Licht verbindet zwei Welten

30. Januar 2019, 12:41 Uhr
Künstlerischer Eindruck des Optokopplers auf dem Chip (Bild: Universität Twente).
Künstlerischer Eindruck des Optokopplers auf dem Chip (Bild: Universität Twente).
Forscher der Universität Twente konnten eine Lichtverbindung zwischen zwei Teilen eines Elektronikchips herstellen. Dies ist notwendig, wenn zum Beispiel ein Teil digitale Signale verarbeitet und das andere mit hohen Leistungen oder Spannungen arbeitet, und alles vorzugsweise ohne elektrische Verbindung. Eine Lichtverbindung ist eine Lösung, aber nicht einfach zu realisieren.

Galvanische Trennung

Eine Lichtverbindung sorgt für eine galvanische Trennung auf einem Chip. Zwei sehr unterschiedliche Elektroniken können ohne elektrische Verbindung miteinander kommunizieren. Bei Chips für die Automobilindustrie, in medizinischen Anwendungen und in der intelligenten Leistungselektronik wird so beispielsweise verhindert, dass ein Hochleistungsteil eines Chips unerwünschte Auswirkungen auf die digitale Steuerung auf demselben Chip hat. Eine Lichtverbindung wurde bislang mit einem separaten und relativ großen Optokoppler-IC hergestellt. Der jetzt entwickelte Optokoppler kann auf dem Chip integriert werden, nimmt nicht mehr als 0,008 mm² Chipfläche in Anspruch und verbraucht wenig Energie.

Falsch gepolt

Die Integration einer Lichtquelle mit der Elektronik auf einem Chip ist alles andere als selbstverständlich. Oftmals sind dazu spezielle Materialien erforderlich, die nicht zum Standard-CMOS-Prozess passen. Silizium an sich ist keine so gute Lichtquelle. Eine LED auf einem Chip würde Infrarotlicht mit geringer Effizienz aussenden, während die Lichterfasssung in Silizium ebenfalls nicht besonders gut funktioniert. Das ist sicherlich keine gute Basis für eine funktionierende Verbindung. Bessere Ergebnisse sind möglich, wenn die LED „falsch herum“ angeschlossen wird und der so genannte Lawineneffekt auftritt, der ebenfalls sichtbares Licht freisetzt. In ähnlicher Weise kann ein Lichtdetektor hergestellt werden, bei dem eine Elektronenlawine losgetreten wird, wenn ein oder mehrere Photonen auf ihn fallen.

Intelligentes Design

Das Prinzip funktioniert, aber der Trick dabei ist, die LED und den Detektor so anzusteuern, dass sie im richtigen Bereich arbeiten. Man muss berücksichtigen, wie viel Licht für eine effiziente Verbindung benötigt wird, bei welcher Spannung die Kombination aus einer Avalanche-Mode-LED (AMLED) und einer Single-Photon-Avalanche-Diode (SPAD) am besten funktioniert und wie man sie am besten auf dem Chip platziert? Vishal Agarwal, der am 16. Januar 2019 über diese Forschung promovierte, hat ein Design entwickelt, das eine Bitrate von 1 Mb/s bei minimalem Energieverbrauch erreicht. Das sind bereits gute Werte für die Anwendungen, Agarwal erwartet jedoch, die Geschwindigkeit um den Faktor 10 erhöhen zu können.

Quelle: Universität Twente
 
Video: Universität Twente
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