Chip-Scale-Frequenzkämme treiben die Datenzukunft voran

Forscher von Columbia Engineering haben einen neuen Chip entwickelt, der einen Laser in einen „Frequenzkamm“ umwandeln und gleichzeitig mehrere leistungsstarke Lichtkanäle erzeugen kann.

Durch die Verwendung eines speziellen Verriegelungsmechanismus reinigten die Forscher das unordentliche Laserlicht und erreichten auf einem kleinen Siliziumgerät eine Genauigkeit in LaborqualitätDiese Errungenschaft kann die Effizienz von Rechenzentren erheblich verbessern und Innovationen in den Bereichen LiDAR, Sensorik und Quantentechnologie vorantreiben.

Mikrokämme bringen Präzision in Laborqualität auf einen Chip 

Die Forscher haben das Hochleistungs-Mikrokammgerät entwickelt, um die LiDAR-Technologie (Light Detection and Ranging) zu verbessern.

LiDAR ist eine Fernerkundungstechnologie, die gepulstes Laserlicht nutzt, um Entfernungen zu berechnen und hochauflösende 3D-Modelle der Umgebung zu erstellen. Es funktioniert wie Radar, nutzt jedoch Licht anstelle von Schall.

Das System sendet Laserimpulse aus und misst die Zeit ihrer Rückkehr, um die genaue Entfernung zu Objekten zu messen und Bewegungen in Echtzeit zu verfolgen.

Bestehend aus einem Laser, einem Scanner und einem speziellen GPS-Empfänger, einem LiDAR Das Instrument generiert eine detaillierte „Punktwolke“ aus Daten, die dann 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, der Meeresforschung und der topografischen Kartierung eingesetzt, bevor die NASA ihre Anwendung auf den Weltraum ausweitete. In den 2010er Jahren wurde LiDAR erstmals in Nutzfahrzeugen eingesetzt, und seitdem erfreut sich LiDAR in der Automobilindustrie in hochwertigen Elektroautos großer Beliebtheit.

Angesichts der zunehmenden Anwendung von LiDAR arbeiten Forscher kontinuierlich an der Verbesserung der Technologie. Viele spannende Innovationen der Lasertechnologie werden mit fortschrittlicher Optik integriert, was eine weitere Miniaturisierung ermöglicht und vielversprechende Zukunftsaussichten für LiDAR-Systeme bietet.

Der Schwerpunkt der Forscher der Columbia University School of Engineering and Applied Science lag auf der Suche nach einer Möglichkeit, mit kompakten Lasersystemen eine höhere Leistung und spektrale Reinheit zu erzielen, um die Erzeugung von Frequenzkämmen im Chipmaßstab zu ermöglichen verbessern Kommunikation, Sensorik, Spektroskopie, LiDAR und andere integrierte photonische Anwendungen.

Sie haben also einen Mikrokamm entwickelt, ein photonisches Miniaturgerät, das eine Reihe gleichmäßig verteilter optischer Frequenzen erzeugt. wie die Zähne eines Kamms auf einem Chip.

Diese integrierten Miniatur-Frequenzkämme haben das Potenzial, die Größe komplexer Systeme zu reduzieren, die traditionell für solche Anwendungen erforderlich sind. Integrierte Mikrokämme sind daher vielversprechend für zahlreiche Anwendungen, die hohe Ausgangsleistung, geringer Platzbedarf und hohe Effizienz, beispielsweise in den Bereichen Spektroskopie, Sensorik und Datenkommunikation.

Kürzlich haben Forscher elektrisch gepumpte Mikrokämme durch die Integration von Verstärkungschips (optische Halbleiterelemente) mit erstklassigen Resonatoren demonstriert. Ihre optische Gesamtleistung ist jedoch immer noch viel geringer als für praktische Lösungen erforderlich.

Diese Einschränkung hat adressiert worden von Forschern der Columbia University, die hochleistungsfähige, elektrisch gepumpte Mikrokämme mit Kerr-Frequenz vorführten. 

Von „unordentlichen“ Dioden zu sauberen Mikrokämmen

Interessanterweise war dies eine zufällige Entdeckung. Vor einigen Jahren haben Forscher im Labor von Co-Autor Michal Lipson, einem Eugene Higgins, Professor für Elektrotechnik und Professor für angewandte Physik, arbeiteten an einem Projekt zur Verbesserung der LiDAR-Fähigkeiten wenn sie etwas Unglaubliches bemerkt.

Sie entwarfen Hochleistungschips, die hellere Lichtstrahlen erzeugen konnten, und „als wir immer mehr Leistung durch den Chip schickten, bemerkten wir, dass er etwas erzeugte, was wir einen Frequenzkamm nennen“, sagte Andres Gil-Molina, ein ehemaliger Postdoc-Forscher in Lipsons Labor und derzeit leitender Ingenieur bei Xscape Photonics.

Ein Frequenzkamm ist ein Spektrum aus diskreten und regelmäßig angeordneten Spektrallinien. Das bedeutet, dass diese spezielle Art von Licht verschiedene Farben enthält, die in geordneter Weise nebeneinander angeordnet sind, wie man es bei einem Regenbogen sieht.

Hier leuchten Dutzende von Lichtfrequenzen, doch die Lücken zwischen diesen verschiedenen Farben bzw. Frequenzen bleiben dunkel. Wenn man sich diese verschiedenen hellen Frequenzen auf einem Spektrogramm ansieht, sehen sie wie Spitzen aus oder Zähne auf einem Kamm, daher der Name.

