Paul van Gerven
22 September 2006

Intel en de universiteit van Californië in Santa Barbara claimen een doorbraak in optische communicatie. Ze zijn erin geslaagd een hybride siliciumlaser te bouwen. Ze denken dat het prototype een belangrijke stap is om computeronderdelen sneller met elkaar te laten communiceren.

Glasvezels bieden een veel grotere bandbreedte dan koperen verbindingen. Het zou de snelheid van computers dus ten goede komen als hun componenten met elkaar communiceren via optische signalen. Glasvezels zijn echter ook duur. Bovendien moet er een vertaalslag worden gemaakt van licht naar elektriciteit en omgekeerd. Dat is nodig omdat computers nu eenmaal met behulp van elektrische stroompjes rekenen. Deze conversie vertraagt het proces aanzienlijk en vereist bovendien speciale componenten. Onderzoekers zijn daarom al geruime tijd op zoek naar methoden om de negatieve effecten van de elektro-optische overgang te beperken.

Omdat transistoren al van silicium zijn, ligt het voor de hand om dit element ook te gebruiken als lichtbron voor optische communicatie. Dat heeft belangrijke voordelen. De halfgeleiderindustrie wil de fabricage van de lichtbron makkelijk kunnen integreren in hun bestaande CMos-productieprocessen. Silicium is bovendien relatief goedkoop. Aangezien de laser traditioneel de fotonen voor optische signalen genereert, zoekt wetenschappers al een hele tijd naar een laser op basis van silicium. Na een doorbraak vorig jaar, zeggen Intel en de universiteit van Californië in Santa Barbara nu opnieuw een stap verder te zijn.

0692216365800
Het prototype

De eerste laser bestond uit een sterke lamp die op een robijn kristal scheen. Aan de ene kant van het kristal zat een volledig reflecterende spiegel en aan de andere kant een spiegel die een deel van het licht doorlaat. Het licht van de lamp zat gevangen tussen beide spiegels zodat het zichzelf kon versterken. Het deel van het licht dat wél door de spiegel kwam, was de eerste laserstraal.

 advertorial 

8-bit Microcontrollers Still Anchor the Majority of Embedded Designs Today

They are tiny, but vitally important. The market for 8-bit microcontrollers continues to grow strongly as a key part of the drive to digitalisation, highlighted by the current chip shortages. Read more about Microchip’s 8-bit devices.

Begin 2005 presenteerde Intel al een laser die gebaseerd was op dit principe en helemaal van silicium was gemaakt. Toen had een andere Californische onderzoeksgroep de kastanjes overigens al uit het vuur gehaald. In oktober 2004 hadden onderzoekers van de universiteit van Californië in Los Angeles al een vergelijkbare ontdekking wereldkundig gemaakt. In de praktijk waren beide lasers echter nog niet handig. De externe lichtbron was het probleem. Chipfabrikanten hebben namelijk liever dat het licht aangaat als er een elektrisch stroompje door het silicium loopt, maar dat is niet zo makkelijk.

Silicium is namelijk een beroerde lichtbron. Elektrische stroom in silicium wordt niet omgezet in licht, maar in warmte. Lasers zijn daarom meestal gemaakt van meer exotische elementen. De combinatie van indium en fosfide geeft bijvoorbeeld veel licht af als het onder spanning staat. De onderzoekers van Intel en de universiteit kozen daarom voor indiumfosfide als lichtbron. Door indiumfosfide en silicium op een slimme manier te combineren, maakten ze een hybride siliciumlaser. Het indiumfosfide maakt het licht, het silicium neemt het licht op.

0692216353400
De zeven parallelle lasers in actie

De fabricage van deze hybride laser begint met het etsen van een microkanaaltje in silicium. Dit kanaaltje is de zogenaamde golfgeleider: hier wordt het licht in opgenomen, net zoals het ook in het robijn kristal werd gevangen. Het was erg moeilijk om op de golfgeleider een laagje indiumfosfide aan te brengen. De kristalroosters van de twee lagen bleken niet compatibel. Als de onderzoekers voorzichtig een dun laagje indiumfosfide op het microkanaaltje lieten groeien, werkte de laser uiteindelijk niet of nauwelijks. Hun oplossing bestond uit het plakkerig maken van zowel het silicium als het indiumfosfide. Een zuurstofplasma maakt de buitenste atoomlagen een beetje los. Door de twee materialen vervolgens met elkaar in contact te brengen, vermengen die lagen zich een beetje en blijven ze aan elkaar vastzitten. Plakken met zuurstoflijm, als het ware.

In laatste stappen van de fabricage brengen de onderzoekers elektrodes aan. Als er een stroompje loopt, geeft het indiumfosfide licht af aan de golfgeleider. Daar wordt het licht versterkt tot een laser. Het prototype dat de onderzoeksgroepen presenteerden, bevat niet één golfgeleider, maar zeven. Deze parallelle kanaaltjes vormen allemaal op zich een laser. Het mooie is dat deze lasertjes-op-een-rij in één proces kunnen worden gemaakt. In de toekomst moeten het er nog veel meer dan zeven worden. Want hoe meer lichtbundels, hoe groter de bandbreedte.

De vinding is een doorbraak op researchgebied, maar Intel wil nog geen uitspraken doen over de termijn waarop het klaar zal zijn voor commerciële toepassing. Wel is duidelijk dat Intel mikt op het vervangen van koperen geleiders door optische verbindingen. Een geïntegreerde opto-elektrische chip met 25 lasertjes zou in theorie met de huidige techniek al een bandbreedte van 1 terabit per seconde halen. Daarmee kunnen processoren of zelfs complete computers veel sneller met elkaar communiceren en dus beter samenwerken dan nu. Nu de rek een beetje uit het versnellen van de processoren zelf is, bieden hydride siliciumlasers een aantrekkelijke uitkomst om toch weer snellere computers te maken.