Nieuws

Elektronica en fotonica op één chip Lichtverbinding nu in standaard chiptechnologie

Elektronica en licht gaan niet goed samen op een chip, in het standaard productieproces. Toch is promovendus Satadal Dutta van de Universiteit Twente erin geslaagd, een lichtverbinding te leggen in het hart van een chip. Bijvoorbeeld om twee circuits met elkaar te laten praten of om elektronica te koppelen aan fotonica.

Het mooie van Dutta’s werk is dat er geen bijzondere materialen of fabricageprocessen voor nodig zijn: hij haalt het licht uit silicium, zodat de lichtbron, de detector en het lichtgeleidend kanaal met dezelfde technologie zijn te maken als de elektronica. Volledig optische circuits zijn weliswaar in opkomst, maar die gebruiken materialen als indiumfosfide en galliumarsenide, die niet goed zijn te integreren in de standaard chipfabricage: de huidige techniek voor alle chips in bijvoorbeeld smartphones.

Lawine-LED

Het alternatief is dan: een LED van silicium maken. En dat is een probleem, want silicium zendt alleen een beetje infrarood licht uit, terwijl een lichtdetector van silicium juist zichtbaar licht nodig heeft. Er is dan geen verbinding te maken. Dutta kiest een opmerkelijke uitweg: de LED wordt ‘andersom’ aangesloten. Normaal loopt er dan geen stroom, maar maak je de spanning hoog genoeg, dan komt de LED in doorslag. Er gaat dan een stroompje lopen dat zichzelf versterkt tot een avalanche - lawine. Daarbij gaat de LED tóch zichtbaar licht uitzenden. In dezelfde technologie kun je dan ook een lichtdetector maken en een kanaal van lichtbron naar detector. Dankzij de speciale kamstructuur die Dutta heeft ontworpen, is de lichtbron ook nog eens uniformer en energiezuiniger geworden.


Gezien het Nederlandse weer, is de microscopische aanblik van licht uit silicium een goede vervanging voor het 's avonds aanschouwen van sterren.Satadal Dutta, proefschrift stelling 10

Scheiding

Een optische verbinding in een chip is van belang om twee circuits galvanisch van elkaar te scheiden. Het ene circuit werkt bijvoorbeeld met lage spanningen en stromen, het andere met hoge vermogens. Ze moeten wel met elkaar communiceren, maar het is niet veilig om dat via een elektrisch geleidende verbinding te doen. Een transformator is dan een optie, maar ook nu wordt al voor licht gekozen, via een losse ‘optocoupler’. Die neemt veel ruimte in beslag, bovendien halen de optocouplers geen hoge datasnelheid. Dan is Dutta’s nieuwe schakeling een veel compacter alternatief: het geheel is slechts enkele tientallen micrometers lang. Dit kanaal presteert qua energieverbruik weliswaar niet zo goed als de verbindingen in volledig optische circuits - het verstrooit relatief veel licht. Voordeel is wel dat je de omliggende elektronica zó  kunt ontwerpen dat je de informatie kunt verzenden met een minimum aan licht.

Boven- en zijaanzicht van de LED, de lichtdetector (PD) en het lichtgeleidende kanaal 

Werelden verbinden

Fotonica staat erg in de belangstelling als opvolger van elektronica. In de overgang naar circuits die alleen maar met licht werken - ‘fotonen in plaats van elektronen’ – zijn ook mengvormen denkbaar die gedeeltelijk optisch en gedeeltelijk elektronisch werken. Dutta’s vinding kan die beide werelden dan met elkaar verbinden.

Satadal Dutta (1990, Barrackpore, India) heeft zijn promotieonderzoek uitgevoerd in de groep Semiconductor Components van prof Jurriaan Schmitz, in samenwerking met de groep Integrated Circuit Design van prof. Bram Nauta. Dutta verdedigt zijn proefschrift Avalanche-mode silicon LEDs for monolithic optical coupling in CMOS technology’ op 8 november. Het onderzoek is financieel mogelijk gemaakt door Technologiestichting STW (nu NWO-TTW) en NXP Semiconductors.

Wiebe van der Veen
Persvoorlichter (aanwezig ma-vr)