Da sich die verschiedenen Lichtfarben nicht gegenseitig stören, fungiert jeder Zahn als eigener Kanal und bietet die unglaubliche Möglichkeit, mehrere Datenströme gleichzeitig zu senden.

Obwohl dies äußerst vorteilhaft ist, erfordert die Erzeugung eines leistungsstarken Frequenzkamms große und teure Laser und Verstärker. 

Veröffentlicht in Nature Photonics¹, das Papier beschreibt, wie das Gleiche kann getan werden auf einem einzigen Chip. 

„Die von uns entwickelte Technologie nutzt einen sehr leistungsstarken Laser und wandelt ihn in Dutzende sauberer Hochleistungskanäle auf einem Chip um. Das bedeutet, dass man Racks mit einzelnen Lasern durch ein kompaktes Gerät ersetzen kann. Das spart Kosten, Platz und ermöglicht deutlich schnellere und energieeffizientere Systeme.“

– Gil-Molina

Diese Forschung kann nicht nur die enorme Nachfrage der Rechenzentren nach leistungsstarken und effizienten Lichtquellen mit vielen Wellenlängen decken, sondern stellt auch einen Meilenstein in der Mission des Teams dar, die Siliziumphotonik voranzutreiben.

Bekannt für deutlich schnellere Datenübertragung und verbraucht dabei weniger Strom und erzeugt weniger Wärme als herkömmliche Neben elektronischen Schaltkreisen findet die Siliziumphotonik Anwendung in Hochgeschwindigkeits-Rechenzentren, KI, LiDAR, Quantentechnologien, IoT und 5G.

Silizium-Photonik integriert lichtbasierte Komponenten Mithilfe der Standard-CMOS-Herstellungsverfahren werden photonische integrierte Schaltkreise (PICs) auf einen Siliziumchip aufgebracht. Dabei werden Silicon-on-Insulator (SOI)-Wafer als Halbleiterplattform verwendet, um Wellenleiter und andere Komponenten zu bilden, die Licht leiten und so eine schnellere, energieeffizientere Kommunikation sowie kleinere, kostengünstigere Geräte ermöglichen.

„Da diese Technologie für kritische Infrastrukturen und unser tägliches Leben immer wichtiger wird, ist dieser Fortschritt von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass Rechenzentren so effizient wie möglich sind.“

– Lipson

Wie Self-Injection Locking Licht reinigt und vervielfacht

Welcher Laser ist der leistungsstärkste, der auf einem Chip untergebracht werden kann? Diese Frage führte die Forscher zum Durchbruch.

Das Columbia-Team entschied sich für eine Multimode-Laserdiode. Eine Laserdiode (LD) ist ein Halbleiterbauelement, das einfarbiges Licht mit einer bestimmten Wellenlänge erzeugt. Multimode-Laserdioden oder Breitflächenlaser (BALs) bieten höhere Ausgangsleistungen und eignen sich ideal, wenn hohe optische Leistung benötigt wird und die Strahlqualität weniger kritisch ist.

Diese Geräte erzeugen einen breiteren Strahl, was die Strahlqualität verringert erhöht aber die Leistungsdichte. Multimode-Laserdioden werden häufig in Anwendungen wie medizinische Geräte, Druck- und Bildgebungsgeräte sowie Laserschneidwerkzeuge. 

Obwohl diese Laser enorme Lichtmengen erzeugen, ist ihr Strahl „unordentlich“, was ihre Verwendung für präzise Anwendungen erschwert. 

Die Integration einer Multimode-Laserdiode in einen Silizium-Photonik-Chip, bei dem die Lichtwege nur so breit wie nur wenige Mikrometer (μm) oder sogar Hunderte von Nanometern (nm), aber, erfordert sorgfältige Konstruktion.

Um diese leistungsstarke, aber sehr laute Lichtquelle zu reinigen, verwendete das Team einen Verriegelungsmechanismus.

Die Selbstinjektionsverriegelung wurde im nichtlinearen Bereich eingesetzt, um hohe On-Chip-Leistungskämme zu erzeugen und die Kohärenz der Pumpquelle zu reinigen. gleichzeitig.

Injektionsverriegelung ist der Frequenzeffekt, der auftreten kann, wenn ein Oszillator durch einen zweiten Oszillator gestört wird, der mit einer ähnlichen Frequenz arbeitet. Wenn die Frequenzen nahe genug beieinander liegen und die Kopplung stark istkann der zweite Oszillator den ersten erfassen, wodurch er im Wesentlichen die gleiche Frequenz wie der zweite Oszillator hat.

Diese Technik wird vor allem bei Dauerstrich-Einfrequenz-Laserquellen angewendet, wenn eine hohe Ausgangsleistung erforderlich ist. Kombination mit einem Rauschen und Phasenrauschen mit sehr geringer Intensität.

Es basiert auf Silizium-Photonik, um die Leistung des Lasers, wodurch ein stabilerer und saubererer Strahl erzeugt wird, Was heisst hohe Kohärenz. Sobald das Licht gereinigt ist, übernehmen die nichtlinearen optischen Eigenschaften des Chips die Kontrolle und spalten den einzelnen starken Strahl in Dutzende von Farben auf, die sind gleichmäßig verteilt, was das Hauptmerkmal eines Frequenzkamms ist.

