OLED-powerlink springt van nutteloze 50Mb/s naar bruikbare 1Gb/s

In de wereld van datacenters en high-speed computing zijn afstand en tijd moordenaars. De afstand tussen geheugen en CPU doet er echt toe. De afstand en communicatiesnelheid tussen verschillende nodes in een datacenter kunnen knelpunten zijn. Dat is de reden waarom optische interconnects de moeite waard zijn, ook al zullen de kosten ervan een accountant hartfalen bezorgen.

Die kosten komen voort uit het feit dat hun lichtbronnen, zelfs light-emitting diodes (LED’s), gecombineerd met de componenten die nodig zijn om informatie op het licht af te drukken (modulators genoemd), duur zijn.Velen van jullie zullen denken: “Chris, je bent eindelijk je laatste knikkers kwijt, LED’s zijn zo goedkoop als chips.” En je hebt gelijk, vooral als het gaat om organische lichtgevende diodes (OLED’s).

Het probleem is dat OLED’s niet direct op hoge snelheid kunnen worden gemoduleerd. Inderdaad, tot nu toe was de snelst gerapporteerde gegevensoverdrachtsnelheid via een gemoduleerde OLED een schamele 51,6 Mb/s. Vergeleken met zelfs mijn eigen thuisnetwerk is dit gewoon te traag om de moeite waard te zijn. Maar dat alles is nu klaar om te veranderen, aangezien is aangetoond dat OLED’s gegevens kunnen moduleren met meer dan 1 Gb/s.

Wat maakt een OLED zo pathetisch slecht voor communicatiedoeleinden? In wezen (hoewel het ingewikkelder is dan dit), moet de OLED zijn helderheid zeer snel veranderen. Om een ​​eenvoudig voorbeeld te geven: een binaire één kan overeenkomen met een heldere instelling en een binaire nul een donkere instelling. Een reeks van enen en nullen wordt verzonden door de OLED aan en uit te laten knipperen.

De snelheid waarmee de OLED van helderheid kan veranderen, wordt bepaald door twee eigenschappen. Een daarvan is de snelheid waarmee elektronen door het organische molecuul gaan waaruit de led bestaat. Dit is meestal traag omdat het elektron op een soort willekeurige, driftachtige manier van de ene naar de andere plek moet springen. De tweede is dat de OLED-structuur is als een condensator die moet opladen en ontladen. Dus de OLED-elektroden laden op, waarna de condensator langzaam ontlaadt door elektronen die door de OLED-moleculen drijven. Dat gaat allemaal erg traag.

Om deze problemen te omzeilen, begon een team van onderzoekers te onderzoeken hoe ze de snelheid waarmee de OLED reageert kunnen optimaliseren. De capaciteit lag voor de hand om te beginnen: door het oppervlak van de OLED te verkleinen, wordt de capaciteit verminderd. In de loop van drie generaties speelden de onderzoekers met steeds kleinere OLED-formaten. Elke vermindering van het oppervlak brengt echter een prijs met zich mee: de hoeveelheid licht die door de OLED wordt uitgestraald, neemt af omdat er minder moleculen tussen de elektroden zijn geklemd.

In de loop van hun experimenten merkten de onderzoekers op dat ze de spanning op de OLED niet boven ongeveer 5V konden verhogen zonder deze te vernietigen. Ze ontdekten dat dit geen intrinsiek probleem was met de lichtemitterende moleculen; in plaats daarvan werd de hele diode te heet en vernietigde zichzelf. Die zelfvernietiging is beperkend, omdat de snelheid waarmee elektronen door de diode worden gedreven afhankelijk is van de spanning. Hogere spanningen zorgen voor snellere schakeltijden.

Om sneller te kunnen schakelen, begonnen de onderzoekers een siliciumsubstraat te gebruiken in plaats van glas om warmte weg te leiden van de diode, waardoor ze de spanning konden verhogen zonder alles kapot te maken.

Om de schakeltijd verder te verkorten, zochten onderzoekers naar manieren om de weerstand van de elektroden zelf te verminderen. OLED’s maken gebruik van transparante elektroden gemaakt van indiumtinoxide, een materiaal met een hoge weerstand. Deze is vervangen door een dunne laag zilver, terwijl de onderste elektrode, die niet transparant hoeft te zijn, is gemaakt van een (relatief) dikke laag aluminium. Bovendien werd de weerstand verminderd door meerdere sporen naar elke elektrode te laten lopen.

Ten slotte veranderden de onderzoekers de chemie van de OLED door twee organische materialen te mengen, wat een snellere reactie opleverde. Deze optimalisaties resulteerden in een bandbreedte van meer dan 100 MHz.

Nu, in het modulatieschema dat ik hierboven heb beschreven, zou 100 MHz niet genoeg bandbreedte zijn voor een link van 1 Gb/s. Niemand gebruikt echter zo’n eenvoudig schema. De onderzoekers gebruikten moderne modulatietechnieken om veel meer gegevens te coderen binnen een kleine bandbreedte (het schema dat ze gebruikten is een ondersoort van orthogonale multiplexing met frequentieverdeling, die in de meeste moderne apparaten wordt gebruikt). Door dit te combineren met foutcorrectieschema’s, kregen ze een datasnelheid tot 1,1 Gb/s over een afstand van 2 meter.

Het grote voordeel van OLED’s is dat ze goedkoop en zeer flexibel zijn: je kunt een OLED op vrijwel elk oppervlak printen, zolang je maar elektroden kunt aansluiten. Dus als u medische diagnostiek voor eenmalig gebruik heeft waarvoor een lichtbron nodig is, is een OLED uw beste optie. Helaas zorgt het langzame schakelen van OLED’s ervoor dat veel toepassingen een droom blijven.

Dit onderzoek helpt daar enigszins bij, hoewel niet zoveel als je zou denken. Het grote probleem blijft de warmteafvoer. Door over te stappen op een siliciumsubstraat (of eigenlijk elk kristallijn substraat), beperkten de onderzoekers onmiddellijk de flexibiliteit van hun OLED’s. Het is niet langer eenvoudig om de OLED op iets af te drukken. De substraten zullen de OLED ook wat duurder maken, waardoor het andere grote voordeel van OLED’s wordt ondermijnd.

Voor communicatie is dit echter zeker de juiste richting. En hier bedoel ik niet alleen tussen knooppunten in een datacenter, maar ook communicatie binnen het apparaat voor toepassingen waarbij zowel kosten als snelheid van belang zijn. Helaas hebben de onderzoekers nog een weg te gaan: DDR5 draait op meer dan 50Gb/s en snel ethernet is al op meer dan 200Gb/s.

Nature Communications, 2020, DOI: 10.1038/s41467-020-14880-2 (Over DOI’s)

By Admin

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *