Gaatjes die licht afremmen maken kleine Japanse chip voor glasvezel veel zuiniger
Japanse onderzoekers bouwden een onderdeel dat elektrische signalen omzet in licht, met piepkleine gaatjes die het licht afremmen. Het is 0,3 millimeter lang, werkt op lage spanning en verstuurt tot 200 gigabit per seconde. De volgende stap: minder licht verliezen onderweg.
In een AI-datacenter werken duizenden chips samen en sturen ze elkaar voortdurend gegevens. Over heel korte afstanden kan dat via koperdraad. Maar vanaf ongeveer een meter is glasvezel nodig, meldt de Yokohama National University: snelle elektrische signalen worden in koper snel zwakker en maken veel warmte. Licht in glasvezel heeft daar veel minder last van.
Om gegevens als licht te versturen, is een klein onderdeel nodig: een modulator. Het werkt als een razendsnelle lichtschakelaar. Fel licht is een 1, donker is een 0, en dat wisselt miljarden keren per seconde.
Onderzoekers van de Yokohama National University, het Institute of Science Tokyo, het Japanse onderzoeksinstituut AIST en het samenwerkingsverband PETRA hebben nu zo'n lichtschakelaar gebouwd die veel kleiner en zuiniger is dan de gangbare. Het werk werd geleid door Keisuke Kawahara, onder begeleiding van hoogleraar Toshihiko Baba. Het verscheen op 22 oktober 2026 in het vakblad Nature Communications.
Kleiner en zuiniger
De lichtschakelaars die nu in chips worden gebruikt, zijn 2 tot 4 millimeter lang. Dat klinkt klein, maar op een chip is het enorm: de onderdelen waarmee een moderne chip rekent, zijn tienduizenden keren kleiner. En voor de snelle verbindingen van de toekomst moeten er tientallen van die schakelaars naast elkaar op één chip passen. Gangbare schakelaars hebben bovendien een hoge spanning nodig, en extra hulpchips die het signaal versterken en opschonen. Die hulpchips kosten veel stroom.
De nieuwe lichtschakelaar is ongeveer een derde millimeter lang, zes tot twaalf keer korter. Hij verstuurt tot wel 200 gigabit per seconde, genoeg om elke seconde zo'n vijf films in hoge kwaliteit door te sturen. Volgens de universiteit kost dat de schakelaar zelf ongeveer honderd keer minder energie dan bij de gangbare schakelaars. De laser en de elektronica eromheen komen daar nog bij. De schakelaar werkt op de lage spanning die gewone chips zelf kunnen leveren, dus er zijn minder hulpchips nodig.
Zo maak je licht en donker
De laser brandt de hele tijd. De schakelaar splitst zijn licht in twee helften, die elk een eigen pad volgen en aan het eind weer samenkomen. Licht is een golf, met toppen en dalen. Komen beide helften precies gelijk aan, top op top, dan versterken ze elkaar: er komt fel licht uit, een 1. Loopt de ene helft precies een halve golf achter, dan valt elke top op een dal en doven ze elkaar uit: er komt geen licht uit, een 0. Een koptelefoon met ruisonderdrukking doet hetzelfde met geluid.
Om te schakelen moet de ene helft dus op commando een halve golf achter kunnen gaan lopen. Dat regelt een spanning op een van de twee paden: die maakt het silicium daar een fractie trager voor licht. Dat effect is heel zwak. Bij gewone schakelaars moet het pad daarom die 2 tot 4 millimeter lang zijn, zodat de achterstand zich over de hele lengte kan opbouwen tot die halve golf.
Het geheim: gaatjes die het licht afremmen
Het Japanse team bouwde die achterstand op een veel korter stuk op. Ze maakten een regelmatig patroon van piepkleine gaatjes in het silicium. Bij elk gaatje kaatst een klein beetje licht terug. Daardoor gaat het licht steeds een stukje heen en weer, en komt het vijf tot vijftien keer trager vooruit dan normaal.
Zo blijft het licht veel langer in het stukje waar de spanning op staat, en heeft de spanning veel meer tijd om het licht achter te laten lopen. Vergelijk het met lopen door een regenbui: wie langzaam loopt, wordt over dezelfde afstand veel natter dan wie rent. Daardoor is een derde millimeter genoeg om de halve golf achterstand te halen, waar eerst 2 tot 4 millimeter nodig was. En er is minder spanning nodig.
Schakelaars met zulke gaatjes bestonden al, maar ze waren te traag voor heel snelle signalen. Eerdere versies kwamen tot 64 gigabit per seconde. De onderzoekers bouwden er een slimme correctie in die elke snelle wisseling een extra zetje geeft. Zo haalt de nieuwe versie er 200.
Wat er nog moet gebeuren
Er gaat nog veel licht verloren in de schakelaar: van het licht dat erin gaat, komt 3 tot 7 procent er weer uit. In de proeven vulden de onderzoekers dat aan met een lichtversterker. Met een beter ontwerp verwachten ze dat verlies omlaag te krijgen. Ook moet de schakelaar nog worden getest in een complete verbinding.
Daarna willen de onderzoekers meerdere kleuren licht tegelijk door één schakelaar sturen, elk met een eigen datastroom. Met 16 tot 32 kleuren zou dat volgens hun berekening 3,2 tot 6,4 terabit per seconde opleveren.
De schakelaar is gemaakt met de technieken die de chipindustrie al gebruikt. Volgens Baba kan hij daardoor op grote schaal worden gemaakt, zonder nieuwe fabrieken. Hij ziet het onderdeel als bouwsteen voor lichtonderdelen die vlak naast de rekenchip worden ingebouwd. Dat idee wordt al in de praktijk getest: deze maand lieten drie bedrijven een werkend serverrek zien waarin AI-chips via licht met elkaar praten, met de lichtonderdelen direct naast de chip. Hoe dichter lichtonderdelen op de chip zitten, hoe belangrijker het wordt dat ze klein en zuinig zijn. Precies daar is de Japanse schakelaar op gemaakt.
Wat betekent dit voor de weg naar de singulariteit?
AI-systemen worden groter door steeds meer chips te laten samenwerken. Hoe meer chips, hoe meer gegevens er tussen die chips heen en weer moeten, en hoe meer stroom en ruimte de verbindingen kosten. Een lichtschakelaar van een derde millimeter die weinig stroom en weinig hulpchips nodig heeft, maakt het mogelijk om veel meer lichtverbindingen op één chip te zetten.
Er moet nog werk gebeuren: minder lichtverlies, en meer kleuren licht tegelijk. Maar het principe werkt, en het past in de fabrieken die er al zijn. Dat maakt de weg vrij naar zuinigere en snellere verbindingen in de datacenters waar de volgende generaties AI op gaan draaien.
