TU/e meldt fotonicadoorbraak voor laser op basis van silicium

Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven zijn erin geslaagd om silicium licht te laten uitzenden. Ze hopen op korte termijn een laser op basis van silicium te ontwikkelen, wat een grote doorbraak voor de ontwikkeling van fotonische chips zou zijn.

Met de vinding is een belangrijk obstakel voor de grootschalige toepassing van fotonische chips weggenomen. Die chips moeten snellere en zuinigere datacommunicatie mogelijk maken. Fotonen zijn in theorie veel geschikter om signalen over te brengen dan elektronen omdat ze geen lading en geen massa hebben, bijna geen warmte produceren en ook niet met weerstand te maken hebben, zoals elektronen in halfgeleidermateriaal. De verwachting is dat fotonische chips gebruikt kunnen worden in onder andere datacenters, lidars voor zelfrijdende auto's en chemische sensoren voor medische diagnose of voor het meten van de lucht- en voedselkwaliteit.

Eindhoven is al vergevorderd met onderzoek naar fotonische chips, maar is gespecialiseerd in het gebruik van indiumfosfide als materiaal. Het voordeel van indiumfosfide is dat er actieve componenten zoals lasers mee te maken zijn, maar er zijn ook nadelen, vertelt Alain Dijkstra, lid van het onderzoeksteam van de TU/e. "Indiumfosfide is ontzettend geschikt om dingen op chipniveau optisch te doen, maar het is niet goed om direct op silicium te zetten. Daar zijn wel ideeën over, maar het is niet efficiënt. Je wilt graag de elektrisch goede eigenschappen van silicium behouden."

Fotonica-onderzoekers willen daarnaast graag silicium gebruiken omdat de hele bestaande halfgeleidermarkt daarop geoptimaliseerd is: als het mogelijk blijkt de bestaande infrastructuur te gebruiken voor fotonische chips, zou dat grootschalige productie een stuk makkelijker maken. Het ontbrak tot nu toe echter aan een lichtbron: lasers konden bij fotonica op basis van silicium niet geïntegreerd worden in chips, maar moesten extern aangekoppeld worden, met nadelen wat betreft efficiëntie en kosten van dien. Bij een lichtbron op basis van silicium zou integratie wel mogelijk zijn.

De onderzoekers uit Eindhoven baseerden hun werk op een vijftig jaar oude theorie. Die stelt dat silicium met germanium in een zeshoekige kristalstructuur wel licht kan uitstralen. Dijkstra: "De vraag was hoe we dat materiaal echt konden maken. Berekeningen voor de eigenschappen van materiaal zijn erg complex. Als we de atomen net iets anders stapelen, hoe pakt dat dan uit?"

Nanodraden met een zeshoekige schil van silicium en germanium

In 2015 slaagden de onderzoekers er in om zeshoekig silicium te maken door eerst nanodraden te laten groeien van een ander materiaal, met een hexagonale kristalstructuur en vervolgens een silicium-germaniumschil op dit sjabloon te laten groeien. De vinding gaf echter nog geen licht. Dat is nu wel gelukt, door onzuiverheden en kristalgebreken te verminderen. "Onze experimenten toonden aan dat het materiaal de juiste structuur heeft, en dat het vrij is van defecten. Het straalt zeer efficiënt licht uit", aldus Dijkstra. Volgens hem was het doel om dit jaar nog een laser op basis van silicium te maken, maar gooit de coronacrisis mogelijk roet in het eten.

De onderzoeker stelt dat fotonica op basis van indiumfosfide nog steeds een grote rol kan spelen in de toekomst. "Dat is een veel verder ontwikkeld platform. We staan met silicium als lichtbron wat dat betreft nog in de kinderschoenen." Met een siliciumlaser verwacht het onderzoeksteam wel 'de vooruitzichten voor optische communicatie op de chip en betaalbare chemische sensoren op basis van spectroscopie open te breken'.

De onderzoekers publiceren hun werk woensdag onder de titel Direct Bandgap Emission from Hexagonal Ge and SiGe Alloys in het wetenschappelijke tijdschrift Nature. Meer over fotonica lees je in het achtergrondartikel Geïntegreerde fotonica, Nederland brengt chips verlichting.

Een Metal Organic Vapor Phase Epitaxy-machine werd gebruikt om de nanodraden met een zeshoekige siliciumgermaniumschil te laten groeien

Reacties (25)

[ocf81]

En nu de hamvraag: op welke golflengte? Moeten we nu de bestaande infra gaan aanpassen of kan er licht worden gegenereerd die bij de huidige glasvezels ook goed werkt?

[RoyBijster]

Grofweg tussen de 1500 nm en 4000 nm volgens figuur 5.a van de preprint: https://arxiv.org/pdf/1911.00726.pdf
Dit zijn wel typische golflengtes voor optische communicatie (1550 nm).

Roy

[ocf81]

Het is wel aan de lange kant van het spectrum. Dat is natuurlijk leuk voor site-to-site, maar in een DC zelf zijn de golflengtes korter denk ik.

