Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven hebben een nanoled gebouwd: een lichtbron op nanoschaal. Die zet elektrische signalen om in optische en kan zo de dataoverdracht in en tussen chips veel sneller gaan maken. Daarvoor moet nog wel de efficiëntie omhoog.
De data die we met zijn allen creëren wordt over grote afstanden al verstuurd met lichtsignalen, maar binnenin computers en chips wordt data nog steeds in het elektrische domein verwerkt. Omdat we steeds meer data willen versturen, gaat dit onherroepelijk knelpunten opleveren. Die bottlenecks kunnen we oplossen, maar dan moeten de signalen ook in computers en chips optisch worden.
Daarvoor is een lichtbron nodig die een elektrisch signaal omzet in een optisch signaal. Nu worden in de telecommunicatie al decennia lang prima lichtbronnen gebruikt, namelijk lasers. Die coderen data in gepulste lichtsignalen met hoge frequenties, waarna de data glasvezels in gaan voor signaaltransport over grote afstanden. Het sterke punt van de laser, het coherente lichtmet een precies vastgelegde golflengte, wordt hierbij helemaal benut. Dit zorgt ervoor dat ook kilometers verder het signaal nog steeds goed is.
Geen laser
Maar een heel kleine lichtbron voor in een chip hoeft niet coherent te zijn, simpelweg doordat de afstanden zoveel kleiner zijn. Daarvoor voldoet dus bijvoorbeeld een led, een light emitting diode. ‘Het voordeel van een led is dat hij in tegenstelling tot een laser geen drempelstroom heeft waarbij hij pas begint te stralen. Dat betekent dat we de stroom helemaal omlaag kunnen draaien, wat een led heel zuinig maakt’, legt een van de onderzoekers, dr. Bruno Romeira, uit.
Dat is dan ook de reden dat onderzoekers van de TU Eindhoven nu een led op nanoschaal hebben gebouwd. Ze rapporteerden er gisteren over in vakblad Nature Communications (artikel ‘Waveguide-coupled nanopillar metal-cavity light-emitting diodes on silicon’).
Stapelen
De nanoled is een sterk staaltje bouwkunst op de nanoschaal. Op een substraat van silicium plaatsten de onderzoekers verschillende halfgeleiders op elkaar, die ze inpakten met een laagje zilver (zie illustratie). Zo maakten zij een cavity, een trilholte waarin licht kort wordt opgesloten om het emissieproces efficiënter te maken. Na enkele tientallen femtoseconden (10-15 s) verlaat het licht de trilholte alweer en loopt het verder, een lichtgeleider in.
Het licht dat de nanoled maakt heeft een golflengte van 1550 nm, en ligt dus in het infrarood. Hij kan al tot 5 Gb/s (gigabit per seconde) aan data versturen, maar dat kan zeker nog verder worden geoptimaliseerd, zeggen de onderzoekers.
Efficiëntie moet omhoog
De efficiëntie van de lichtbron (hoe goed stroom wordt omgezet in licht) ligt tussen de 0,01 % en de 1 %, waarden bij respectievelijk kamertemperatuur (27 °C) en -263,7 °C. Bij deze temperaturen is het vermogen in licht dat uit de led komt, achtereenvolgens 22 nW en 336 nW. ‘Ons doel was 1 µW, dus daar komen we al heel aardig in de buurt. Let wel: op zeer lage temperatuur. Nu moeten we nog de efficiëntie op kamertemperatuur verbeteren’, zegt Romeira.
De nanoled (of een opvolger ervan) zal zeker worden gebruikt in de telecommunicatie, denkt Romeira. ‘De toekomstige verbindingen in chips – zogeheten interconnects – zullen optisch zijn. Nu zijn het nog elektrisch geleidende draadjes, maar als we die kleiner maken, krijg je steeds meer last van opwarming. Door licht te gebruiken, kun je het energieverbruik van chips drastisch verlagen.’
Zie voor meer informatie ook het persbericht van de Technische Universiteit Eindhoven.
Openingsbeeld V. Dolores et al., Nature Communications 2017
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.