1000 keer efficiëntere nano-led opent deur naar snellere microchips

De elektronische dataverbindingen binnen en tussen microchips vormen steeds meer een bottleneck in het wereldwijd exponentieel groeiende dataverkeer. Optische verbindingen zijn de gedoodverfde opvolger, maar optische datatransmissie vereist een adequate nanolichtbron, en die bestond nog niet. Wetenschappers van de Technische Universiteit Eindhoven hebben nu een lichtbron weten te maken die de juiste papieren heeft: een nano-led die 1000 keer zo efficiënt is als zijn voorgangers, en die gigabits per seconde aankan. Ze publiceren hierover in het online journal Nature Communications.

Cruciaal

Optische verbindingen zoals glasvezels worden steeds meer de standaard voor dataverkeer doordat elektrische kabels tegen hun grenzen aan lopen. Op langere afstanden is vrijwel alle datatransmissie al optisch. Ook binnen computersystemen en microchips groeit het dataverkeer exponentieel, maar dat verkeer is nog altijd elektronisch, en dat wordt steeds meer een knelpunt. Deze verbindingen (‘interconnects’) zijn nu al verantwoordelijk voor het grootste deel van het totale energieverbruik van chips. Daarom werken veel wetenschappers wereldwijd aan het mogelijk maken van optische (fotonische) interconnects. Cruciaal daarin is de lichtbron, die de data omzet in lichtsignalen. Die moet klein genoeg zijn om te passen in de microscopische structuren van microchips. Tegelijkertijd moet het uitgangsvermogen en de efficiëntie goed zijn. Dat laatste is een uitdaging, want kleine lichtbronnen met vermogens van nano- of microwatts, bleken tot nu toe bijna altijd erg inefficiënt.

Verspillen

Onderzoekers aan de TU Eindhoven hebben nu een led ontwikkeld van slechts enkele honderden nanometers groot, met een geïntegreerd lichtkanaaltje (waveguide) voor transport van het lichtsignaal. Deze geïntegreerde nano-led doet het qua efficiëntie zeker 1000 keer beter dan de beste elders ontwikkelde varianten. De winst halen de Eindhovense onderzoekers vooral met de kwaliteit van de geïntegreerde koppeling van de lichtbron (de led) en het lichtkanaaltje. Ze verspillen daar veel minder licht en krijgen dus veel meer licht in het kanaaltje. De efficiëntie van de nieuwe nano-led ligt nu nog tussen de 0,01 procent en 1 procent, en de onderzoekers verwachten dat ze daar binnenkort ruim boven zitten, dankzij een nieuwe productiemethode. 

Gigabits per seconde

Een andere belangrijke eigenschap van de nieuwe nano-led is dat hij is geïntegreerd in een silicium ondergrond, op een membraan van indiumfosfide. Silicium is hét basismateriaal voor microchips, maar het is niet geschikt voor lichtbronnen, en dat is indiumfosfide wel. Verder blijkt uit testen dat het nieuwe element elektrische signalen razendsnel omzet in optische signalen en datasnelheden aankan van meerdere gigabits per seconde. 

Levensvatbaar

De Eindhovense onderzoekers denken dat hun nanoled een levensvatbare oplossing is om de rem te halen van de groei van het dataverkeer in chips. Maar qua toekomstperspectief zijn ze voorzichtig. De ontwikkeling is nog niet ver genoeg om overgenomen te worden door de industrie, en de benodigde productietechnologie moet nog van de grond komen.

Het paper ‘Waveguide-coupled nanopillar metal-cavity light-emitting diodes on silicon’ verscheen op 2 februari 2017 in Nature Communications, en is te vinden onder nummer DOI 10.1038/ncomms14323. De auteurs zijn V. Dolores-Calzadilla, B. Romeira, F. Pagliano, S. Birindelli, A. Higuera-Rodriguez, P.J. van Veldhoven, M.K. Smit, A. Fiore en D. Heiss.

Het onderzoek maakt deel uit van het Zwaartekrachtprogramma ‘Research Centre for Integrated Nanophotonics’ dat aan de TU/e wordt uitgevoerd. Het Institute for Photonic Integration van de TU/e is een van de meest toonaangevende onderzoekscentra wereldwijd op gebied van geïntegreerde fotonica.