Свет соединяет два мира на одной микросхеме. Впервые исследователям из Университета Твенте удалось соединить две части электронного чипа с помощью оптической связи на кристалле. Легкое соединение может быть безопасным способом соединения мощного компонента и схемы цифрового управления на одном кристалле без прямой электрической связи. Однако до настоящего времени оптическая связь была невозможна с использованием стандартной технологии кремниевых чипов. Вишал Агарвал, доктор философии UT студент, успел это сделать. Он реализовал очень маленькую схему оптопары, которая обеспечивает скорость передачи данных в мегабитах в секунду энергосберегающим способом.

Художник производит впечатление оптопары, круглая структура — детектор (Single Photon Avalanche Diode), источник света (Avalanche Mode LED) имеет форму подковы. Фото: Университет Твенте

В микросхемах Smart Power компонент высокой мощности может быть изолирован от цепей цифрового управления. Эта изоляция гарантирует безопасную работу в областях применения, таких как медицинская и автомобильная электроника. До сих пор такие оптопары были громоздкими и отдельными от микросхемы. Вишал Агарвал реализовал встроенную оптопару. Его оптопара может быть интегрирована с электроникой с использованием стандартной чиповой технологии (CMOS). Он размером около 0,008 мм2 и потребляет минимальное количество энергии.

Интеграция источника света и детектора света на чипе не является тривиальной задачей. Как правило, необходимы специальные материалы, которые нельзя внедрить в процесс CMOS. Кремний сам по себе не является хорошим источником света. Кремниевый светодиод на чипе будет излучать инфракрасный свет с низкой эффективностью, в то время как кремниевый детектор плохо работает с инфракрасным светом. Это не очень хорошая отправная точка для оптического соединения. Предыдущее исследование, однако, UT Ph.D. Студент Сатадал Датта доказал, что лучшие результаты можно получить, подключив кремниевый светодиод «неправильным путем». Лавинный эффект приводит к излучению видимого света. Таким же образом может быть изготовлен детектор света, на котором один фотон может вызвать лавину. Результат: эффективное оптическое соединение.

Принцип сработал. Теперь для Agarwal задача заключалась в том, чтобы спроектировать электронную схему, которая наилучшим образом контролирует светодиод и детектор, оптимизируя потребление энергии, скорость и использование пространства на чипе. Например, он хочет сбалансировать напряжение, необходимое для работы светодиода лавинного режима (AMLED) и однофотонного лавинного диода (SPAD), что обеспечивает хорошее соединение без потери света. Он также должен определить, как расположить источник света и детектор света на чипе, для максимальной эффективности. В своей диссертации Агарвал предлагает оптопару, которая может быть полностью интегрирована в КМОП со скоростью передачи данных около 1 мегабита в секунду и минимальным энергопотреблением.

По материалам phys.org