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利用发光硅材料实现光子计算

admin| 2020-9-28 09:39

如果计算机使用光子而不是电子来传输数据,那么它们的性能会更好,功耗也会更低。欧洲研究人员目前正在研究一种新的硅和锗发光合金,以获得光子芯片,这将彻底改变计算技术. ...
  

如图所示,埃因霍温理工大学的研究人员Elham Fadaly(左)和AlaiDijkstra(右)用他们的装置测量了六角晶体结构的硅锗样品的光发射情况。

如果计算机使用光子而不是电子来传输数据,那么它们的性能会更好,功耗也会更低。欧洲研究人员目前正在研究一种新的硅和锗发光合金,以获得光子芯片,这将彻底改变计算技术.

在过去的50年里,光子(构成光的粒子)已经取代了电子在通信网络中进行数据传输。光信号的高带宽推动了电话系统、电视广播和互联网的巨大增长。

然而,光子还没有取代计算机中的电子。使用光在处理器芯片及其互连中传输数据将使计算机的速度大幅度提高(芯片内和芯片间通信的速度可提高1000倍),同时降低它们运行所需的功率。

先进的微处理器芯片可以包含数百亿个晶体管,它们的铜-电互连在工作时会产生大量的热量。与光子不同,电子有质量和电荷。当流经金属或半导体材料时,它们被硅和金属原子散射,导致它们振动并产生热量。因此,提供给微处理器的大部分电能都是浪费的。

硅发光的挑战

如今,电子工业领域正准备在计算机芯片中使用硅,因为它具有优越的电子性能和可用性。它是一种很好的半导体,是一种丰富的元素,也是玻璃和沙子其中的成分——二氧化硅。

然而,由于硅的晶体结构,它不太擅长处理光。例如,它不能产生光子或控制它们的流量进行数据处理。研究人员已经对砷化镓和磷化铟等发光材料进行了研究,但由于它们与当前的硅技术结合不好,在计算机中的应用仍然受到限制。

最近,欧洲研究人员在《自然Nature》杂志上报道了一种具有光学活性的硅和锗创新合金。荷兰埃因霍温理工大学的物理学家Jos Haverkort说:“这是该研究的第一步,我们证明这种材料非常适合发光,而且它与硅相容。”

下一步是开发一种与硅兼容的激光器,该激光器将作为光电子芯片的光源集成到电子电路中。这是由欧盟FET(未来和新兴技术)项目支持的SiLAS项目的最终目标。该小组由埃因霍温大学的埃里克·巴克斯领导,还包括来自德国耶拿大学和慕尼黑大学、奥地利林茨大学、英国牛津大学和瑞士IBM的研究人员。

为了制造这种激光,科学家们将硅和锗结合在一个六边形结构中,这种六边形结构能够发光,克服了硅的缺点,硅中的原子排列成立方体。这是一个困难的项目。最初试图通过在六角锗层上沉积硅原子实现六角结构的尝试,但是失败了。

慕尼黑技术大学的乔纳森·芬利(Jonathan Finley)解释说,“硅在平面六边形锗上生长时,会发生顽固地拒绝改变其立方结构现象,他通过测量所制硅样品的光学性质参与了这项研究。“你必须说服大自然允许这种不寻常形式的硅锗的生长。它喜欢立方形,这就是它的作用。”

然而,多年来,埃因霍温的研究小组已经发展出生长纳米管的专业知识,并推断在锗的平面上不起作用的东西可能在纳米管的曲面上起作用。这一次一切都解决了。“我们所做的是使用砷化镓纳米线,它具有六边形结构。所以我们有一个六边形的茎,我们在核心周围形成了一个硅壳,它也有一个六边形的结构。

通过改变沉积在纳米管上的硅和锗的数量,研究人员发现,当锗的浓度超过65%时,六边形合金能够发光。

下一步是演示激光,换句话说,确定硅锗合金如何放大和发射激光,并对其进行测量。在硅锗能与硅基电子完全集成之前,还有几个悬而未决的问题需要解决,Haverkort说:“首先,这些设备必须与现有技术集成,这仍然是一个障碍。”他预计未来的量子计算机将使用低成本硅基LED等应用,光纤激光器、光传感器和发光量子点。

总的来说,从电气通信到光通信的转变将推动许多领域的创新,从用于自动驾驶的激光雷达到用于医疗诊断或实时空气污染检测的传感器。

来源:https://phys.org/news/2020-05-light-emitting-silicon-photonic.html

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