Universiteit Twente legt lichtverbinding tussen 2 delen elektronicachip

Een lichtverbinding is bijvoorbeeld nodig als het ene deel digitale signalen verwerkt en het andere werkt met grote vermogens of spanningen: het liefst wordt een elektrische verbinding tussen die delen voorkomen. Een lichtverbinding is dan een oplossing, maar die is niet eenvoudig te realiseren. Dat is promovendus Vishal Agarwal nu wél gelukt. Zijn compacte optokoppelaar haalt al een snelheid van enkele megabits per seconde bij minimaal energieverbruik. Agarwal is gepromoveerd aan de Universiteit Twente.

Een lichtverbinding is in staat een ‘galvanische scheiding’ aan te brengen op een chip: 2 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 gelegd 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.

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 men 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.

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 heeft men 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 per seconde levert bij een minimaal energieverbruik. Dit zijn voor de toepassingen al mooie specificaties, maar Agarwal verwacht dat de snelheid nog wel een factor 10 omhoog kan.

Het onderzoek is uitgevoerd in 2 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.