De elektroniska dataanslutningarna inom och mellan mikrochips blir alltmer en flaskhals i den exponentiella tillväxten av datatrafik över hela världen. Optiska anslutningar är de uppenbara efterträdarna men optisk dataöverföring kräver en tillräcklig nanoskala ljuskälla, och detta har saknats. Forskare vid Eindhoven tekniska universitet (TU/e) har nu skapat en ljuskälla som har rätt egenskaper:en nano-LED som är 1000 gånger effektivare än sina föregångare, och kan hantera datahastigheter i gigabit per sekund. De har publicerat sina fynd i onlinetidsskriften Naturkommunikation .

Nano- eller mikrovatt

Med elektriska kablar som når sina gränser, optiska anslutningar som glasfiber blir alltmer standarden för datatrafik. På längre avstånd är nästan all dataöverföring optisk. Inom datasystem och mikrochips, för, tillväxten av datatrafik är exponentiell, men den trafiken är fortfarande elektronisk, och detta blir alltmer en flaskhals. Eftersom dessa anslutningar ('sammankopplingar') står för majoriteten av energiförbrukningen av chips, många forskare runt om i världen arbetar med att möjliggöra optiska (fotoniska) sammankopplingar. Avgörande för detta är ljuskällan som omvandlar data till ljussignaler som måste vara tillräckligt små för att passa in i mikroskopens mikroskopiska strukturer. På samma gång, produktionskapaciteten och effektiviteten måste vara god. Speciellt effektiviteten är en utmaning, som små ljuskällor, drivs av nano- eller mikrowatt, har alltid presterat väldigt ineffektivt hittills.

Mindre ljus går förlorat

Forskare vid TU Eindhoven har nu utvecklat en ljusemitterande diod (LED) på några hundra nanometer med en integrerad ljuskanal (vågledare) för att transportera ljussignalen. Denna integrerade nano-LED är 1000 gånger effektivare än de bästa varianterna som utvecklats någon annanstans. De Eindhoven-baserade forskarna har särskilt gjort framsteg när det gäller kvaliteten på den integrerade kopplingen av ljuskällan och vågledaren där mycket mindre ljus går förlorat och därför kommer mycket mer ljus in i vågledaren. Effektiviteten för den nya nano-LED ligger för närvarande mellan 0,01 och 1 procent, men forskarna räknar med att vara långt över den siffran snart tack vare en ny produktionsmetod.

Membran

En annan viktig egenskap hos den nya nano-LED är att den är integrerad i ett kiselsubstrat på ett membran av indiumfosfid. Kisel är grundmaterialet för mikrochips men är inte lämpligt för ljuskällor medan indiumfosfid är det. Vidare, test visar att det nya elementet omvandlar elektriska signaler snabbt till optiska signaler och kan hantera datahastigheter på flera gigabit per sekund.

Forskarna i Eindhoven tror att deras nano-LED är en livskraftig lösning som tar bort bromsen från tillväxten av datatrafik på chips. Dock, de är försiktiga med utsikterna. Utvecklingen är ännu inte i det skede där den kan utnyttjas av industrin och den produktionsteknik som behövs fortfarande måste komma igång.