國外用世界首個硅激光器打造光子芯片，可將光通信速度提高千倍

　　幾十年來，“硅發(fā)光”一直是微電子行業(yè)的圣杯，解決這個難題將徹底改變計算，因為受益于此，芯片將變得比以往任何時候都快。

　　近日，埃因霍溫理工大學（TU/e）的研究人員現(xiàn)在已經開發(fā)出一種硅合金，這種硅合金可以發(fā)光，實現(xiàn)光子傳輸。該團隊現(xiàn)在將在此基礎上開發(fā)一種硅激光器，集成到當前芯片中。

　　圖源：埃因霍溫科技大學

　　光子通信代替電子通信，芯片提速1000倍

　　目前以半導體為基礎的技術正在達到頂峰，但限制因素是熱量。

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

　　最近，埃因霍溫科技大學的一項新研究表明，硅可以發(fā)射光子來傳輸數(shù)據(jù)，傳輸過程中并不會帶來熱量，可以消除高能耗芯片與芯片間通信帶來熱量過多，導致傳輸緩慢的問題。

　　使用光學裝置來測量發(fā)射的光

　　圖源：埃因霍溫科技大學

　　光纖中通常是通過光子來攜帶信息而不是電子。與電子相反，光子不經歷電阻，由于它們沒有質量或電荷，它們在所通過的材料中的散射會更少，因此不會產生熱量，能源消耗將減少。

　　此外，通過用光通信代替芯片內的電子通信，芯片內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觸手可及的新應用，想一想激光雷達自動駕駛汽車和化學傳感器的醫(yī)療診斷、測量空氣和食品質量。

　　不過，在芯片中使用光需要集成激光器，但計算機芯片的主要半導體材料硅在發(fā)光方面效率極低，因此硅長期以來被認為在光子學中不起作用，而光子芯片也遲遲沒能成為現(xiàn)實。

　　于是，科學家們開始轉向了能隙寬的半導體，例如砷化鎵和磷化銦，兩者都擅長發(fā)光。一個歐洲財團的研究人員對砷化鎵的量子光子波導電路進行了實驗，還有加利福尼亞大學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，成本實在太高。

　　因此，埃因霍溫科技大學的研究人員認識到，硅仍然是當今制造絕大多數(shù)IC的首選材料，如果硅也可以發(fā)射光子并由此增強數(shù)據(jù)通信，同時消除熱量問題，對于設計者來說，可是莫大的福音。

　　突破：六角形硅鍺終于發(fā)光

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

　　他們遇到最大的問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合成六邊形結構的方法，希望從而實現(xiàn)發(fā)射和透射光的直接帶隙。

　　來自TU/e的首席研究員Erik Bakkers說：

　　“關鍵在于所謂的半導體帶隙的性質，如果電子從導帶‘滴’到價帶，半導體就會發(fā)出光子。但是，如果導帶和價帶相互位移（稱為間接帶隙），就不能像硅那樣發(fā)射光子。不過，一個50年前的理論表明，與鍺合金并形成六邊形結構的硅確實具有直接的帶隙，因此可能會發(fā)光?！?/p>

　　但顯然理想與現(xiàn)實往往不是同一回事。2015年，埃因霍溫科技大學的研究人員發(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了硅，但事實證明該外殼無法透射或發(fā)光。

　　不過，近期該研究迎來了轉機。在Erik Bakkers的帶領下，許多相同的研究人員已經設法制造出一種改進的六角形硅鍺殼。當由外部激光器激發(fā)時，所得的硅鍺納米線實際上能夠透射光。

　　硅鍺殼制成的光導納米線

　　圖源：埃因霍溫科技大學

　　根據(jù)Bakkers的說法，下一步是創(chuàng)建實際的激光來激發(fā)納米線，當然，所謂納米線就是指硅。

　　2020年，世界首個硅激光器將現(xiàn)

　　六角形SiGe合金的發(fā)射非常有效，適合開始生產全硅激光器。但直到現(xiàn)在，還不能使它們發(fā)光。Bakkers團隊正在通過減少雜質和晶體缺陷的數(shù)量，設法提高了六角硅鍺外殼的質量，當用激光激發(fā)納米線時，他們可以測量新材料的效率。

　　圖源：埃因霍溫科技大學

　　AlainDijkstra是第一作者，也是負責測量光發(fā)射的研究人員，他說：“我們的實驗表明，這種材料結構正確，沒有缺陷，它能非常有效地發(fā)光。”

　　Bakkers說：

　　“到目前為止，我們已經實現(xiàn)了幾乎可以與磷化銦和砷化鎵相媲美的光學性能，并且材料的質量正在急劇提高。如果運行平穩(wěn)，我們可以在2020年制造出硅基激光器。這將使光學功能與主流電子平臺緊密集成，這將打破片上光通信和基于光譜學的價格合理的化學傳感器的開放前景。”

　　如此一來，成功研發(fā)出硅激光器，也只是時間問題。