Schon mal von Photonik gehört? Wahrscheinlich ist das vielen von uns kein Begriff. Dabei ist sie längst fester Bestandteil unsere Alltags. Prominentestens Beispiel ist die Glasfasertechnik. Die Übertragung von Daten über große Entfernungen mit Hilfe glasfaser-basierter Netze ist mittlerweile Standard. Ihr Vorteil ist nicht nur Schnelligkeit. Wer sich schon mal mit der Energieeffizienz verschiedener Arten der Datenübertragung beschäftigt hat weiß, dass Glasfaser hier gegenüber Mobilfunk die Nase vorn hat.
Auch in anderen Bereichen ist daher der Einsatz optischer Verfahren und Technologien vielversprechend, wie in Rechenzentren, in der Sensorik und in der Medizin- und Umwelttechnik. Damit könnte Photonik zu einem zentralen Treiber der „Green Transformation“ der digitalen Welt werden, sagt David de Felipe Mesquida, Senior Project Manager am Fraunhofer HHI. Vor allem in den besonders energieintensiven Bereichen der digitalen Infrastruktur seien damit erhebliche Einsparungen im zweistelligen Prozentbereich möglich.
Das Fraunhofer HHI entwickelt im Rahmen eines Projekts zusammen mit Oki Electric Industry Co., Ltd. (OKI), einem führenden japanischen Hersteller von Informations- und Telekommunikationsgeräten, verschiedene photonische Technologien. Damit wollen die Projektpartner die grüne Transformation vorantreiben. Geplant ist, ab 2027 die ersten gemeinsamen Produkte auf den Markt zu bringen.
Wir haben David de Felipe Mesquida, der das Projekt am Fraunhofer HHI leitet, gefragt, warum die Technologie im Vergleich zu anderen Verfahren so effizient ist, in welchen weiteren Bereichen sie schon heute einen festen Platz hat und wie genau sie die grüne Transformation voranbringt.
David de Felipe Mesquida, Senior Project Manager am Fraunhofer HHI und Projektmanager mit OKI. RESET: Worum geht es bei photonischen Technologien genau?
David de Felipe Mesquida: Photonische Technologien nutzen Licht statt Elektronen, um Informationen zu übertragen, zu messen oder zu verarbeiten. Neu sind vor allem hochintegrierte photonische Chips, sogenannte Photonische Integrierte Schaltkreise, die optische Funktionen auf engstem Raum ermöglichen – ähnlich wie elektronische Chips, nur eben mit Licht.
Worin unterscheidet sie sich von aktuell üblichen Verfahren?
Dadurch lassen sich Daten deutlich schneller und energieeffizienter übertragen, bestimmte Rechen- und Sensorsignale direkt optisch verarbeiten und selbst sehr feine Vibrationen oder biochemische Reaktionen präzise messen. Photonik ersetzt die Elektronik dabei nicht vollständig, sondern ergänzt sie überall dort, wo Licht klare physikalische Vorteile bietet.
Lässt sich Photonik in allen Informations- und Kommunikationstechnologien einsetzen?
Photonik ist nicht in allen Bereichen der Informations- und Kommunikationstechnologie notwendig, aber in einigen besonders kritischen Anwendungen bereits heute unverzichtbar. Dazu gehören leistungsfähige Telekommunikationsnetze – insbesondere Backbone- und Zugangsnetze –, Rechenzentren mit ihren optischen Transceivern, die Hochpräzisionssensorik sowie KI– und HPC-Infrastrukturen, in denen Bandbreite und Energieeffizienz entscheidende Faktoren sind. Elektronik bleibt weiterhin zentral für Logik und Speicher. Doch überall dort, wo extrem hohe Datenraten, hohe Sensitivität oder besondere Energieeffizienz gefordert sind, bietet Photonik klare Vorteile und ergänzt die elektronische Verarbeitung ideal.
Warum ist Photonik besonders energieeffizient?
Photonik ist besonders energieeffizient, weil Lichtsignale keine elektrischen Widerstandsverluste verursachen, eine optische Übertragung über große Strecken nahezu verlustfrei funktioniert und viele optische Bauteile Signale direkt verarbeiten können – ohne zusätzliche, energieintensive Umwandlungsschritte.
Und wie viel effizienter als herkömmliche Technologien ist sie? Was bedeutet das zum Beispiel für ein Rechenzentrum?
In Rechenzentren zeigt sich das vor allem bei optischen Transceivern, die Datenraten von über 400 Gigabyte in der Sekunde bei sehr geringem Stromverbrauch ermöglichen und laut Branchenabschätzungen 50 – 80 Prozent Energie gegenüber elektrischen Hochgeschwindigkeitsverbindungen einsparen können. Zusätzlich verbessern optische Sensoren die Betriebsüberwachung, reduzieren den Kühlaufwand und verringern Ausfallrisiken. Je nach Einsatzgebiet lassen sich so mehrere Megawattstunden Energie pro Jahr einsparen.
Werden für Photonik auch weniger oder andere Ressourcen eingesetzt?
Photonische integrierte Schaltkreise können deutlich kompakter gebaut werden, benötigen weniger Material und erzeugen weniger Kühlaufwand. In unserer Kooperation werden die Siliziumphotonik von OKI und die polymer‑ und siliziumnitridbasierten photonischen Technologien des Fraunhofer HHI kombiniert – ein Ansatz, der besonders kleine und ressourceneffiziente Bauteile ermöglicht. Daraus ergeben sich ökologische Vorteile wie ein geringerer Energieverbrauch in Transport, Sensorik und Datenkommunikation, ein reduzierter Bedarf an Kühlinfrastruktur sowie ein geringerer Einsatz seltener Metalle, da überwiegend Silizium und III‑V‑Halbleiter genutzt werden.
