光在一个芯片上连接两个世界

光在一个芯片上连接两个世界

Twente大学的研究人员首次成功地使用片上光学链路将电子芯片的两个部分连接起来。例如,光连接可以是将大功率电子设备和数字控制电路连接到一个芯片上的一种安全方式,而无需直接的电气连接。然而,直到现在,使用标准硅芯片技术还不可能实现光链路。大学博士生维沙尔·阿加瓦尔设法做到了这一点。他实现了一个非常小的光耦电路,以节能的方式提供每秒兆比特的数据率。

利用光,可以将芯片的一部分与另一部分隔离开来:两个不同的世界可以进行通信,但没有电气连接。在“智能电源”芯片中,大功率部分可以与数字控制电路隔离。这种隔离保证了医疗电子和汽车等应用领域的安全运行。一个所谓的“光耦”被用于此,但直到现在,这是一个庞大的设备,从实际芯片分离。梦想,有一个芯片上的光耦,现在已经实现了vishal agarwal。他的光耦可以使用标准芯片技术(CMOS)与电子器件集成。它的尺寸约为0008平方毫米,能耗最低。

雪崩

集成一个光源和一个光探测器在芯片上,一点也不简单。一般来说,需要特殊的材料,而这些材料在CMOS工艺中根本无法引入。硅本身不是一种好的光源。芯片上的硅发光二极管会发出一些效率很低的红外线,而硅探测器不能很好地利用红外线。对于良好的连接来说,这根本不是一个好的起点。然而,UT博士生SatadalDutta之前的研究证明,通过将硅LED“错误的方式”连接起来,可以获得更好的结果。会发生的是雪崩效应,导致可见光的发射。同样,光探测器也可以被制作成单光子可以诱发雪崩。结果:一个有效的光学连接。

高效设计

对于阿加瓦尔来说,现在的工作原理是设计一种电子电路,以最佳方式控制LED和探测器,优化芯片的能耗、速度和空间使用。例如:以最有效的方式操作“雪崩模式LED”(AMled)和“单光子雪崩二极管”(SPAD)所需的电压是多少,从而在不浪费光的情况下实现良好的连接?如何在芯片上定位光源和光检测器,以获得最高的效率?在论文中,阿加瓦尔提出了一种完全集成在CMOS中的光耦,其数据速率约为每秒1兆比特,能耗最低。尽管对于许多应用来说,这已经是一个可接受的数据率,但据阿加瓦尔说,它至少可以增加十倍。

这项研究分为两个电气工程组:由Bram Nauta领导的集成电路设计(数字社会研究所)和由Jurriaan Schmitz教授领导的集成设备与系统(MESA+研究所)。这样,连接的基础物理和实际设计就可以以最好的方式结合在一起。

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