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

Die Niedrigkohärenzquelle wurde integriert mit hoher Ausgangsleistung und Siliziumnitrid-Ringresonatoren. Die Resonatoren sind entworfen mit normaler Gruppengeschwindigkeitsdispersion, was bedeutet, dass die Geschwindigkeit mit zunehmender optischer Frequenz abnimmt. Dieser tritt auf, wenn sich längere Lichtwellenlängen in einem Medium schneller ausbreiten als kürzere Wellenlängen, wodurch sich optische Impulse mit der Zeit ausbreiten.

Die vom Team entwickelten Mikrokämme erreichten auf dem Chip eine Gesamtleistung von bis zu 158 mW. Die Kammlinien hatten eine intrinsische Linienbreite von 200 kHz. Die Forscher auch zeigte mehr als die doppelte Anzahl an Kammlinien übertreffen 100 μW und eine Größenordnung höher On-Chip-Leistungspegel als alle bisher gemeldeten Ergebnisse.

Forscher sagten:

„Unsere neuartige elektrisch gepumpte Mikrokammquelle verfügt über die für die Datenkommunikation erforderliche Größe, Leistung und Linienbreite und könnte andere Bereiche wie Hochleistungsrechnen und allgegenwärtige Geräte für spektrale Sensor- und Zeitmessanwendungen stark beeinflussen.“ 

Der Durchbruch kommt zu einem Zeitpunkt, der KI-Boom führt zu einem explosionsartigen Anstieg der Nachfrage nach Rechenzentrumskapazitäten. Dieser Die Infrastruktur dieser Unternehmen wird stark belastet, da sie mit der schnellen Informationsübertragung zu kämpfen haben. Daher bauen Unternehmen eine KI-spezifische Infrastruktur auf, um den enormen Rechenaufwand für das Training und die Ausführung großer KI-Modelle zu bewältigen. 

Bereits Faser optische Verbindungen sind genutzt werden von modernen Rechenzentren zum Transport von Daten, aber selbst sie sind auf Einwellenlängenlaser angewiesen.

Durch Dutzende von Strahlen Laufen parallel durch gleiche Figure Durch die Verwendung einer einzelnen Faser anstelle eines Strahls, der nur einen Datenstrom überträgt, können Frequenzkämme die Leistungsfähigkeit von Rechenzentren erheblich steigern.

Dasselbe Prinzip steckte hinter WDM (Wellenlängenmultiplex). eine Glasfasertechnologie Das System sendet mehrere Datenströme gleichzeitig über eine einzige Glasfaser, indem jedem Strom eine einzigartige Lichtwellenlänge zugewiesen wird. Dadurch wird die Datenkapazität deutlich erhöht und ermöglicht eine höhere Bandbreite. WDM trug Ende der 1990er Jahre dazu bei, dass das Internet zu einem globalen Hochgeschwindigkeitsnetzwerk wurde.

Jetzt stellt Lipsons Team Hochleistungskämme mit mehreren Wellenlängen her, die so klein sind, dass sie direkt auf einen Chip passen. Diese Errungenschaft wird ermöglichen die Einführung diese Fähigkeit in diejenigen Teile moderner Computersysteme die kompakt und teuer sind.

Auf diese Weise können die Chips die Funktionsweise von Rechenzentren verändern, indem sie die Art und Weise der Informationsübertragung und -verarbeitung optimieren., beeinflussen die Entwicklung von Rechenzentren der nächsten Generation und vieler anderer Geräte, die auf effiziente optische Kommunikation angewiesen sind. Dieselben Chips könnten auch fortschrittliche LiDAR-Systeme, kompakte Quantengeräte, hochpräzise optische Uhren und tragbare Spektrometer ermöglichen.

„Hier geht es darum, Lichtquellen in Laborqualität in reale Geräte zu bringen. Wenn man sie leistungsstark, effizient und klein genug macht, kann man sie fast überall einsetzen.“

- Gil-Molina

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In Lasertechnologie investieren

Ein weltweit führendes Unternehmen im Bereich Photonik und Lasertechnologien, Kohärente Corp. (COHR ) produziert Halbleiterlaserdioden und optische Hochleistungskomponenten.

Coherent konzentriert sein Kerngeschäft auf die Entwicklung und Herstellung photonikbasierter Lösungen, die im heutigen Zeitalter fortschrittlicher Computer- und Datenübertragung von entscheidender Bedeutung sind. Das Unternehmen hat sich als dominierende Kraft in der optischen Kommunikationsbranche etabliert und verfügt über einen starken Marktanteil. 

Zu seinen Segmenten gehört der Bereich „Networking“, der seine Verbindungshalbleitertechnologie nutzt, um Komponenten und Subsysteme zu liefern. Zu den Materialien gehören optoelektronische Geräte wie jene auf Basis von Siliziumkarbid (SiC), Galliumantimonid (GaSb), Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP), Zinkselenid (ZnSe) und Zinksulfid (ZnS). Das Segment „Laser“ bedient mit seinen Laser- und Optikprodukten Industriekunden in den Bereichen Halbleiter, Präzisionsfertigung sowie Luft- und Raumfahrt und Verteidigung und anderen.

Kohärente Corp. (COHR )

Mit seiner breiten Palette innovativer photonikbasierter Produkte ist Coherent in der Lage, seinen Kunden maßgeschneiderte End-to-End-Lösungen anzubieten und gleichzeitig die Skalierbarkeitsanforderungen der KI-Infrastruktur zu erfüllen.

Durch seinen strategischen Fokus auf den KI-Markt ist Coherent ein potenzieller Hauptnutznießer des anhaltenden KI-Wachstums. Dieser ist eine Ergänzung zur steigenden Nachfrage nach optischen Hochleistungskomponenten. Gleichzeitig steht das Unternehmen jedoch vor Herausforderungen durch den zunehmenden Wettbewerb sowohl im KI- als auch im optischen Kommunikationssektor.

