Onderzoekers van de Universiteit Twente zijn 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 heeft men dan geen elektrische verbinding tussen die delen. Een lichtverbinding is dan een oplossing, maar die is niet eenvoudig te realiseren.

Galvanische scheiding

Een lichtverbinding realisert een galvanische scheiding 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 wordt met een optocoupler gemaakt. Dat zijn tot nu toe losse en relatief grote IC’s. De nu ontwikkelde optocoupler kan met de elektronica mee worden geïntegreerd, neemt niet meer dan 0,008 mm² in beslag en verbruikt weinig energie.

Verkeerd-om aansluiten

Het mee-integreren van een lichtbron 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: zeker geen goede basis voor een werkende verbinding. Betere resultaten zijn mogelijk door de LED ‘verkeerd om’ aan te sluiten. Dan treedt het zogenaamde lawine-effect op, waarbij wél zichtbaar licht vrijkomt. Op een vergelijkbare manier kan ook een lichtdetector worden gemaakt waarbij een lawine van elektronen optreedt als er één 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: men moet er slimme elektronica omheen bouwen. Welke hoeveelheid licht is 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 plaatst men ze het best op de chip? Vishal Agarwal, die op 16 januari 2019 op dit onderzoek is gepromoveerd, heeft een ontwerp gemaakt dat inmiddels een bitrate van 1 Mb/s haalt bij een minimaal energieverbruik. Dit zijn voor de toepassingen al mooie specificaties; Agarwal verwacht echter dat de snelheid nog wel een factor tien omhoog kan.

Bron: Universiteit Twente
 
Video: Universiteit Twente