Een onderzoeksteam van Intel heeft een ultragevoelige optische chip ontwikkeld, op basis van silicium. Volgens de chipfabrikant presteert de chip beter dan de huidige generatie optische chips, die duurder in productie zijn. Door Intels vinding kunnen glasvezelverbindingen in de toekomst goedkoper worden benut.
Onderzoekers van Intel hebben een ultragevoelige optische chip ontwikkeld op basis van silicium. Dat materiaal dankt zijn populariteit aan zijn halfgeleider-eigenschappen en ruime beschikbaarheid. De chipindustrie kent inmiddels een ruim arsenaal aan bewerkingsmethoden, wat goedkope massaproductie mogelijk maakt.
Kettingreactie
Intels ‘Silicon Photonics' onderzoeksgroep experimenteerde al eerder met optische chips op basis van silicium, maar het huidige ontwerp betekent volgens Intel een doorbraak omdat deze experimentele chip voor het eerst beter zou presteren dan meer traditionele optische chips, die gebruik maken van bijvoorbeeld indium fosfide voor het detecteren van licht.
Om de gevoeligheid van optische sensors te versterken maken ontwerpers gebruik van een lawine-effect. Daarbij veroorzaakt één invallend lichtdeeltje een lawine van vrije elektronen. Intel bouwde een extra krachtige ‘Avalanche Photodetector' (APD), door het silicium af te dekken met een germaniumlaag . Dat element is goed in het absorberen van infrarood licht. Silicium is gemakkelijk te ioniseren en daardoor een goede versterker. De combinatie van beide materialen zorgt volgens Intel voor een doorbraak: volgens de chipfabrikant presteert deze APD beter dan traditionele APDs.
Trade-off
Onderzoeker Martijn Heck van de afdeling opto-electronische devices van de Technische Universiteit Eindhoven: "Bij het ontvangen van een optisch signaal heb je te maken met een trade-off tussen bandbreedte en versterking: hoe meer bits en bytes je verstuurt per seconde, hoe moeilijker het is om het signaal te versterken. Het gaat namelijk om een proces, en als dat te snel moet, vervormt je signaal."
Volgens Intel kunnen lasers door de vinding met minder vermogen zenden, en langere afstanden overbruggen op basis van hetzelfde vermogen. Glasvezelverbindingen kunnen daardoor in de toekomst energiezuiniger en goedkoper worden benut. Heck: " De trade-off die Intel rapporteert is inderdaad hoog. De versterking die ze bereikt hebben is zo goed dat je relatief hoge bandbreedtes kunt gebruiken, of slechts een laser met laag optisch vermogen nodig hebt. De APD compenseert daar namelijk voor."
Medische scanners
Doordat de optische detector werkt met infrarood licht, kan hij daarnaast ook gebruikt worden als ultragevoelige infraroodsensor, onder andere voor medische ‘imaging' toepassingen. Ook de kwantumcryptografie kan profiteren van de ultragevoeligheid van Intels optische sensor. Onderzoeksleider Mario Paniccia: "Binnen dat vakgebied is het essentieel om één enkele foton te kunnen detecteren en zijn polarisatie te meten."
Massaproductie van de chip ligt echter pas over ‘enkele jaren' in het verschiet, zo vertelt Paniccia. Eerst moet de chip nog verder geoptimaliseerd. Eén van de problemen is dat germaniumatomen groter zijn dan siliciumatomen, waardoor de chip geneigd is te vervormen.
Toepassing binnen processoren
Optische communicatietechnologie wordt tot nu toe vooral toegepast over lange afstanden, voor telecommunicatie over glasvezelverbindingen. Ook binnen datacenters, van rack naar rack, liggen deels al optische verbindingen. Voor datacommunicatie tussen chips en binnen chips wordt optische communicatie nog niet toegepast. Wanneer dat ooit wel gebeurt, zal de rekencapaciteit van (multicore)-processoren revolutionair toenemen. Zover is het echter nog niet. Paniccia: "De eerst vijf tot zeven jaar is het niet mogelijk om koperverbindingen te vervangen door fotonische verbindingen op een schaal onder de vijftien centimeter."