Wenn es um die Die Marktperformance von Coherent zeigt, dass das Unternehmen derzeit einen Aufwärtstrend erlebt. ähnlich wie der breite Aktienmarkt. Die COHR-Aktien sind in diesem Jahr bisher um 29.16 % gestiegen und werden zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels bei 123.70 US-Dollar gehandelt – ein neues Allzeithoch (ATH), das die Marktkapitalisierung des Unternehmens auf 19.20 Milliarden US-Dollar beziffert.

Im April waren die COHR-Aktien auf 50 Dollar gefallen, als der Aktienmarkt eine Korrektur erlebte, und seit Damals stiegen die Aktien von Coherent um rund 146 %. Und noch vor zwei Jahren lag der Kurs von COHR unter 30 US-Dollar, was einer starken Erholung gleichkommt.

Damit liefert das Unternehmen einen Gewinn pro Aktie (TTM) von -0.62 und ein KGV (TTM) von -198.72.

Was die Finanzlage von Coherent betrifft, so meldete das Unternehmen für das vierte Quartal, das am 30. Juni 2025 endete, einen Rekordumsatz von 1.53 Milliarden US-Dollar. Die GAAP-Bruttomarge während des Zeitraums lag bei 35.7 % und der GAAP-Nettoverlust bei 0.83 US-Dollar pro verwässerter Aktie, während auf Nicht-GAAP-Basis die Bruttomarge 38.1 % und der Nettogewinn pro verwässerter Aktie 1.00 US-Dollar betrug.

Für das gesamte Geschäftsjahr 2025 erreichte der Umsatz ebenfalls einen Rekordwert von 5.81 Milliarden US-Dollar. Die GAAP-Bruttomarge lag bei 35.2 % und der GAAP-Nettoverlust bei 0.52 US-Dollar pro verwässerter Aktie, während die Non-GAAP-Bruttomarge bei 37.9 % und der Nettogewinn pro verwässerter Aktie bei 3.53 US-Dollar lag.

Laut CEO Jim Anderson:

„Wir haben ein starkes Geschäftsjahr 2025 mit einem Umsatzwachstum von 23 % und einem Non-GAAP-EPS-Anstieg von 191 % erzielt. Wir sind überzeugt, dass wir angesichts unserer Präsenz in wichtigen Wachstumstreibern wie KI-Rechenzentren gut aufgestellt sind, um auch langfristig ein starkes Umsatz- und Gewinnwachstum zu erzielen.“

In diesem Quartal begann das Unternehmen mit der Auslieferung seiner 1.6-T-Transceiver-Produkte, die leistungsstarke KI-Rechenzentrumsanwendungen ermöglichen. Außerdem wurde ein neues Diamant-SiC-Verbundmaterial eingeführt für die fortschrittliche Kühlung dieser Rechenzentren.

Darüber hinaus erzielte Coherent seine ersten Umsätze mit Optical Circuit Switch (OCS) und führte die Excimer-Laser-Plattform ein das war schon aktualisiert zur Hochtemperaturproduktion von Supraleiterbändern für neue Energien Tech, wie Fusion. 

In den letzten Wochen hat Coherent mehrere neue Produkte herausgebracht, darunter eine ganze Reihe von Quad-Channel-ICs, die effizientere und schnellere optische Transceiver für KI und Cloud ermöglichen, die branchenweit erste QSFP28 Dual Laser 100G ZR-Lösung zur Maximierung der Kapazität der vorhandenen Glasfaserinfrastruktur und leistungsstarke 400-mW-Dauerstrichlaser, um die anspruchsvollen Anforderungen von Co-Packaged-Optik- und Siliziumphotonik-Anwendungen zu erfüllen.

Vor Kurzem hat Coherent seine 2D-VCSEL- und Photodioden-Arrays (PD) der nächsten Generation vorgestellt, um den steigenden Anforderungen an den Datenverkehr in modernen Rechenzentren gerecht zu werden.

Vor einigen Wochen hat Coherent Änderungen vorgenommen, die die Refinanzierung bestehender revolvierender Kreditzusagen und die Erhöhung der Gesamtfazilität auf 700 Millionen US-Dollar umfassen., zu seinem Kreditvertrag mit JPMorgan Chase Bank. (JPM ) und andere Kreditgeber, Verbesserung die Liquidität und finanzielle Flexibilität des Unternehmens zur Unterstützung des Betriebs und des Wachstums.

Fazit

Die Columbia University hat gemacht ein Ingenieur Leistung, zeigt wie unerwartete Momente in der Wissenschaft dazu führen können noch größer und besser Entdeckungen mit der capability ganze Felder neu zu definieren. Durch die Umwandlung eines einzelnen unordentlichen Strahls in Dutzende von leistungsstarken, stabilen Lichtkanälen, tDas Team hat den Grundstein für die nächste Generation optischer Systeme gelegt.

Von Revolutionierung von LiDAR und Verkleinerung von Quantengeräten Diese Technologie steigert die Kapazität von KI-gesteuerten Rechenzentren und stellt einen großen Fortschritt in der Photonik-Integration dar. Und während die Welt auf schnellere, energieeffizientere Kommunikationssysteme zusteuert, werden kompaktereFrequenzkammchips könnten die Grundlage der zukünftigen Computerinfrastruktur bilden.

