En mikroskopisk lyskilde utviklet av amerikanske forskere kan gjøre det mulig for datasentre å overføre informasjon mer energieffektivt mellom datasystemer. Mikro­LED-en av galliumnitrid bruker bare 25 milliwatt, samtidig som den oppnår en optisk modulasjonsbåndbredde på 2,75 GHz.

Optiske forbindelser brukes i økende grad når datasentre skal håndtere større informasjonsmengder. Tradisjonelle optiske sendere baserer seg imidlertid ofte på lasere, som krever betydelig effekt og utvikler varme. Den nye mikro­LED-konstruksjonen kan derfor bli et mer energieffektivt alternativ for optisk kommunikasjon over korte avstander.

Fem mikrometer ga best balanse

Forskerne undersøkte galliumnitrid-LED-er med kvantebrønner, en mye brukt halvlederkonstruksjon. Målet var å finne ut hvordan størrelsen på enheten påvirker hvor raskt den kan slås av og på, samt hvor mye elektrisk energi den bruker.

I forsøkene testet forskerne mikro­LED-er med diametre fra 100 mikrometer helt ned til 2 mikrometer. De aller minste enhetene ga likevel ikke det beste resultatet samlet sett. Forskerne konkluderte med at en diameter på 5 mikrometer gir den beste balansen mellom båndbredde og energiforbruk.

Den optimaliserte enheten oppnådde en optisk modulasjonsbåndbredde på 2,75 GHz. Tallet beskriver hvor raskt LED-en kan endre lysstyrken som svar på elektriske signaler. Over denne frekvensen kan det optiske signalet miste intensitet og bli mindre egnet for pålitelig dataoverføring.

Hovedforfatter Abdelgany Abouelnagga sier at teamet utfordret antakelsen om at mindre enheter alltid fungerer bedre. Resultatene gir samtidig en systematisk metode for å vurdere sammenhengen mellom enhetens størrelse, vekslingshastighet og energibehov.

Modellering av uønskede effekter

For å nå resultatene brukte forskerne detaljert modellering av halvledermaterialet. De analyserte blant annet materialfeil og elektriske egenskaper som kan skape parasittiske effekter. Slike uønskede effekter kan begrense hvor raskt enheten kan veksle og redusere effektiviteten.

Modellene ble brukt til å styre produksjonen av enheten og optimalisere den endelige konstruksjonen. Forskerne opplyser at resultatet er rekord for optisk modulasjonsbåndbredde blant LED-er med kvantebrønner.

Kan egne seg for forbindelser på opptil ti meter

Optiske forbindelser kan overføre data ved høye frekvenser med relativt små signaltap. Kobberforbindelser møter større begrensninger når overføringshastigheten øker. Samtidig krever laserbaserte optiske forbindelser mye strøm, noe som legger ytterligere belastning på datasentre som allerede bruker store mengder energi. Varmen fra de optiske komponentene øker også behovet for kjøling.

Abouelnagga opplyser at rundt 90 prosent av kommunikasjonen i datasentre skjer over avstander på høyst 10 meter. Mindre strømkrevende optiske sendere kan derfor være særlig egnet for slike forbindelser. Den nye mikro­LED-en bruker 25 milliwatt og reagerer samtidig på elektriske signaler i gigahertz-området.

Den lille størrelsen kan også gjøre det mulig å plassere mange optiske sendere tett sammen. Forskerne ser for seg todimensjonale matriser med flere mikro­LED-er, der hver sender kan overføre en uavhengig datastrøm. Det kan potensielt øke kapasiteten i kompakt utstyr.

Studien er publisert i tidsskriftet IEEE Electron Device Letters. Forskere fra ingeniørmiljøene ved University of Illinois Urbana-Champaign og University of Notre Dame samarbeidet om prosjektet.

Teknologien trenger fortsatt videre utvikling, men ytelsen peker mot en mulig løsning for optiske forbindelser over korte avstander. Mer effektive mikro­LED-sendere kan på sikt hjelpe datasentre med å øke kommunikasjonshastigheten uten å være helt avhengige av energikrevende lasere.