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提速1000倍!世界首個(gè)硅激光器助力打造光子芯片


  來(lái)源: 傳感器專家網(wǎng) 時(shí)間:2020-04-16 編輯:清風(fēng)
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幾十年來(lái),“硅發(fā)光”一直是微電子行業(yè)的圣杯,解決這個(gè)難題將徹底改變計(jì)算,因?yàn)槭芤嬗诖?,芯片將變得比以往任何時(shí)候都快。

近日,埃因霍溫理工大學(xué)(TU/e)的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種硅合金,這種硅合金可以發(fā)光,實(shí)現(xiàn)光子傳輸。該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在將在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)一種硅激光器,集成到當(dāng)前芯片中。

 

圖源:埃因霍溫科技大學(xué)

光子通信代替電子通信,芯片提速1000倍

目前以半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的技術(shù)正在達(dá)到頂峰,但限制因素是熱量。

在電子電路中,數(shù)據(jù)通常通過(guò)電子流傳輸,而電子流在通過(guò)芯片晶體管的銅線和許多電阻時(shí),會(huì)產(chǎn)生大量熱量。這意味著數(shù)據(jù)量越大,電子流傳輸產(chǎn)生的熱量越多。若要繼續(xù)推進(jìn)數(shù)據(jù)傳輸,則需要一種不產(chǎn)生熱量的新技術(shù)——光子傳輸。

最近,埃因霍溫科技大學(xué)的一項(xiàng)新研究表明,硅可以發(fā)射光子來(lái)傳輸數(shù)據(jù),傳輸過(guò)程中并不會(huì)帶來(lái)熱量,可以消除高能耗芯片與芯片間通信帶來(lái)熱量過(guò)多,導(dǎo)致傳輸緩慢的問(wèn)題。

 

使用光學(xué)裝置來(lái)測(cè)量發(fā)射的光 圖源:埃因霍溫科技大學(xué)

光纖中通常是通過(guò)光子來(lái)攜帶信息而不是電子。與電子相反,光子不經(jīng)歷電阻,由于它們沒(méi)有質(zhì)量或電荷,它們?cè)谒ㄟ^(guò)的材料中的散射會(huì)更少,因此不會(huì)產(chǎn)生熱量,能源消耗將減少。

此外,通過(guò)用光通信代替芯片內(nèi)的電子通信,芯片內(nèi)和芯片間通信的速度可以提高1000倍,數(shù)據(jù)中心將受益匪淺,數(shù)據(jù)傳輸速度更快,冷卻系統(tǒng)能耗更低。而且這些光子芯片也將帶來(lái)觸手可及的新應(yīng)用,想一想激光雷達(dá)自動(dòng)駕駛汽車和化學(xué)傳感器的醫(yī)療診斷、測(cè)量空氣和食品質(zhì)量。

不過(guò),在芯片中使用光需要集成激光器,但計(jì)算機(jī)芯片的主要半導(dǎo)體材料硅在發(fā)光方面效率極低,因此硅長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為在光子學(xué)中不起作用,而光子芯片也遲遲沒(méi)能成為現(xiàn)實(shí)。

于是,科學(xué)家們開(kāi)始轉(zhuǎn)向了能隙寬的半導(dǎo)體,例如砷化鎵和磷化銦,兩者都擅長(zhǎng)發(fā)光。一個(gè)歐洲財(cái)團(tuán)的研究人員對(duì)砷化鎵的量子光子波導(dǎo)電路進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),還有加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校的研究人員也研究了高功率磷化銦光子集成電路。

但砷化鎵和磷化銦的根本問(wèn)題在于,它們很難集成到現(xiàn)有的硅微芯片中,不能與硅很好地發(fā)揮作用,而且兩者本身都很昂貴,成本實(shí)在太高。

因此,埃因霍溫科技大學(xué)的研究人員認(rèn)識(shí)到,硅仍然是當(dāng)今制造絕大多數(shù)IC的首選材料,如果硅也可以發(fā)射光子并由此增強(qiáng)數(shù)據(jù)通信,同時(shí)消除熱量問(wèn)題,對(duì)于設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō),可是莫大的福音。

突破:六角形硅鍺終于發(fā)光

接下來(lái),研究人員開(kāi)展了數(shù)年對(duì)這種發(fā)光硅解決方案的研究。

他們遇到最大的問(wèn)題是硅的間接帶隙阻止了硅的發(fā)光,為此,他們把目光投向了將硅與鍺結(jié)合成六邊形結(jié)構(gòu)的方法,希望從而實(shí)現(xiàn)發(fā)射和透射光的直接帶隙。

來(lái)自TU/e的首席研究員Erik Bakkers說(shuō):   “關(guān)鍵在于所謂的半導(dǎo)體帶隙的性質(zhì),如果電子從導(dǎo)帶‘滴’到價(jià)帶,半導(dǎo)體就會(huì)發(fā)出光子。但是,如果導(dǎo)帶和價(jià)帶相互位移(稱為間接帶隙),就不能像硅那樣發(fā)射光子。不過(guò),一個(gè)50年前的理論表明,與鍺合金并形成六邊形結(jié)構(gòu)的硅確實(shí)具有直接的帶隙,因此可能會(huì)發(fā)光?!?

但顯然理想與現(xiàn)實(shí)往往不是同一回事。2015年,埃因霍溫科技大學(xué)的研究人員發(fā)表了一篇論文,論證了將磷化鎵制成的六角形外殼用作六角形硅的模板。他們成功地在六角形外殼中生產(chǎn)了硅,但事實(shí)證明該外殼無(wú)法透射或發(fā)光。

不過(guò),近期該研究迎來(lái)了轉(zhuǎn)機(jī)。在Erik Bakkers的帶領(lǐng)下,許多相同的研究人員已經(jīng)設(shè)法制造出一種改進(jìn)的六角形硅鍺殼。當(dāng)由外部激光器激發(fā)時(shí),所得的硅鍺納米線實(shí)際上能夠透射光。

 

硅鍺殼制成的光導(dǎo)納米線   圖源:埃因霍溫科技大學(xué)

根據(jù)Bakkers的說(shuō)法,下一步是創(chuàng)建實(shí)際的激光來(lái)激發(fā)納米線,當(dāng)然,所謂納米線就是指硅。

2020年,世界首個(gè)硅激光器將現(xiàn)

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