Lysemitterende silicium til fotonisk databehandling

Hvis computere transmitterede data ved hjælp af fotoner i stedet for elektroner, de ville yde bedre og bruge mindre strøm. Europæiske forskere studerer nu en ny lys-emitterende legering af silicium og germanium for at opnå fotoniske chips, som kan revolutionere databehandling

I løbet af de sidste 50 år, fotoner, partiklerne, der udgør lyset, har erstattet elektroner til dataoverførsel i kommunikationsnetværk. Den høje båndbredde af optiske signaler har drevet den enorme vækst af telefonsystemer, tv-udsendelser og internettet.

Imidlertid, fotoner har endnu ikke erstattet elektroner i computere. Brug af lys til at transmittere data i processorchips og deres indbyrdes forbindelser ville tillade en væsentlig stigning i hastigheden af ​​computere (hastigheden af ​​on-chip og chip-til-chip kommunikation kunne øges med en faktor på 1000) og på samme tid, reducere den strøm, der kræves for, at de kan fungere.

Avancerede mikroprocessorchips kan indeholde titusindvis af milliarder transistorer, og deres elektriske kobberforbindelser producerer store mængder varme, når de er i drift. I modsætning til fotoner, elektroner har en masse og en elektrisk ladning. Når det flyder gennem metaller eller halvledermateriale, de er spredt af silicium- og metalatomer, får dem til at vibrere og producere varme. Derfor, det meste af den strøm, der leveres til en mikroprocessor, er spildt.

Udfordringen med at udsende lys fra silicium

I dag, elektronikindustrien er gearet til at bruge silicium i computerchips på grund af dets fordelagtige elektroniske egenskaber og tilgængelighed. Det er en god halvleder, et rigeligt element, og - som siliciumoxid - en bestanddel af glas og sand.

Imidlertid, silicium er ikke særlig god til at håndtere lys på grund af dets krystallinske struktur. For eksempel, den kan ikke generere fotoner eller kontrollere deres flux til databehandling. Forskere har undersøgt lysemitterende materialer som galliumarsenid og indiumphosphin, men deres anvendelse i computere er fortsat begrænset, fordi de ikke integreres godt med den nuværende siliciumteknologi.

Formning af fotoniske chips:mod en revolution i elektronikindustrien

For nylig, Europæiske forskere rapporterede i tidsskriftet Natur en innovativ legering af silicium og germanium, der er optisk aktiv. Det er et første skridt, siger Jos Haverkort, en fysiker ved Eindhoven University of Technology i Holland:"Vi viste, at dette materiale er meget velegnet til lysemission, og at det er kompatibelt med silicium. "

Det næste trin er at udvikle en silicium-kompatibel laser, der vil blive integreret i det elektroniske kredsløb som lyskilden til fotoniske chips. Dette er det ultimative mål med projektet SiLAS, støttet af EU -programmet FET. Holdet, ledet af Erik Bakkers fra Eindhoven University, omfatter også forskere fra universiteterne i Jena og München i Tyskland, Linz i Østrig, Oxford i Storbritannien og fra IBM i Schweiz.

For at skabe laseren, forskerne kombinerede silicium og germanium i en sekskantet struktur, der er i stand til at udsende lys, overvinde ulemperne ved silicium, hvor atomerne er arrangeret i et mønster af terninger. Det var et svært projekt. Et første forsøg på at lokke silicium til at vedtage en sekskantet struktur ved at afsætte siliciumatomer på et lag af sekskantet germanium mislykkedes.

Silicium nægter stædigt at ændre sin kubiske struktur, når den dyrkes på plant sekskantet germanium, forklarer Jonathan Finley fra det tekniske universitet i München, som deltog i forskningen ved at måle de optiske egenskaber af de skabte siliciumprøver. "Du skal overbevise naturen for at tillade væksten af ​​denne usædvanlige form for siliciumgermanium. Den kan lide at vokse kubisk, det er hvad den gør, " han siger.

Imidlertid, i årenes løb, forskergruppen i Eindhoven har udviklet ekspertise i dyrkning af nanorør, og begrundede, at det, der ikke virker på en plan overflade af germanium, kan fungere på en buet overflade af et nanorør. Og denne gang lykkedes det. "Det, vi gjorde, var at bruge en nanotråd af galliumarsenid, som har en sekskantet struktur. Så vi havde en sekskantet stilk, og vi lavede en siliciumskal rundt om kernen, som også havde en sekskantet struktur, " siger Haverkort.

Ved at variere mængden af ​​silicium og germanium aflejret på nanorørene, fandt forskerne ud af, at den sekskantede legering var i stand til at udsende lys, når koncentrationen af ​​germanium var over 65 procent.

Det næste trin er en demonstration af lasering, med andre ord, at bestemme, hvordan silicium-germanium-legeringen kan forstærke og udsende lys som en laser, og måle det.

Der er flere åbne spørgsmål, der skal løses, før siliciumgermanium kan blive fuldt integreret med siliciumbaseret elektronik, bemærker Haverkort:"For det første, disse enheder skal integreres med eksisterende teknologier, og det er stadig en hindring." Han forventer, at fremtidige kvantecomputere vil bruge applikationer såsom billige siliciumbaserede LED'er, optiske fiberlasere, lyssensorer, og lysemitterende kvanteprikker.

Generelt, skiftet fra elektrisk til optisk kommunikation vil sætte skub i innovationen i mange sektorer, fra laserbaserede radarer til autonom kørsel til sensorer til medicinsk diagnose eller detektering af luftforurening i realtid.