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Referenzen

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

Forscher von Columbia Engineering haben einen neuen Chip entwickelt, der einen Laser in einen „Frequenzkamm“ umwandeln und gleichzeitig mehrere leistungsstarke Lichtkanäle erzeugen kann.

Durch die Verwendung eines speziellen Verriegelungsmechanismus reinigten die Forscher das unordentliche Laserlicht und erreichten auf einem kleinen Siliziumgerät eine Genauigkeit in LaborqualitätDiese Errungenschaft kann die Effizienz von Rechenzentren erheblich verbessern und Innovationen in den Bereichen LiDAR, Sensorik und Quantentechnologie vorantreiben.

Mikrokämme bringen Präzision in Laborqualität auf einen Chip 

Die Forscher haben das Hochleistungs-Mikrokammgerät entwickelt, um die LiDAR-Technologie (Light Detection and Ranging) zu verbessern.

LiDAR ist eine Fernerkundungstechnologie, die gepulstes Laserlicht nutzt, um Entfernungen zu berechnen und hochauflösende 3D-Modelle der Umgebung zu erstellen. Es funktioniert wie Radar, nutzt jedoch Licht anstelle von Schall.

Das System sendet Laserimpulse aus und misst die Zeit ihrer Rückkehr, um die genaue Entfernung zu Objekten zu messen und Bewegungen in Echtzeit zu verfolgen.

Bestehend aus einem Laser, einem Scanner und einem speziellen GPS-Empfänger, einem LiDAR Das Instrument generiert eine detaillierte „Punktwolke“ aus Daten, die dann 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, der Meeresforschung und der topografischen Kartierung eingesetzt, bevor die NASA ihre Anwendung auf den Weltraum ausweitete. In den 2010er Jahren wurde LiDAR erstmals in Nutzfahrzeugen eingesetzt, und seitdem erfreut sich LiDAR in der Automobilindustrie in hochwertigen Elektroautos großer Beliebtheit.

Angesichts der zunehmenden Anwendung von LiDAR arbeiten Forscher kontinuierlich an der Verbesserung der Technologie. Viele spannende Innovationen der Lasertechnologie werden mit fortschrittlicher Optik integriert, was eine weitere Miniaturisierung ermöglicht und vielversprechende Zukunftsaussichten für LiDAR-Systeme bietet.

Der Schwerpunkt der Forscher der Columbia University School of Engineering and Applied Science lag auf der Suche nach einer Möglichkeit, mit kompakten Lasersystemen eine höhere Leistung und spektrale Reinheit zu erzielen, um die Erzeugung von Frequenzkämmen im Chipmaßstab zu ermöglichen verbessern Kommunikation, Sensorik, Spektroskopie, LiDAR und andere integrierte photonische Anwendungen.

Sie haben also einen Mikrokamm entwickelt, ein photonisches Miniaturgerät, das eine Reihe gleichmäßig verteilter optischer Frequenzen erzeugt. wie die Zähne eines Kamms auf einem Chip.

Diese integrierten Miniatur-Frequenzkämme haben das Potenzial, die Größe komplexer Systeme zu reduzieren, die traditionell für solche Anwendungen erforderlich sind. Integrierte Mikrokämme sind daher vielversprechend für zahlreiche Anwendungen, die hohe Ausgangsleistung, geringer Platzbedarf und hohe Effizienz, beispielsweise in den Bereichen Spektroskopie, Sensorik und Datenkommunikation.

Kürzlich haben Forscher elektrisch gepumpte Mikrokämme durch die Integration von Verstärkungschips (optische Halbleiterelemente) mit erstklassigen Resonatoren demonstriert. Ihre optische Gesamtleistung ist jedoch immer noch viel geringer als für praktische Lösungen erforderlich.

Diese Einschränkung hat adressiert worden von Forschern der Columbia University, die hochleistungsfähige, elektrisch gepumpte Mikrokämme mit Kerr-Frequenz vorführten. 

Von „unordentlichen“ Dioden zu sauberen Mikrokämmen

Interessanterweise war dies eine zufällige Entdeckung. Vor einigen Jahren haben Forscher im Labor von Co-Autor Michal Lipson, einem Eugene Higgins, Professor für Elektrotechnik und Professor für angewandte Physik, arbeiteten an einem Projekt zur Verbesserung der LiDAR-Fähigkeiten wenn sie etwas Unglaubliches bemerkt.

Sie entwarfen Hochleistungschips, die hellere Lichtstrahlen erzeugen konnten, und „als wir immer mehr Leistung durch den Chip schickten, bemerkten wir, dass er etwas erzeugte, was wir einen Frequenzkamm nennen“, sagte Andres Gil-Molina, ein ehemaliger Postdoc-Forscher in Lipsons Labor und derzeit leitender Ingenieur bei Xscape Photonics.

Ein Frequenzkamm ist ein Spektrum aus diskreten und regelmäßig angeordneten Spektrallinien. Das bedeutet, dass diese spezielle Art von Licht verschiedene Farben enthält, die in geordneter Weise nebeneinander angeordnet sind, wie man es bei einem Regenbogen sieht.

Hier leuchten Dutzende von Lichtfrequenzen, doch die Lücken zwischen diesen verschiedenen Farben bzw. Frequenzen bleiben dunkel. Wenn man sich diese verschiedenen hellen Frequenzen auf einem Spektrogramm ansieht, sehen sie wie Spitzen aus oder Zähne auf einem Kamm, daher der Name.

