Om spellen als Final Fantasy of Killzone aan te kunnen, is de processor van de Sony PlayStation 3 opgedeeld in negen deelprocessoren die samen de benodigde rekenkracht leveren. De communicatie tussen de deelprocessoren van de spelcomputer gebeurt nu nog gewoon met elektrische signalen: elektronen die door een geleidend ‘draadje’ over de chip worden gestuurd. In een optisch signaal past echter veel meer informatie. En dat is niet het enige voordeel van licht: bij lichtsignalen komt -in tegenstelling tot elektrische stroom- nauwelijks warmte vrij. Ter vergelijking: de PlayStation-processor produceert 20 Watt op een oppervlak ter grootte van een postzegel, waardoor de temperatuur oploopt tot zo’n honderd graden Celsius. Tot slot beïnvloeden elektrische stroompjes elkaar als ze te dicht langs elkaar worden gestuurd. Ook dat probleem bestaat niet voor licht: lichtdeeltjes ‘zien’ elkaar überhaupt niet.

Voldoende redenen dus om serieus aan de slag te gaan met optische verbindingen (‘optical interconnects’) op chips. De bij dit High Potential Research Program betrokken groepen werkten al samen binnen de onderzoeksschool voor communicatietechnologie COBRA, al heeft dit nieuwe project wel een iets ander karakter. In het algemeen houdt COBRA zich namelijk bezig met communicatie over grote afstand, terwijl de systemen waar we het nu over hebben in hun geheel op een chip van een vierkante centimeter moeten passen. Maar het past wel in een trend, zegt prof.dr. Andrea Fiore van Photonics and Semiconductor Nanophysics: “Optische communicatie is begonnen met verbindingen tussen continenten en landen, en is daarna uitgekomen op stadsnetwerken, zogeheten ‘fiber to the home’. Er is dus een beweging naar een steeds kleinere schaal.”

Silicium
Het project zit vol met uitdagingen, zegt Fiore. Al was het maar omdat de optische verbindingen moeten aansluiten bij de huidige op silicium gebaseerde elektronica. Aan volledig optische processoren hoeven we voorlopig nog niet te denken. En met silicium kan je helaas geen licht opwekken, hoewel er wel licht door getransporteerd kan worden. Die laatste eigenschap wordt momenteel door onder andere IBM en Intel gebruikt om een soort optische interconnect te bouwen op basis van silicium, waarbij de lichtbronnen (minuscule lasertjes) uit een ander materiaal worden vervaardigd en apart worden aangebracht.

“Dat is dus uiteindelijk geen oplossing,” zegt dr. Jos van der Tol (Opto-Electronic Devices). “Je kunt die techniek onmogelijk blijven opschalen; het is veel te veel werk om die lasertjes er allemaal afzonderlijk op te zetten. Maar dat zien ze bij Intel en IBM ook wel in: zij hopen echter nog een of twee generaties te kunnen overbruggen met silicium. Daarna zullen ze toch echt moeten overstappen naar iets anders. Ze zijn ook heel geïnteresseerd in wat wij van plan zijn. Wij zijn de eersten die dit zo groots aanpakken.” Hij doelt op het plan om een dunne laag met optisch actief materiaal, een membraan, aan te brengen bovenop de chip met processoren. Door deze laag worden lichtsignalen heen en weer gestuurd. In totaal moeten zo miljoenen gigabits per seconde tussen de onderliggende processoren worden uitgewisseld.

Maar zo ver zijn de heren nog lang niet, geven ze ruiterlijk toe. Over vier jaar -als het programma afloopt- moeten er voldoende aanwijzingen zijn dat hun aanpak werkt om het bedrijfsleven te overtuigen mee te doen. Om dit te bereiken is het project in drie delen opgedeeld: lichtbronnen, schakelaars en netwerkontwerp.

