:

“Unsere neuartige elektrisch gepumpte Mikrokamm‑Quelle besitzt Größe, Leistung und Linienbreite, die für Datenkommunikation erforderlich sind, und könnte andere Bereiche wie Hochleistungs‑Computing und allgegenwärtige Geräte für spektrale Sensorik und Zeitmessungs‑Anwendungen stark beeinflussen.”

Der Durchbruch kommt zu einer Zeit, in der der KI‑Boom eine explosive Zunahme der Nachfrage nach Rechenzentrumskapazität verursacht. Dies belastet ihre Infrastruktur, die Schwierigkeiten hat, Informationen schnell zu übertragen. Infolgedessen bauen Unternehmen spezialisierte KI‑Infrastrukturen, um die enormen Rechenanforderungen für das Training und den Betrieb großer KI‑Modelle zu bewältigen.

Bereits werden Glasfaser‑Links von fortschrittlichen Rechenzentren zur Datenübertragung genutzt, doch selbst diese hängen von Einwellenlängen‑Lasern ab.

Durch das gleichzeitige Betreiben von Dutzenden Strahlen in einem einzigen Glasfaserkabel, anstatt eines einzelnen Strahls, der nur einen Datenstrom trägt, können Frequenzkämme die Fähigkeiten von Rechenzentren erheblich steigern.

Dieses Prinzip liegt auch WDM, der Wellenlängen‑Multiplexierung, zugrunde, eine faseroptische Technologie, die mehrere Datenströme gleichzeitig über ein einziges optisches Kabel sendet, indem jedem Strom eine einzigartige Lichtwellenlänge zugewiesen wird, was die Datenkapazität erheblich erhöht und höhere Bandbreiten ermöglicht. WDM trug in den späten 1990er‑Jahren dazu bei, das Internet zu einem globalen Hochgeschwindigkeits‑Netz zu machen.

Jetzt entwickelt das Team von Lipson hochleistungsfähige, mehrwellenlängige Kämme, die so klein sind, dass sie direkt auf einen Chip passen. Dieser Fortschritt wird es ermöglichen, diese Fähigkeit in jene Teile moderner Computersysteme zu integrieren, die kompakt und kostspielig sind.

Auf diese Weise können die Chips die Funktionsweise von Rechenzentren verändern, indem sie die Übertragung und Verarbeitung von Informationen optimieren, was das Design von nächsten‑Generation‑Rechenzentren und vielen anderen Geräten, die auf effiziente optische Kommunikation angewiesen sind, beeinflusst. Diese gleichen Chips könnten auch fortschrittliche LiDAR‑Systeme, kompakte Quanten‑geräte, extrem präzise optische Uhren und tragbare Spektrometer ermöglichen.

“Dabei geht es darum, Labor‑Qualitäts‑Lichtquellen in reale Geräte zu bringen. Wenn man sie leistungsstark, effizient und klein genug machen kann, kann man sie fast überall einsetzen.”

– Gil-Molina

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Investitionen in Lasertechnologie

Ein weltweit führendes Unternehmen in Photonik‑ und Lasertechnologien, Coherent Corp. (COHR ) produziert Halbleiter‑Laserdioden und Hochleistung‑Optikkomponenten.

Mit seinem Kerngeschäft, das sich um die Entwicklung und Herstellung photonikbasierter Lösungen dreht, die in der heutigen Ära fortschrittlicher Datenverarbeitung und Datenübertragung entscheidend sind, hat Coherent sich als dominierende Kraft in der optischen Kommunikationsbranche etabliert und hält einen starken Marktanteil.

Zu seinen Segmenten gehören Networking, das seine Verbundhalbleitertechnologie nutzt, um Komponenten und Teilsysteme zu liefern; Materials, das optoelektronische Geräte wie solche auf Basis von Siliziumkarbid (SiC), Galliumnitrat (GaSb), Galliumnitrid (GaAs), Indiumphosphid (InP), Zinkselenid (ZnSe) und Zinksulfid (ZnS) umfasst; und das Lasers‑Segment, das Industrie­kunden in den Bereichen Halbleiter, Präzisionsfertigung sowie Luft‑ und Raumfahrt & Verteidigung über seine Laser‑ und Optikprodukte bedient.

Coherent Corp. (COHR )

Mit seiner breiten Palette innovativer photonikbasierter Produkte kann Coherent seinen Kunden maßgeschneiderte End‑to‑End‑Lösungen anbieten und gleichzeitig den Skalierbarkeitsbedarf der KI‑Infrastruktur bedienen.

Der strategische Fokus auf den KI‑Markt positioniert Coherent als potenziellen Hauptprofiteur des anhaltenden KI‑Wachstums. Dies ist eine Ergänzung zur steigenden Nachfrage nach Hochleistungs‑Optikkomponenten. Gleichzeitig steht das Unternehmen jedoch vor Herausforderungen durch zunehmende Konkurrenz sowohl im KI‑ als auch im optischen Kommunikationssektor.

Was Coherents Marktperformance angeht, erlebt das Unternehmen derzeit einen Aufwärtstrend, ähnlich wie der breite Aktienmarkt. Bisher ist es in diesem Jahr um 29,16 % gestiegen, COHR‑Aktien werden derzeit zu 123,70 $ gehandelt – ein neues Allzeithoch (ATH), das die Marktkapitalisierung des Unternehmens auf 19,20 Milliarden $ setzt.