Da sich die verschiedenen Lichtfarben nicht gegenseitig stören, fungiert jeder Zahn als eigener Kanal und bietet die unglaubliche Möglichkeit, mehrere Datenströme gleichzeitig zu senden.

Obwohl dies äußerst vorteilhaft ist, erfordert die Erzeugung eines leistungsstarken Frequenzkamms große und teure Laser und Verstärker. 

Veröffentlicht in Nature Photonics¹, das Papier beschreibt, wie das Gleiche kann getan werden auf einem einzigen Chip. 

„Die von uns entwickelte Technologie nutzt einen sehr leistungsstarken Laser und wandelt ihn in Dutzende sauberer Hochleistungskanäle auf einem Chip um. Das bedeutet, dass man Racks mit einzelnen Lasern durch ein kompaktes Gerät ersetzen kann. Das spart Kosten, Platz und ermöglicht deutlich schnellere und energieeffizientere Systeme.“

– Gil-Molina

Diese Forschung kann nicht nur die enorme Nachfrage der Rechenzentren nach leistungsstarken und effizienten Lichtquellen mit vielen Wellenlängen decken, sondern stellt auch einen Meilenstein in der Mission des Teams dar, die Siliziumphotonik voranzutreiben.

Bekannt für deutlich schnellere Datenübertragung und verbraucht dabei weniger Strom und erzeugt weniger Wärme als herkömmliche Neben elektronischen Schaltkreisen findet die Siliziumphotonik Anwendung in Hochgeschwindigkeits-Rechenzentren, KI, LiDAR, Quantentechnologien, IoT und 5G.

Silizium-Photonik integriert lichtbasierte Komponenten Mithilfe der Standard-CMOS-Herstellungsverfahren werden photonische integrierte Schaltkreise (PICs) auf einen Siliziumchip aufgebracht. Dabei werden Silicon-on-Insulator (SOI)-Wafer als Halbleiterplattform verwendet, um Wellenleiter und andere Komponenten zu bilden, die Licht leiten und so eine schnellere, energieeffizientere Kommunikation sowie kleinere, kostengünstigere Geräte ermöglichen.

„Da diese Technologie für kritische Infrastrukturen und unser tägliches Leben immer wichtiger wird, ist dieser Fortschritt von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass Rechenzentren so effizient wie möglich sind.“

– Lipson

Wie Self-Injection Locking Licht reinigt und vervielfacht

Welcher Laser ist der leistungsstärkste, der auf einem Chip untergebracht werden kann? Diese Frage führte die Forscher zum Durchbruch.

Das Columbia-Team entschied sich für eine Multimode-Laserdiode. Eine Laserdiode (LD) ist ein Halbleiterbauelement, das einfarbiges Licht mit einer bestimmten Wellenlänge erzeugt. Multimode-Laserdioden oder Breitflächenlaser (BALs) bieten höhere Ausgangsleistungen und eignen sich ideal, wenn hohe optische Leistung benötigt wird und die Strahlqualität weniger kritisch ist.

Diese Geräte erzeugen einen breiteren Strahl, was die Strahlqualität verringert erhöht aber die Leistungsdichte. Multimode-Laserdioden werden häufig in Anwendungen wie medizinische Geräte, Druck- und Bildgebungsgeräte sowie Laserschneidwerkzeuge. 

Obwohl diese Laser enorme Lichtmengen erzeugen, ist ihr Strahl „unordentlich“, was ihre Verwendung für präzise Anwendungen erschwert. 

Die Integration einer Multimode-Laserdiode in einen Silizium-Photonik-Chip, bei dem die Lichtwege nur so breit wie nur wenige Mikrometer (μm) oder sogar Hunderte von Nanometern (nm), aber, erfordert sorgfältige Konstruktion.

Um diese leistungsstarke, aber sehr laute Lichtquelle zu reinigen, verwendete das Team einen Verriegelungsmechanismus.

Die Selbstinjektionsverriegelung wurde im nichtlinearen Bereich eingesetzt, um hohe On-Chip-Leistungskämme zu erzeugen und die Kohärenz der Pumpquelle zu reinigen. gleichzeitig.

Injektionsverriegelung ist der Frequenzeffekt, der auftreten kann, wenn ein Oszillator durch einen zweiten Oszillator gestört wird, der mit einer ähnlichen Frequenz arbeitet. Wenn die Frequenzen nahe genug beieinander liegen und die Kopplung stark istkann der zweite Oszillator den ersten erfassen, wodurch er im Wesentlichen die gleiche Frequenz wie der zweite Oszillator hat.

Diese Technik wird vor allem bei Dauerstrich-Einfrequenz-Laserquellen angewendet, wenn eine hohe Ausgangsleistung erforderlich ist. Kombination mit einem Rauschen und Phasenrauschen mit sehr geringer Intensität.

Es basiert auf Silizium-Photonik, um die Leistung des Lasers, wodurch ein stabilerer und saubererer Strahl erzeugt wird, Was heisst hohe Kohärenz. Sobald das Licht gereinigt ist, übernehmen die nichtlinearen optischen Eigenschaften des Chips die Kontrolle und spalten den einzelnen starken Strahl in Dutzende von Farben auf, die sind gleichmäßig verteilt, was das Hauptmerkmal eines Frequenzkamms ist.