Lässt sich also sagen, dass die digitale Welt mit Photonik-Technologie insgesamt nachhaltiger werden könnte?
Ja, in vielen Bereichen. Besonders in der digitalen Infrastruktur kann Photonik ein zentraler Treiber der Green Transformation sein. In Netzwerken senkt sie den Energieverbrauch pro übertragenem Bit deutlich, in Rechenzentren steigert sie die Effizienz sowohl in der Datenkommunikation als auch in der Kühlung, und in der Sensorik ermöglicht sie eine präzisere Überwachung, die den Materialverschleiß reduziert. Auch in der Medizin- und Umwelttechnik sorgen optische Sensoren für ressourcenschonende Diagnostik.
Insgesamt sind je nach Anwendung Einsparungen im zweistelligen Prozentbereich möglich – vor allem in den besonders energieintensiven Bereichen der digitalen Infrastruktur.
Wie sieht eine grüne digitale Zukunft aus?
Elektroschrott, CO2-Emissionen durch KI, Wasserverbrauch von Rechenzentren – aktuell scheint die ungezügelte Digitalisierung nicht mit einem gesunden Planeten vereinbar. Doch es gibt viele Lösungen für eine ökologische und faire Digitalisierung – wir haben sie recherchiert:
Gibt es schon heute Bereiche, in denen Photonik einen festen Platz hat?
Photonik ist längst Teil unseres Alltags: Sie steckt in unseren Glasfasernetzen und 5G‑Backhaul‑Verbindungen, in den optischen Modulen moderner Rechenzentren für die Highspeed-Datenkommunikation zwischen Server und Switches, in Lidar-Systemen autonomer Fahrzeuge sowie in medizinischen Diagnosegeräten. Auch in der Industrie – etwa in der Laservibrometrie – sowie in Laser‑ und Spektroskopiesystemen ist sie fest etabliert. Die Technologie ist also keineswegs neu, erfährt aber durch integrierte photonische Chips derzeit eine grundlegende Weiterentwicklung, die viele Anwendungen noch kompakter, effizienter und leistungsfähiger macht.
Im Rahmen einer Kooperation mit OKI will das Fraunhofer HHI diese Weiterentwicklung vorantreiben. Welche konkreten Anwendungen sollen entwickelt werden?
Die Zusammenarbeit konzentriert sich auf mehrere Schlüsseltechnologien: ultrakompakte Laservibrometer, faseroptische Sensoren und hochsensitive optische Biosensoren sowie energieeffiziente optische Transceiver für Highspeed-Datenübertragung. Die gemeinsame Vision ist die Entwicklung integrierter Photonik‑Bauteile, die Sensorik und Kommunikation grundlegend neu definieren und deutlich leistungsfähiger, kleiner und effizienter machen.
Fraunhofer HHIs Wafer Technologien für photonisch integrierte Schaltkreise. Wann ist mit den ersten Produkten aus der Kooperation zu rechnen?
Ab 2027 sollen die ersten gemeinsamen Produkte auf den Markt kommen – darunter hochpräzise Vibrometer, optische Biosensoren und energieeffiziente optische Transceiver.
Stehen wir vor einem technologischen Durchbruch in der Photonik?
Ein technologischer Durchbruch ist möglich, weil die Siliziumphotonik von OKI und die polymer‑ und siliziumnitridbasierten photonischen Technologien des Fraunhofer HHI komplementär sind. Ihre Kombination – die sogenannte hybride Integration – eröffnet hohe Leistungsfähigkeit, starke Miniaturisierung und neue Anwendungsmöglichkeiten.
Gleichzeitig steigt die Nachfrage nach photonischen Lösungen in Kommunikation, Sensorik, KI‑Systemen und im Gesundheitswesen deutlich an, sodass integrierte optische Chips das Potenzial haben, neue Märkte und sogar Massenanwendungen zu erschließen.
Welche Herausforderungen stehen einer Massenproduktion der Technologie im Weg?
Die wichtigsten Herausforderungen liegen vor allem in der skalierbaren Massenfertigung, da photonische Chips komplexer zu produzieren sind als elektronische ICs, sowie in präzisen und reproduzierbaren Assembly‑ und Packaging‑Technologien. Sie spielen in der Optik eine zentrale Rolle und stellen zugleich ein besonderes Differenzierungsmerkmal der HHI‑Technologie dar.
Zudem müssen Produktion und Marktvolumen wachsen, um die Kosten zu senken. Genau diese Punkte adressiert die Kooperation, indem OKI Forschungsteams nach Berlin entsendet, um gemeinsam mit dem Fraunhofer HHI Fertigungs‑, Assembly‑ und Packagingprozesse weiterzuentwickeln und für die industrielle Skalierung vorzubereiten.
Vielen Dank für das Interview!
Dieser Artikel ist Teil des Dossiers „Digital und grün – Lösungen für eine nachhaltige Digitalisierung“, in dessen Rahmen wir Lösungen für eine ökologische und faire Digitalisierung vorstellen. Wir danken der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) für die Projektförderung!
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