Binnen het programma zal prof.dr. Harm Dorren (Electro-Optical Communication) zich bezighouden het ontwerpen van netwerken die geschikt zijn voor het geleiden van de optische informatie. Daarnaast gaat Van der Tol samen met prof.dr.ir. Meint Smit (eveneens van Opto-Electronic Devices) en dr. Richard Notzel (net als Fiore van Photonics and Semiconductor Nanophysics) aan de slag met het bouwen van minuscule lichtbronnen met een heel laag vermogen zodat de warmteontwikkeling beperkt blijft.

Lasertjes
“De lichtbronnen vormen misschien wel het moeilijkste onderdeel van dit project”, zegt Van der Tol. “We moeten namelijk lasers maken op nanoschaal, anders passen ze niet op de chip. We willen daarvoor fotonische kristallen gebruiken: materialen met een periodieke structuur, dusdanig dat je er licht in kunt opsluiten. Bovendien moeten we het licht vervolgens over specifieke paden langs de chip laten bewegen. Daarvoor moeten we spiegeltjes en gekromde golfgeleiders maken.” En dat dus allemaal op de vierkante millimeter.

De ‘interconnect’-laag zal in basis bestaan uit indiumfosfide, maar uiteindelijk moeten ze gebruikmaken van twee soorten materiaal: optisch actief materiaal voor het opwekken en detecteren van het licht, en transparant materiaal om het licht zonder verliezen over de chip heen en weer te sturen. Van der Tol: “Daarvoor zullen we het indiumfosfide moeten mengen met gallium en arseen. Aan de ontwikkeling van die materialen gaat Richard Notzel onderzoek verrichten.”

Er moeten nog heel wat problemen worden opgelost, geeft Van der Tol aan: “De lasers hebben bijvoorbeeld een elektrische spanning nodig om te werken, en het is in zo’n dunne laag lastig om de positieve en negatieve elektrode van elkaar te isoleren. Wij willen dat met een laagje geoxideerd aluminium proberen.” Een ander probleem is dat de hoge temperaturen die op de processoren heersen (zoals gezegd tot boven de honderd graden) funest zijn voor de meeste lasers. “We zullen dus de temperatuur moeten reduceren, of lasertjes ontwikkelen die het bij een hogere temperatuur ook nog doen.”

Schakelaars
Het ontwikkelen van schakelaars die op de knooppunten van het optische ‘netwerk-op-de-chip’ de signalen in de juiste richting moeten sturen, is de taak van Fiore.

Momenteel worden alle bewerkingen in computers en communicatienetwerken nog gedaan met elektronische componenten: licht wordt alleen gebruikt om de informatie over een zekere afstand te transporteren: op de knooppunten wordt het lichtsignaal omgezet naar een elektrisch signaal, in de juiste richting gestuurd, en dan weer omgezet naar licht. Dat is een tijdrovend en energievretend proces, vertelt Fiore: “Daarom zijn we bezig met optische schakelaars. Het gaat om slechts enkele lichtdeeltjes, zodat we gebruik moeten maken van quantum dots.” Quantum dots zijn nanostructuren waarmee elektronen -en daarmee indirect ook lichtdeeltjes- afzonderlijk gemanipuleerd kunnen worden. Fiore hoopt ze te kunnen inzetten als schakelaar: door een quantum dot met een lichtstraaltje te beschijnen, zou je die transparant kunnen maken voor langskomende lichtsignalen. Zet je het hulplicht uit, dan houdt de quantum dot het licht juist tegen: het basisprincipe van een transistor. Dit soort lichtschakelaars kunnen ook worden toegepast voor het verwerken van kwantuminformatie, een onderwerp waarvoor Fiore eind vorig jaar een Vici-beurs van NWO ontving.

Naast de onderzoeksactiviteiten wordt in verband met de nieuwe onderzoekslijn een mastervak ‘Optical interconnects’ opgezet. Bovendien gaan de COBRA-partners een ‘Photonics Graduate Student Fair’ organiseren, waarvoor jaarlijks tien tot vijftien internationale studenten zullen worden uitgenodigd, om zo de talentvolle promovendi aan te trekken die nodig zijn voor het onderzoek van de komende jaren./.