Im April fielen die COHR‑Aktien auf 50 $, als der Aktienmarkt eine Korrektur erlebte, und seitdem haben sich die Coherent‑Aktien um etwa 146 % erholt. Vor nur zwei Jahren wurden sie unter 30 $ gehandelt, was eine starke Erholung darstellt.

Damit erzielt das Unternehmen ein EPS (TTM) von -0,62 und ein KGV (TTM) von -198,72.

Bezüglich Coherents finanzieller Lage meldete das Unternehmen für das am 30. Juni 2025 endende vierte Quartal einen Rekordumsatz von 1,53 Milliarden $, die GAAP‑Bruttomarge betrug in diesem Zeitraum 35,7 % und der GAAP‑Nettoverlust lag bei 0,83 $ pro verwässerter Aktie, während die nicht‑GAAP‑Bruttomarge 38,1 % und das Nettoergebnis pro verwässerter Aktie 1,00 $ betrug.

Für das gesamte Geschäftsjahr 2025 war der Umsatz ebenfalls ein Rekord von 5,81 Milliarden $. Die GAAP‑Bruttomarge lag bei 35,2 % und der GAAP‑Nettoverlust bei 0,52 $ pro verwässerter Aktie, während die nicht‑GAAP‑Bruttomarge 37,9 % und das Nettoergebnis pro verwässerter Aktie 3,53 $ betrug.

According to CEO Jim Anderson:

“Wir haben ein starkes Geschäftsjahr 2025 mit einem Umsatzwachstum von 23 % und einer nicht‑GAAP‑EPS‑Steigerung von 191 % erzielt. Wir glauben, dass wir gut positioniert sind, um langfristig starkes Umsatz‑ und Gewinnwachstum zu erzielen, da wir von wichtigen Wachstumstreibern wie KI‑Rechenzentren profitieren.”

Im Laufe dieses Quartals begann das Unternehmen mit dem Versand seiner 1,6‑T‑Transceiver‑Produkte, die Hochleistungs‑KI‑Rechenzentrumsanwendungen ermöglichen. Ein neues Diamant‑SiC‑Verbundmaterial wurde ebenfalls für die fortschrittliche Kühlung dieser Rechenzentren eingeführt.

Außerdem erzielte Coherent erstmals Einnahmen aus dem Optical Circuit Switch (OCS) und stellte die Excimer‑Laserplattform vor, die für die Hochtemperatur‑Produktion von Supraleitertape für aufkommende Energietechnologien wie die Kernfusion aktualisiert wurde.

In den letzten Wochen hat Coherent mehrere neue Produkte vorgestellt, darunter eine komplette Serie von Quad‑Channel‑ICs, die effizientere und schnellere optische Transceiver für KI und Cloud ermöglichen, die erste QSFP28 Dual‑Laser‑100G‑ZR‑Lösung der Branche, um die Kapazität bestehender Glasfaserinfrastrukturen zu maximieren, sowie Hochleistungs‑400‑mW‑CW‑Laser, die den anspruchsvollen Anforderungen von Co‑Packaged‑Optik und Silizium‑Photonik‑Anwendungen gerecht werden.

Kürzlich demonstrierte Coherent seine nächste Generation von 2D‑VCSEL‑ und Fotodioden‑Arrays, um den steigenden Datenverkehrsanforderungen moderner Rechenzentren gerecht zu werden.

Vor einigen Wochen trat Coherent in Änderungen ein, die die Refinanzierung bestehender revolvierender Kreditverpflichtungen und die Erhöhung des Gesamtkreditrahmens auf 700 Millionen $ umfassen, im Rahmen seiner Kreditvereinbarung mit JPMorgan Chase Bank (JPM ) und anderen Kreditgebern, um die Liquidität und finanzielle Flexibilität des Unternehmens zur Unterstützung von Betrieb und Wachstum zu verbessern.

Fazit

Die Columbia University hat eine ingenieurtechnische Errungenschaft erzielt, die zeigt, wie unerwartete Momente in der Wissenschaft zu noch größeren und besseren Entdeckungen führen können, mit der Fähigkeit, ganze Fachgebiete neu zu definieren. Durch die Umwandlung eines einzelnen unordentlichen Strahls in Dutzende leistungsstarke, stabile Lichtkanäle hat das Team die Grundlagen für die nächste Generation optischer Systeme gelegt.

Von der Revolutionierung von LiDAR und der Verkleinerung von Quantengeräten bis hin zur Steigerung der Kapazität von KI‑gesteuerten Rechenzentren stellt diese Technologie einen bedeutenden Sprung in der Photonikintegration dar. Und während die Welt zu schnelleren, energieeffizienteren Kommunikationssystemen schreitet, könnten kompakte Frequenzkamm‑Chips die Grundlage zukünftiger Computer‑Infrastrukturen bilden.

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Referenzen

1. Gil-Molina, A., Antman, Y., Westreich, O., et al. (2025). Hochleistungs‑elektrisch gepumpte Mikrokämme. Nature Photonics, 19(10), 873–879. Veröffentlicht am 7. Oktober 2025. https://doi.org/10.1038/s41566-025-01769-z