[RoyBijster]

1550 nm is naar mijn weten veruit de meest gebruikte golflengte voor optische communicatie, omdat je daarbij de laagste demping hebt. Lasers voor 1550 nm zijn nu nog vrij duur, maar wellicht dat dit hier verandering in kan gaan brengen.
Zie bijvoorbeeld plaatje in deze post: https://www.ad-net.com.tw...types-values-and-sources/

[Rhidios]

1530-1565 nm (C-band) is wat er het meest gebruikt wordt in telco, maar voor sommige toepassingen wordt idd ook 1310 nm gebruikt (O-band).

[Reactie gewijzigd door Rhidios op 31 juli 2024 06:22]

[DavidAxe]

Dit artikel gaat toch over het gebruik van licht binnen een chip, ipv het gebruik van elektronen?
Dus niet als transportmiddel van data over langere afstanden

[ocf81]

Ja, en at is in eerste instantie vooral interessant bij netwerken in apparatuur als switches etc. Het omzetten van elektrisch naar licht en vice versa kost relatief veel tijd, als ik het goed begrepen heb.

[Reactie gewijzigd door ocf81 op 31 juli 2024 06:22]

[Aekaz]

De facto wordt een chip met een on-chip laser gebruikt om data te transporteren. De snelheidswinsten binnen een chip zijn marginaal. Dit ga je voornamelijk zien over langere afstanden (snelheid elektronen vs lichtsnelheid). Ook throughput gaat omhoog doordat je meerdere golflengten tegelijkertijd door een glasvezel kunt sturen, in tegenstelling tot een koperen kabel.

[_Silencer]

Waarom zou je geen spectrum van golflengtes of frequenties over een koperdraad kunnen sturen? Neem een coax als voorbeeld, op bepaalde golflengtes zitten de analoge tv op andere je internet data, etc...

Elk medium zal een bepaalde onder en bovengrens stellen wat er in goede mate door geraakt, maar je kan altijd meerdere frequenties er door jagen... of het nu koper, glaskabel of lucht is in het geval van een radiogolf.

[Jaco69]

Werken de huidige glasvezels niet voor licht op elke golflengte?

[somososan]

De hele glas infrastructuur neemt meer in dan enkel wat kabels. Je hebt ook mixers ( voor wavelength-division multiplexing), amplifiers, filters, etc.

[Jaco69]

Filters?

[somososan]

Met ring oscilatoren https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_ring_resonators kun je heel scherpe filters maken. Dit word heel veel gebruikt in de WDM die ik aanhaalde.

[g0tanks]

Glasvezel werkt het beste bij een specifieke golflengte waarbij een balans wordt gezocht tussen het minimaliseren van verliezen (door verstrooiing en absorptie) en ruis. Daardoor wordt er typisch gewerkt met infrarood.

[tweegroenethee]

"Onze experimenten toonden aan dat het materiaal de juiste structuur heeft, en dat het vrij is van defecten. Het straalt zeer efficiënt licht uit"

Zou dit (op lang termijn) LEDs kunnen vervangen?

[Fordox]

Geschreven als een elektrotechneut die zich niet verdiept heeft in deze exacte stof:
Nee. Ik neem aan dat het hier gaat over golflengtes die meer geschikt zijn voor informatie signalen dan optisch licht. Ook de hoeveelheid lichtopbrengst zal een stuk lager zijn.
Daarnaast zijn de huidige leds dusdanig doorontwikkeld dat ze geen alternatief nodig hebben. De huidige leds zijn al zeer efficient en goedkoop te produceren.
Volgens mij is het laatste doel van deze silicium lasers om een hoog lichtopbrengst RGB led te maken.

[cold_as_ijs]

licht voor informatie signalen en optisch licht?
denk dat je bedoelt zichtbaar licht.
Wat ik zo snel kan vinden verwachten zit de bandgap voor SiGe tussen 0.3-0.7 eV. Dat komt overeen met een golflengte van 4000-1500 nm. Dat zit dus in het infrarode spectrum. Een snelle google zoektocht leert dat glasvezel communicatie ook rond de 1500 nm gebruikt.

[DeKaerften]

Beetje afhankelijk van de toepassing gebruikt glasvezel communicatie 850nm (hele korte afstanden, paar honderd meter) tot 1625nm (lange afstanden, honderden kilometers).

[mark-k]

Iemand een schaal bij het eerste plaatje?

[RoyBijster]

Zie figuur 2 van de preprint: https://arxiv.org/pdf/1911.00726.pdf Paaltjes zijn ca. 500 nm breed.

[Reactie gewijzigd door RoyBijster op 31 juli 2024 06:22]

[F5544]

Gave ontwikkeling. Zouden de digitale aanvallen om deze kennis te stelen weer toenemen?

[D0gtag]

En nu de techniek even lekker in-house houden, patenteren en ontwikkelen binnen Europa zoals de VS en China dat doen, zodat Nederland/europa de voorsprong behoudt op de volgende generatie.

[HollovVpo1nt]

Ik hoop dat ik de praktische toepassingen gedurende mijn leven nog mee mag maken. Ben 29.5 .

[bbob]

Als je de komende paar weken binnen blijft is de kans een stuk groter dat je het nog gaan meemaken

[thibaultvdb]

Overdrijven is ook een vak
https://www.youtube.com/watch?v=UVNlFlkJZyw