Siliciumbølgeledere flytter os tættere på hurtigere, lysbaserede logiske kredsløb

IBM-forskere er lykkedes med at lede synligt lys gennem en siliciumtråd effektivt, en vigtig milepæl i udforskningen mod en ny race af hurtigere, mere effektive logiske kredsløb.

I årtier, hastigheden på vores computere er vokset i et jævnt tempo. Processoren til den første IBM -pc, der blev frigivet for 40 år siden, drives med en hastighed på omkring 5 millioner clock-cyklusser i sekundet (4,77 MHz). I dag, processorer i vores personlige computere kører omkring 1000 gange hurtigere.

Imidlertid, med den nuværende teknologi, de bliver sandsynligvis ikke hurtigere end det.

I de sidste 15 år, klokfrekvensen for enkeltprocessorkerner er gået i stå på et par gigahertz. Og den gamle og afprøvede tilgang med at proppe stadig flere transistorer på en chip vil ikke længere hjælpe med at rykke denne grænse. I hvert fald ikke uden at bryde penge i forhold til strømforbrug.

En vej ud af stagnationen kunne komme i form af optiske kredsløb, hvor informationen er kodet i lys frem for elektronik. I 2019, et IBM Research-team byggede sammen med partnere fra den akademiske verden verdens første ultrahurtige optiske transistor, der er i stand til at fungere ved stuetemperatur. Holdet følger nu op med endnu en brik i puslespillet, en siliciumbølgeleder, der forbinder sådanne transistorer, transporterer lys mellem dem med minimale tab.

At forbinde transistorerne i et optisk kredsløb med siliciumbølgeledere er et vigtigt krav for at gøre kompakte, meget integrerede chips. Det er fordi det er nemmere at placere andre nødvendige komponenter såsom elektroder i nærheden, hvis bølgelederen er lavet af silicium. De teknikker, der anvendes til dette formål, er blevet forfinet i årtier i halvlederindustrien.

Imidlertid, silicium, der er en notorisk stærk absorber af synligt lys, gør det fantastisk til at fange sollys i solcellepaneler, men et dårligt valg for en bølgeleder, hvor lysabsorption betyder signaltab.

At lave et hegn for at begrænse lyset

Så, IBM-forskerne tænkte på måder at bruge den modne siliciumteknologi på og samtidig omgå absorptionsproblemet. Deres løsning involverer nanostrukturer kaldet højkontrastgitter med en slående adfærd, som nogle af teammedlemmerne allerede havde opdaget for over 10 år siden, dog til en anden ansøgning.

Et højkontrastgitter består af "stolper" i nanometerstørrelse, der er linet op for at danne et slags hegn, der forhindrer lys i at slippe ud. Stolperne er 150 nanometer i diameter og er anbragt på en sådan måde, at lys, der passerer gennem stolperne, forstyrrer destruktivt lys, der passerer mellem stolper. Destruktiv interferens er et velkendt fænomen, hvor bølger, der oscillerer ude af sync, ophæver hinanden på et punkt i rummet. Det påvirker lys, som er en elektromagnetisk bølge, ligesom det lyder og andre bølgetyper. I dette tilfælde, den destruktive interferens sørger for, at intet lys kan "sive" gennem gitteret. I stedet, det meste af lyset bliver reflekteret tilbage inde i bølgelederen. IBM-forskerne viste også, at absorptionen af ​​lys inde i selve stolperne er minimal. Alt dette tilsammen udmønter sig i tab på kun 13 procent langs en lysvej på 1 millimeter inde i bølgelederen. Til sammenligning:Langs allerede kun en hundrededel af den afstand (10 mikrometer) i en ren siliciumbølgeleder uden ristene, tabene ville udgøre 99,7 procent.

Simuleringer for præcist ristdesign

På sit ansigt, den grundlæggende idé bag højkontrastristene ser enkel ud. Imidlertid, det var virkelig overraskende, da forskerne for første gang fandt ud af, at de kunne forhindre lys i at blive absorberet af et "mørkt" materiale som silicium.

Tilbage i 2010, da de først observerede riveeffekten, det forekom i et lasermikrohulrum, hvilket hjalp, fordi laserens lysforstærkning ville kompensere for tabene. Også, de fik lyset til at ramme gitrene ved næsten 90 grader, hvilket er et sødt sted for gittereffekten at slå ind. Men at holde tabene lave i en bølgeleder uden fordelen ved laserforstærkningen og ved næsten græssende lysindfald var meget mere udfordrende.

For at sikre, at deres ristdesign ville være op til opgaven, holdet kørte simuleringer, der viste, hvordan lysudbredelsen inde i bølgelederen ville ændre sig med varierende gitterdimensioner. De fandt ud af, at gitteret ville give effektiv styring af lys over et bredt bånd af bølgelængder. Det eneste, de skulle gøre, var at vælge den rigtige afstand mellem ristestolperne og lave selve stolperne til den rigtige tykkelse inden for en præcisionsmargin på 15 nanometer. Ved at bruge en standard silicium fotonik fremstillingsproces, disse krav viste sig at være håndterbare. Faktisk, eksperimenterne bekræftede, hvad simuleringerne havde forudsagt i form af lavt tab for synligt lys i området mellem 550 og 650 nanometer.

Potentielle fordele for optiske kredsløb og mere

Holdet fandt nogle beviser gennem simuleringer på, at dette design kan bruges til ikke kun at lave lige bølgeledere, men også lede lyset rundt om hjørner. Men de har endnu ikke kørt eksperimenterne for at bekræfte denne idé. Selvom det viser sig muligt, nogle yderligere optimeringer vil være nødvendige for at holde de ekstra tab lave i så fald. Ser frem til, et næste skridt vil være at konstruere den effektive kobling af lyset ud af bølgelederne til andre komponenter. Det vil være et afgørende skridt i holdets flerårige udforskende forskningsprojekt med det mål at integrere de helt optiske transistorer, de demonstrerede i 2019, i integrerede kredsløb, der er i stand til at udføre simple logiske operationer.

Teamet mener, at deres lavtabte siliciumbølgeleder kunne muliggøre nye fotoniske chipdesigner til brug i biosensering og andre applikationer, der er afhængige af synligt lys. Det kunne også gavne konstruktionen af ​​mere effektive optiske komponenter såsom lasere og modulatorer, der i vid udstrækning anvendes i telekommunikation.