UT-onderzoeker integreert siliciumled op chip voor fotonica

Een promovendus van de Universiteit Twente heeft een manier gevonden om een siliciumled te combineren met cmos-technologie. Daarmee is een lichtverbinding te creëren op chips, iets wat traditioneel problemen oplevert.

De methode die Satadal Dutta beschrijft in zijn promotieonderzoek, vergt geen bijzondere materialen of fabricagetechnieken, wat de kans vergroot dat het onderzoek in de praktijk voor fotonica in te zetten is. Fotonica heeft de potentie om snellere en zuinigere chips op te leveren, maar een obstakel is dat elektronica en licht lastig te combineren zijn. Optische circuits zijn vaak gebaseerd op materialen als indiumfosfide en galliumarsenide, beschrijft de Universiteit Twente, maar zijn hierdoor moeilijk te combineren met cmos-techniek.

Dutta omzeilt dit door een siliciumled te gebruiken en gebruik te maken van doorslagspanning om het lawine-effect teweeg te brengen. Hierdoor gaat de led zichtbaar licht uitzenden, waar siliciumleds normaliter alleen infrarood uitstralen. Het licht is naar een silicium fotodiode te leiden die het zo kan detecteren. Daarmee zijn de lichtbron, de detector en het lichtgeleidende kanaal op dezelfde technologie te maken als de elektronica.

De combinatie meet enkele tientallen micrometers en is weliswaar minder zuinig dan volledig optische verbindingen, maar dat weegt volgens de universiteit op tegen het kunnen combineren van de technieken en het kunnen maken van circuits die deels optisch, deels elektronisch werken.

Dutta beschrijft zijn methode in zijn proefschrift ‘Avalanche-mode silicon LEDs for monolithic optical coupling in CMOS technology’. Onder andere NXP ondersteunde hem bij het onderzoek.

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

Reacties (17)

[ExIT]

De wet van Moore bleek de afgelopen jaren onjuist. Bij een bepaalde “snelheid” gaat koper stralen (zoals een antenne, door het skinning effect).

De eerst volgende grote vooruitgang op het gebied van (computer)electronica zie ik dan ook pas gebeuren als we optische (lichtsnelheid)componenten kunnen maken.

Tussen chips optisch communiceren kan al. De uitdaging zit hem in de conversie van electronen naar fotonen en andersom als ik het goed begrijp. “Bulky” omzetters.

Het wordt dus pas echt spannend als men chips van binnen optisch kan laten werken, dan haal je de bottleneck weg en sla je de conversie over.

[Sissors]

We kunnen redelijk goed 80GHz op standaard chips maken*, volgens mij is skin effect niet echt significante beperking van de snelheid van bijvoorbeeld een processor. Elektriciteit gaat buiten chips nagenoeg met de lichtsnelheid, op een chip zelf wat trager in de praktijk, maar 'gelukkig' gaat ook licht trager door silicium / in het algemeen door golfgeleiders dan in een vacuum. Voor de snelheid van de signalen hoef je het echt niet te doen.

Optische transistoren kunnen gemaakt worden, maar die lopen echt gigantisch achter tov elektronische, en het huidige type is fundamenteel ongeschikt om er ooit een processor van te maken. Voor communicatie over grotere afstanden kan licht zinvol zijn, en ik kan dat al bijvoorbeeld bij klokdistributie op een chip zien, of direct een optische interface op je processor naar je geheugen. Maar echt compleet optisch gaan op een chip? Ik zie niet echt direct het nut daarvan.

* Oké, zitten wel wat mitsen en maren aan, en eenvoudig is het niet.

[Reactie gewijzigd door Sissors op 23 juli 2024 13:04]

[ExIT]

In 2012 en 2013 heb ik hier een viertal papers over gelezen. Om de wet van Moore overeind te houden zijn optische componenten nodig. Zie bronnen onderaan. Quote:

It’s not too hyperbolic to say that this [optic] advancement will single-handedly allow for the continuation of Moore’s law for the foreseeable future.

https://m.phys.org/news/2...ts-on-chip-detectors.html

https://www.extremetech.c...silicon-nanophotonic-chip

[afraca]

offtopic:
Enkel die quote stelt niet dat het een vereiste is, maar enkel een manier om Moore's wet in stand te houden. Maar wellicht dat de papers die je aanhaalt andere mogelijkheden uitsluit, ik ben helaas niet in staat nu om ze door te lezen

[karma4]

1/ De wet van Moore is geen natuurkundige wet maar een waarneming doe snel de eigen verbeteringen plaatsvonden in aantal componenten . Vervolgens is die waarneming als doel en als wet geponeerd.
Wat wil je zeggen met die van Moore bleek onjuist te zijn? Er zijn gewoon grenzen aan groei / krimp.
Daar heb je de natuurkundige wetten voor.
2/ Get probleem van elektrisch schakelen is niet de snelheid die is namelijk gewoon de lichtsnelheid. Het probleem is bijkomende natuurkundige effecten waardoor er warmte ontstaat. De toename van de warmte-ontwikkeling loopt even hard mee als de rest. Als fotonica groot wordt zal er ook vast iets zijn wat daarmee een beperking oplegt die je nu nog niet goed ziet.