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

Die Niedrigkohärenzquelle wurde integriert mit hoher Ausgangsleistung und Siliziumnitrid-Ringresonatoren. Die Resonatoren sind entworfen mit normaler Gruppengeschwindigkeitsdispersion, was bedeutet, dass die Geschwindigkeit mit zunehmender optischer Frequenz abnimmt. Dieser tritt auf, wenn sich längere Lichtwellenlängen in einem Medium schneller ausbreiten als kürzere Wellenlängen, wodurch sich optische Impulse mit der Zeit ausbreiten.

Die vom Team entwickelten Mikrokämme erreichten auf dem Chip eine Gesamtleistung von bis zu 158 mW. Die Kammlinien hatten eine intrinsische Linienbreite von 200 kHz. Die Forscher auch zeigte mehr als die doppelte Anzahl an Kammlinien übertreffen 100 μW und eine Größenordnung höher On-Chip-Leistungspegel als alle bisher gemeldeten Ergebnisse.

Forscher sagten:

„Unsere neuartige elektrisch gepumpte Mikrokammquelle verfügt über die für die Datenkommunikation erforderliche Größe, Leistung und Linienbreite und könnte andere Bereiche wie Hochleistungsrechnen und allgegenwärtige Geräte für spektrale Sensor- und Zeitmessanwendungen stark beeinflussen.“ 

Der Durchbruch kommt zu einem Zeitpunkt, der KI-Boom führt zu einem explosionsartigen Anstieg der Nachfrage nach Rechenzentrumskapazitäten. Dieser Die Infrastruktur dieser Unternehmen wird stark belastet, da sie mit der schnellen Informationsübertragung zu kämpfen haben. Daher bauen Unternehmen eine KI-spezifische Infrastruktur auf, um den enormen Rechenaufwand für das Training und die Ausführung großer KI-Modelle zu bewältigen. 

Bereits Faser optische Verbindungen sind genutzt werden von modernen Rechenzentren zum Transport von Daten, aber selbst sie sind auf Einwellenlängenlaser angewiesen.

Durch Dutzende von Strahlen Laufen parallel durch gleiche Figure Durch die Verwendung einer einzelnen Faser anstelle eines Strahls, der nur einen Datenstrom überträgt, können Frequenzkämme die Leistungsfähigkeit von Rechenzentren erheblich steigern.

Dasselbe Prinzip steckte hinter WDM (Wellenlängenmultiplex). eine Glasfasertechnologie Das System sendet mehrere Datenströme gleichzeitig über eine einzige Glasfaser, indem jedem Strom eine einzigartige Lichtwellenlänge zugewiesen wird. Dadurch wird die Datenkapazität deutlich erhöht und ermöglicht eine höhere Bandbreite. WDM trug Ende der 1990er Jahre dazu bei, dass das Internet zu einem globalen Hochgeschwindigkeitsnetzwerk wurde.

Jetzt stellt Lipsons Team Hochleistungskämme mit mehreren Wellenlängen her, die so klein sind, dass sie direkt auf einen Chip passen. Diese Errungenschaft wird ermöglichen die Einführung diese Fähigkeit in diejenigen Teile moderner Computersysteme die kompakt und teuer sind.

Auf diese Weise können die Chips die Funktionsweise von Rechenzentren verändern, indem sie die Art und Weise der Informationsübertragung und -verarbeitung optimieren., beeinflussen die Entwicklung von Rechenzentren der nächsten Generation und vieler anderer Geräte, die auf effiziente optische Kommunikation angewiesen sind. Dieselben Chips könnten auch fortschrittliche LiDAR-Systeme, kompakte Quantengeräte, hochpräzise optische Uhren und tragbare Spektrometer ermöglichen.

„Hier geht es darum, Lichtquellen in Laborqualität in reale Geräte zu bringen. Wenn man sie leistungsstark, effizient und klein genug macht, kann man sie fast überall einsetzen.“

- Gil-Molina

Zum Scrollen wischen →

In Lasertechnologie investieren

Ein weltweit führendes Unternehmen im Bereich Photonik und Lasertechnologien, Kohärente Corp. (COHR ) produziert Halbleiterlaserdioden und optische Hochleistungskomponenten.

Coherent konzentriert sein Kerngeschäft auf die Entwicklung und Herstellung photonikbasierter Lösungen, die im heutigen Zeitalter fortschrittlicher Computer- und Datenübertragung von entscheidender Bedeutung sind. Das Unternehmen hat sich als dominierende Kraft in der optischen Kommunikationsbranche etabliert und verfügt über einen starken Marktanteil. 

Zu seinen Segmenten gehört der Bereich „Networking“, der seine Verbindungshalbleitertechnologie nutzt, um Komponenten und Subsysteme zu liefern. Zu den Materialien gehören optoelektronische Geräte wie jene auf Basis von Siliziumkarbid (SiC), Galliumantimonid (GaSb), Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP), Zinkselenid (ZnSe) und Zinksulfid (ZnS). Das Segment „Laser“ bedient mit seinen Laser- und Optikprodukten Industriekunden in den Bereichen Halbleiter, Präzisionsfertigung sowie Luft- und Raumfahrt und Verteidigung und anderen.

Kohärente Corp. (COHR )

Mit seiner breiten Palette innovativer photonikbasierter Produkte ist Coherent in der Lage, seinen Kunden maßgeschneiderte End-to-End-Lösungen anzubieten und gleichzeitig die Skalierbarkeitsanforderungen der KI-Infrastruktur zu erfüllen.

Durch seinen strategischen Fokus auf den KI-Markt ist Coherent ein potenzieller Hauptnutznießer des anhaltenden KI-Wachstums. Dieser ist eine Ergänzung zur steigenden Nachfrage nach optischen Hochleistungskomponenten. Gleichzeitig steht das Unternehmen jedoch vor Herausforderungen durch den zunehmenden Wettbewerb sowohl im KI- als auch im optischen Kommunikationssektor.

