用硅纳米电子学将光子仪集成到芯片设计中

研究人员开发了一种用于分别组装片上光学和电子的技术，这使得能够使用更现代的晶体管技术。图像：Amir Atabaki.

新技术将允许向现有芯片添加光通信组件，其设计几乎没有修改。

两年半前，由伯克利加州大学的MIT团队领导的研究人员团队和波士顿大学宣布了一个里程碑：制造工作微处理器，仅使用现有的制造工艺建造，即集成的电子和光学同一芯片上的组件。

然而，研究人员的方法要求芯片的电气元件从与其光学元件相同的硅层构成。这意味着依赖于较旧的芯片技术，其中电子器件的硅层足够厚的光学器件。

在最新的大自然中，由同一个麻省理工学院，伯克利和布群体领导的18名研究人员报告了另一个突破：一种用于分别组装片上光学和电子的技术，可以使用更多现代晶体管技术。同样，该技术只需要现有的制造过程。

“关于这项工作的最有希望的事情是您可以独立于您的电子产品优化您的光子学，”MIT研究实验室的研究科学家Amir Atabaki说，电子产品研究实验室和新纸上的三位第一作者之一。“我们有不同的硅电子技术，如果我们只能向他们添加光子，那么它将成为未来通信和计算芯片的巨大能力。例如，现在我们可以想象一种微处理器制造商或类似于英特尔或NVIDIA的GPU制造商，“这非常好。我们现在可以为我们的微处理器或GPU进行光子输入和输出。他们不必在他们的过程中改变很大，以获得片上光学的性能提升。“

光上诉

从电气通信移动到光学通信对芯片制造商具有吸引力，因为它可以显着提高芯片的速度并降低功耗，这是芯片晶体管计数越来越重要的重要性：半导体行业协会估计，在目前的增加率下，计算机的能源需求将超过2040年的世界总功率输出。

相同芯片上的光学或“光子” - 和电子元件的集成还会降低功耗。光学通信设备今天在市场上，但它们消耗了太多的电源并产生太多的热量，以集成到诸如微处理器的电子芯片中。一种商业调制器 - 将数字信息编码到光信号上的设备 - 在研究人员的新芯片内置的调制器中消耗10到100倍的电量。

它还占用10到20倍的芯片空间。这是因为同一芯片上的电子和光子学的集成使得ATABAKI和他的同事能够基于称为环形谐振器的光子器件来使用更节省的调制器设计。

“我们可以访问您无法在没有集成电子设备的情况下通常使用的光子架构，”ATabaki解释说。“例如，今天没有使用光学谐振器的商业光学收发器，因为您需要相当大的电子设备可以控制和稳定该谐振器。”

Atabaki在自然纸上的联合作者是伯克利博士学位的博士Moazeni，以及Fabio Pavanello，他是在博尔德大学的博尔多，当时完成了这项工作。高级作者是MIT电气工程教授的Rajeev Ram; Vladimir Stojanovic是伯克利电气工程和计算机科学副教授的副教授;波士顿大学助理电脑工程助理教授米洛博诺维奇。他们在奥尔多斯大学的MIT伯克利伯克利大学的其他研究人员加入了12位研究人员，纽约州纽约州纽约州立大学，以及Ayar Labs，一个综合性光子学初创公司，ram，Stojanovic和Popovic帮助找到。

施胶晶体

除了用于执行计算的数百万晶体管之外，研究人员的新芯片包括光通信所需的所有组件：调制器;波导，它穿过芯片的光线;谐振器分开不同波长的光，每个光波可以携带不同的数据;和光电探测器，将输入光信号转换回电信号。

硅 - 这是大多数现代计算机芯片的基础 - 必须在一层玻璃顶部制造，得到有用的光学元件。硅和玻璃的折射率与玻璃之间的差异 - 材料弯曲光的程度是局限于光到硅光学部件的范围。

较早的关于集成光子学的工作，也由RAM，Stojanovic和Popovic引导，涉及称为晶片键合的过程，其中单个大晶的硅熔合到沉积在单独的芯片上的一层玻璃。新的工作，在使硅的直接沉积在玻璃顶部的直接沉积方面，必须用所谓的多晶硅进行，该多晶硅由许多小晶体组成。

单晶硅可用于光学和电子产品，但在多晶硅中，光学和电气效率之间存在权衡。大晶体多晶硅在电力下有效，但大晶体倾向于散射光，降低光学效率。小晶多晶硅散发着较少的光线，但它并不像导体一样好。

使用Suny-albany的大学的制造设施为纳米级科学和工程，研究人员尝试了一系列多晶硅沉积的食谱，改变了所使用的原始硅的类型，加工温度和时间，直到他们发现一个提供了良好的权衡电子和光学性质。

“我认为我们必须在找到一个恰到好处的材料之前经历了超过50个硅晶片，”Atabaki说。

出版物：Amir H. Atabaki等，“将光子学用硅纳米电子集成在芯片上的下一代系统，”自然“，第556页，第349-354（2018）DOI：10.1038 / S41586-018-0028-Z