De elektronische dataverbindingen binnen en tussen microchips vormen steeds meer een bottleneck in de exponentiële groei van het dataverkeer wereldwijd. Optische verbindingen zijn de voor de hand liggende opvolgers, maar optische datatransmissie vereist een adequate lichtbron op nanoschaal, en dit ontbrak. Wetenschappers van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) hebben nu een lichtbron gemaakt met de juiste eigenschappen:een nano-LED die 1000 keer efficiënter is dan zijn voorgangers, en is in staat om gigabits per seconde datasnelheden te verwerken. Ze hebben hun bevindingen gepubliceerd in het online tijdschrift Natuurcommunicatie .

Nano- of microwatt

Met elektrische kabels die hun grenzen bereiken, optische verbindingen zoals glasvezel worden steeds meer de standaard voor dataverkeer. Over langere afstanden is bijna alle datatransmissie optisch. Binnen computersystemen en microchips, te, de groei van het dataverkeer is exponentieel, maar dat verkeer is nog steeds elektronisch, en dit wordt steeds meer een knelpunt. Aangezien deze verbindingen ('interconnects') het grootste deel van het energieverbruik van chips voor hun rekening nemen, veel wetenschappers over de hele wereld werken aan het mogelijk maken van optische (fotonische) verbindingen. Cruciaal daarbij is de lichtbron die de data omzet in lichtsignalen die klein genoeg moeten zijn om in de microscopische structuren van microchips te passen. Tegelijkertijd, de outputcapaciteit en efficiëntie moeten goed zijn. Vooral de efficiëntie is een uitdaging, als kleine lichtbronnen, aangedreven door nano- of microwatt, hebben tot op heden altijd zeer inefficiënt gepresteerd.

Er gaat minder licht verloren

Onderzoekers van de TU Eindhoven hebben nu een light-emitting diode (LED) van zo'n honderd nanometer ontwikkeld met een geïntegreerd lichtkanaal (golfgeleider) om het lichtsignaal te transporteren. Deze geïntegreerde nano-LED is 1000 keer efficiënter dan de beste varianten die elders zijn ontwikkeld. De Eindhovense onderzoekers hebben vooral vooruitgang geboekt in de kwaliteit van de geïntegreerde koppeling van de lichtbron en de golfgeleider waardoor er veel minder licht verloren gaat en er dus veel meer licht in de golfgeleider komt. Het rendement van de nieuwe nano-LED ligt momenteel tussen de 0,01 en 1 procent, maar dankzij een nieuwe productiemethode verwachten de onderzoekers binnenkort ruim boven dat cijfer te zitten.

Membraan

Een ander belangrijk kenmerk van de nieuwe nano-LED is dat deze is geïntegreerd in een siliciumsubstraat op een membraan van indiumfosfide. Silicium is het basismateriaal voor microchips, maar is niet geschikt voor lichtbronnen, terwijl indiumfosfide dat wel is. Verder, tests tonen aan dat het nieuwe element elektrische signalen snel omzet in optische signalen en datasnelheden aankan van enkele gigabits per seconde.

De Eindhovense onderzoekers denken dat hun nano-LED een haalbare oplossing is die de groei van dataverkeer op chips zal afremmen. Echter, ze zijn voorzichtig met de vooruitzichten. De ontwikkeling is nog niet in het stadium dat deze door de industrie kan worden geëxploiteerd en de benodigde productietechnologie moet nog van de grond komen.