[Verwijderd]

2/ Get probleem van elektrisch schakelen is niet de snelheid die is namelijk gewoon de lichtsnelheid.

Bijna goed. Je zit er een factor rond de 300 miljoen naast.

• De snelheid van elektriciteit door een goede geleider als koper is rond de 3.2 m/s.
• De snelheid van licht is 299.792.458 m / s

[Verwijderd]

Als je een elektron door een draad volgt wel, maar de snelheid van het signaal is gewoon iets van 85%c in slechte gevallen.

https://en.m.wikipedia.org/wiki/Speed_of_electricity

[sympa]

Sterker nog, als je de gemiddelde positie van electronen uit je stopcontact zou volgen komt dat amper van zijn plaats (met 50Hz wisselstroom).
Maar datis de gemiddelde snelheid. In een metaal kunnen elektronen vrij bewegen en dat doen ze dan ook (door de warmte, daarom zijn metalen goede warmtegeleiders).
Duidelijker uitleg vind je op https://en.wikipedia.org/wiki/Drift_velocity . Ze nemen als voorbeeld een draad van 2 mm diameter met 1 ampere en komen dan op 23 micrometer per seconde. Maar dat is het gemiddelde - een individueel electron kaatst met ongeveer 1570 km/s je geleider door. Zoals met moleculen in een gas: het kan windstil zijn, maar de luchtmoleculen bewegen altijd ongeveer even hard.

[karma4]

De snelheid van een elektron is niet relevant het gaat om de snelheid van het signaal. Die gaat volgens de elektro magnetische wetten. Het zijn golfsignalen waar licht een zelfde vorm van is.
Met die 3,2 m/s zou je het aanzetten van een grote zaal met lampen in een langzaam verloop zien 30 meter en je moet tot 10 tellen. Zie je dat dar niet klopt?

Je verward de signaaloverdracht met de fysieke verplaatsing van de deeltjes als gevolg van vermogenstransport.

[MacD]

Wat je zegt heeft niets te maken met de wet van Moore.

[Verwijderd]

Nu kunnen we optocouplers maken uit één die

[DutchWalnut]

Ik zou zweren dat je je zin niet had afgemaakt. Maar het blijkt een gebrek aan kennis te zijn.

[Wilglide]

Pfft, zie verengelsing ook altijd.. *daai anyone?

Ontopic: wat is het nut van het scheiden van 2 elektische circuits m.b.v. een optocoupler/opto-isolator? Nuttig voor glasvezel netwerken?

https://xkcd.com/903/

[guzzo]

Bijvoorbeeld voor het elektrisch scheiden van circuits. Ik heb ze in 2 situaties zien gebruiken:
1. Dure chip beschermen tegen onverwachte hoge spanning op aansluitingen. Was voor een apparaat dat geproduceerde circuits moest doormeten, en daar kan een onverwachte spanning op staan. Als dat zo is hoefden alleen de goedkopere componenten vervangen te worden.

2. Om het 1 ene circuit te isoleren van de rest. Bijvoorbeeld een analoog digitaal conververter die zijn eigen aarde heeft, maar wel met andere chips moet kunnen praten om de meting door te geven.

[Wilglide]

1. Ah ok das wel handig inderdaad voor zeer gevoelige chips inderdaad. Voor normale toepassingen kan je gewoon een capacitor gebruiken toch?

2. Cool. Het nut uit mijn vraag is dan dus wederom spanningsproblemen voor zijn toch? Dat lijkt me wel een stuk minder energie-efficient trouwens..

[rjmno1]

Het zou fantastisch zijn als ze dat voor elkaar krijgen. Zomaar een chip die op lichtsnelheid gaat.

[Jaco69]

Het zou fantastisch zijn als ze dat voor elkaar krijgen.

Hmm. De geslaagde grap "Nu kunnen we optocouplers maken uit één die" moet blijkbaar uitgelegd worden.