Wenn es um die Die Marktperformance von Coherent zeigt, dass das Unternehmen derzeit einen Aufwärtstrend erlebt. ähnlich wie der breite Aktienmarkt. Die COHR-Aktien sind in diesem Jahr bisher um 29.16 % gestiegen und werden zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels bei 123.70 US-Dollar gehandelt – ein neues Allzeithoch (ATH), das die Marktkapitalisierung des Unternehmens auf 19.20 Milliarden US-Dollar beziffert.

Im April waren die COHR-Aktien auf 50 Dollar gefallen, als der Aktienmarkt eine Korrektur erlebte, und seit Damals stiegen die Aktien von Coherent um rund 146 %. Und noch vor zwei Jahren lag der Kurs von COHR unter 30 US-Dollar, was einer starken Erholung gleichkommt.

Damit liefert das Unternehmen einen Gewinn pro Aktie (TTM) von -0.62 und ein KGV (TTM) von -198.72.

Was die Finanzlage von Coherent betrifft, so meldete das Unternehmen für das vierte Quartal, das am 30. Juni 2025 endete, einen Rekordumsatz von 1.53 Milliarden US-Dollar. Die GAAP-Bruttomarge während des Zeitraums lag bei 35.7 % und der GAAP-Nettoverlust bei 0.83 US-Dollar pro verwässerter Aktie, während auf Nicht-GAAP-Basis die Bruttomarge 38.1 % und der Nettogewinn pro verwässerter Aktie 1.00 US-Dollar betrug.

Für das gesamte Geschäftsjahr 2025 erreichte der Umsatz ebenfalls einen Rekordwert von 5.81 Milliarden US-Dollar. Die GAAP-Bruttomarge lag bei 35.2 % und der GAAP-Nettoverlust bei 0.52 US-Dollar pro verwässerter Aktie, während die Non-GAAP-Bruttomarge bei 37.9 % und der Nettogewinn pro verwässerter Aktie bei 3.53 US-Dollar lag.

Laut CEO Jim Anderson:

„Wir haben ein starkes Geschäftsjahr 2025 mit einem Umsatzwachstum von 23 % und einem Non-GAAP-EPS-Anstieg von 191 % erzielt. Wir sind überzeugt, dass wir angesichts unserer Präsenz in wichtigen Wachstumstreibern wie KI-Rechenzentren gut aufgestellt sind, um auch langfristig ein starkes Umsatz- und Gewinnwachstum zu erzielen.“

In diesem Quartal begann das Unternehmen mit der Auslieferung seiner 1.6-T-Transceiver-Produkte, die leistungsstarke KI-Rechenzentrumsanwendungen ermöglichen. Außerdem wurde ein neues Diamant-SiC-Verbundmaterial eingeführt für die fortschrittliche Kühlung dieser Rechenzentren.

Darüber hinaus erzielte Coherent seine ersten Umsätze mit Optical Circuit Switch (OCS) und führte die Excimer-Laser-Plattform ein, die war aktualisiert zur Hochtemperaturproduktion von Supraleiterbändern für neue Energien Tech, wie Fusion. 

In den letzten Wochen hat Coherent mehrere neue Produkte herausgebracht, darunter eine ganze Reihe von Quad-Channel-ICs, die effizientere und schnellere optische Transceiver für KI und Cloud ermöglichen, die branchenweit erste QSFP28 Dual Laser 100G ZR-Lösung zur Maximierung der Kapazität der vorhandenen Glasfaserinfrastruktur und leistungsstarke 400-mW-Dauerstrichlaser, um die anspruchsvollen Anforderungen von Co-Packaged-Optik- und Siliziumphotonik-Anwendungen zu erfüllen.

Vor Kurzem hat Coherent seine 2D-VCSEL- und Photodioden-Arrays (PD) der nächsten Generation vorgestellt, um den steigenden Anforderungen an den Datenverkehr in modernen Rechenzentren gerecht zu werden.

Vor einigen Wochen hat Coherent Änderungen vorgenommen, die die Refinanzierung bestehender revolvierender Kreditzusagen und die Erhöhung der Gesamtfazilität auf 700 Millionen US-Dollar umfassen., zu seinem Kreditvertrag mit JPMorgan Chase Bank. (JPM ) und andere Kreditgeber, Verbesserung die Liquidität und finanzielle Flexibilität des Unternehmens zur Unterstützung des Betriebs und des Wachstums.

Fazit

Die Columbia University hat gemacht ein Ingenieur Leistung, zeigt wie unerwartete Momente in der Wissenschaft dazu führen können noch größer und besser Entdeckungen mit der capability ganze Felder neu zu definieren. Durch die Umwandlung eines einzelnen unordentlichen Strahls in Dutzende von leistungsstarken, stabilen Lichtkanälen, tDas Team hat den Grundstein für die nächste Generation optischer Systeme gelegt.

Von Revolutionierung von LiDAR und Verkleinerung von Quantengeräten Diese Technologie steigert die Kapazität von KI-gesteuerten Rechenzentren und stellt einen großen Fortschritt in der Photonik-Integration dar. Und während die Welt auf schnellere, energieeffizientere Kommunikationssysteme zusteuert, werden kompaktereFrequenzkammchips könnten die Grundlage der zukünftigen Computerinfrastruktur bilden.

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Referenzen

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