Paul van Gerven
18 December 2018

Ic-engineers en –ontwerpers van de Universiteit Twente hebben een primeur met de integratie van een optokoppelaar in een cmos-chip.

Een lichtsignaal genereren, verzenden en ontvangen op een cmos-chip, dat konden de onderzoekers van de Universiteit Twente al. Ook al had dat veel voeten in de aarde, het resultaat een optokoppelaar noemen, is misschien wat flatterend, geeft hoogleraar Integrated Device Systems Jurriaan Schmitz toe. Inmiddels maakt het niet meer uit, want door het recept te verfijnen, is het gelukt een echte on-chip optokoppelaar te maken, met een bitrate van in elk geval 1 megabit per seconde.

Een optokoppelaar onderbreekt de elektrische verbinding en geeft het signaal over een korte afstand optisch door. Zodoende kunnen twee delen van een systeem of circuit galvanisch van elkaar worden geïsoleerd en krijgen spannings- of stroompieken geen kans zich te verspreiden. Een optokoppelaar is daarom een onontbeerlijk element in bijvoorbeeld automotivechips, die niet zelden hoog- en laagspanningscircuits combineren.

De onderzoekers stuurden een afbeelding van het Ros van Twente (te vinden op de Twentse vlag) door hun optokoppelaar.

Helaas voor ontwikkelaars bestaat de optokoppelaar alleen als discreet element. Erg waarschijnlijk leek het niet dat er ooit een geïntegreerde cmos-versie zou komen, aangezien het lastig is om licht te maken in silicium en nog lastiger om licht te maken dat kan worden gedetecteerd met silicium. Het alternatief is om er andere materialen bij te halen, maar daar beginnen fabrikanten meestal niet aan.

Het lukte Schmitz’ promovendus Satadal Dutta en zijn begeleider Ray Hueting met een lichtgevende lawine toch om wat licht uit silicium te persen. Van tevoren stond al vast dat deze methode in ruwe vorm niet erg effectief en efficiënt zou zijn, dus was er van begin af aan een tweede Twentse promovendus betrokken bij het project. Deze Vishal Agarwal, uit de groep van Bram Nauta en Anne Johan Annema, ontwierp stuurelektronica om efficiëntie- en prestatieverbeteringen te realiseren. Toen daarnaast ook nog een ultragevoelige fotodetector ontwikkeld door de TU Delft werd geïncorporeerd, konden de onderzoekers eindelijk van een échte op chip geïntegreerde optokoppelaar spreken.

Die prestatie is niet onopgemerkt gebleven. Agarwal mocht de cmos-geïntegreerde optokoppelaar onlangs presenteren op de prestigieuze IEEE International Electron Device Meeting (IEDM) in San Francisco. Hij promoveert in januari op zijn aandeel in het onderzoek.

Kwestie van proberen

‘In de stroom-spannings-karakteristiek van onze lichtbron zit een punt waarop een kleine stap in spanning tot een zeer grote verhoging van de stroomsterkte leidt. Met een goede aansturing kun je daarom de stroom beperken en de lichtoutput controleren’, legt Schmitz uit. Agarwal integreerde de aansturing volledig met de lichtbron.

Met een ultragevoelige fotodetector is er minder licht nodig voor een signaal. Zo’n single-photon avalanche diode werkt ook volgens een lawineprincipe: door de kleinste verstoring komt er een lawine van elektronen los, die uiteindelijk meetbaar is als stroompje. ‘Edoardo Charbon van de TU Delft had er al een op de plank liggen’, vertelt Schmitz. ‘Dat is een uitstekend ding, maar ook heel delicaat. Daar moet je heel goed voor ontwerpen.’

Agarwal betrad voor zijn ontwerpklus onbekend terrein: niemand die weet hoe je lichtbron, detector en stuurcomponenten het beste plaatst ten opzichte van elkaar. Zoiets is tot op zekere hoogte een kwestie van uitproberen. ‘We hebben heel wat designs gemaakt om tot een goede oplossing te komen. Daarbij heeft het erg geholpen dat device-fysicus Dutta ook goed thuis is in ic-ontwerp en Agarwal in de device-fysica.’

Helemaal af is de optokoppelaar nog niet. Agarwal heeft enkele componenten buiten het circuit moeten plaatsen, maar die kunnen beslist nog worden geïntegreerd, verzekert Schmitz. Ook denken de Twentse onderzoekers dat de prestaties verder kunnen worden verbeterd naar een bitrate van tien megabit per seconde, met een lagere bit-error-rate. ‘Maar het geld van NWO-TTW en NXP is op, dus nu proberen we een nieuwe financieringsbron aan te boren.’