Zie Nieuws

Licht verbindt twee werelden op één chip UT ontwikkelt volledig integreerbare 'optokoppelaar'

Voor het eerst zijn onderzoekers van de Universiteit Twente erin geslaagd om een lichtverbinding te leggen tussen twee delen van een elektronica-chip. Dat is bijvoorbeeld nodig als het ene deel digitale signalen verwerkt en het andere werkt met grote vermogens of spanningen: het liefst voorkom je dan een elektrische verbinding tussen die delen. Een lichtverbinding is dan een oplossing, maar die is niet eenvoudig te realiseren. Dat is promovendus Vishal Agarwal nu wél gelukt. Zijn zeer compacte optokoppelaar haalt al een snelheid van enkele Megabits per seconde bij minimaal energieverbruik. Agarwal promoveert op 16 januari aan de Universiteit Twente.

Een lichtverbinding is in staat een ‘galvanische scheiding’ aan te brengen op een chip: twee heel verschillende werelden kunnen wel met elkaar communiceren, maar er is geen elektrische verbinding. Zo wordt bijvoorbeeld voorkomen dat een hoogvermogen gedeelte van een chip ongewenste effecten heeft op de digitale aansturing, op diezelfde chip. Dit speelt bijvoorbeeld in chips voor de auto-industrie, in medische toepassingen en in ‘smart power’ elektronica. Een lichtverbinding leg je met een ‘optocoupler’. Dat zijn tot nu toe losse, vrij grote componenten. De nu ontwikkelde optocoupler is mee te integreren met de elektronica, neemt niet meer dan 0,008 vierkante millimeter in beslag en verbruikt weinig energie.


Verkeerd-om aansluiten

Een lichtbron en een lichtbron mee-integreren met de elektronica op een chip, is allesbehalve vanzelfsprekend. Vaak zijn er speciale materialen voor nodig die niet passen in het standaard-‘CMOS’-proces. Silicium is van zichzelf niet zo’n goede lichtbron. Een LED op een chip zou infrarood licht uitzenden met een lage efficiëntie, terwijl lichtdetectie in silicium ook matig werkt: allesbehalve een goede basis voor een werkende verbinding. Eerder liet UT-promovendus Satadal Dutta al zien dat je betere resultaten boekt door de LED ‘verkeerd om’ aan te sluiten. Dan treedt het ‘lawine-effect’ op, waarbij wél zichtbaar licht vrijkomt. Op een vergelijkbare manier is ook een lichtdetector te maken waarbij een lawine van elektronen optreedt als er een of enkele fotonen op vallen.

Slim ontwerp

Het principe werkt, maar dan is het nog de kunst om de LED en de detector zó aan te sturen dat ze in het goede gebied werken: je moet er slimme elektronica omheen bouwen. Welke hoeveelheid licht heb je nodig voor een efficiënte verbinding, bij welke spanning werkt de combinatie van een Avalanche Mode LED (AMLED) en een Single Photon Avalanche Diode (SPAD) het best, en hoe plaats je ze het best op de chip? Agarwal heeft een ontwerp gemaakt dat nu een bitrate van 1 Megabit/sec levert bij een minimaal energieverbruik. Dit zijn voor de toepassingen al mooie specificaties, Agarwal verwacht dat de snelheid nog wel een factor tien omhoog kan.

Het onderzoek is uitgevoerd in twee Electrical Engineering groepen: Integrated Circuit Design (Digital Society Institute) van Bram Nauta en Integrated Devices and Systems (MESA+ Institute) van Jurriaan Schmitz. Dankzij deze samenwerking is de fysica van de nieuwe optocoupler optimaal gekoppeld aan de ontwerpvraagstukken.

Vishal Agarwal (1988, Chaibasa, India) is op 16 januari gepromoveerd op zijn proefschrift ‘Optocoupling in CMOS’

ir. W.R. van der Veen (Wiebe)
Persvoorlichter (aanwezig ma-vr)