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研究人员已经开发出一种单独组装片上光学器件和电子器件的技术这使得可以使用更为先进的晶体管技术。图片来自Amir

作者:九州网址  来源:九州网址  时间:2019-10-18 10:59  点击:

  研究人员已经开发出一种单独组装片上光学器件和电子器件的技术,这使得可以使用更为先进的晶体管技术。图片来自Amir Atabaki。

  来自于麻省理工学院、加州大学伯克利分校和波士顿大学的团队所领导的研究小组宣称他们已完成了自称为电光芯片开发中的“另一个里程碑”。

  这是一种单独地组装片上光学器件和电子器件的新技术,可以允许使用更为先进的晶体管技术。 该技术本身可能是新的,但它仅需要现有的制造工艺。

  在“自然”杂志上报道的最新突破,继承了该团队于2015年制造的上一代微处理器,该微处理器仅使用现有制造工艺构建而成,该工艺将电子和光学元件集成在同一芯片上。

  当时,研究人员提出的方法要求芯片的电子元件与其光学元件构建在相同的硅层之上。 这就意味着其依靠已建立起来的芯片技术,其中用于电子元件的硅层足够厚以用于兼容光学器件。

  “这项工作最有前景的方面是,你可以单独地去优化光子器件部分而不用考虑电子器件部分,”麻省理工学院电子研究实验室的研究科学家Amir Atabaki评论道,Amir Atabaki同时还是该新论文的三位第一作者之一。

  “我们现在拥有不同的硅电子技术,如果我们能够再增加光子技术,这将为未来的通信和计算芯片增添强大的能力。 例如,现在我们可以想象一个像英特尔或Nvidia这样的微处理器或GPU制造商说我们现在可以为我们的微处理器或GPU提供光子输入和输出。而且他们不需要为了获得片上光学性能的提升而太多地改造他们的工艺。”

  从电子通信转向光通信对芯片制造商很有吸引力,因为它可以显着地提高芯片的速度并降低其功耗,而随着芯片晶体管数量的不断增加,这一优势将变得更加重要。 半导体行业协会估计,按目前的增长速度计算,到2040年,计算机的能源需求将超过世界上总共的功率输出。

  将光学和电子组件集成在同一芯片上可进一步降低功耗。 Atabaki表示,目前市场上的光通信设备“消耗太多的功率并产生太多的热量,有待于将其集成到诸如微处理器之类的电子芯片中”。 将数字信息编码到光信号上的商用调制器所消耗的功率,是内置于这些研究人员的新芯片的调制器功率的10到100倍。

  这种调制器还占用了10到20倍的芯片空间。 在同一芯片上集成电子和光子技术,使得Atabaki和他的同事们能够采取更加节省空间的调制器设计,这种设计是基于一种称为环形谐振器的光子器件。

  Atabaki补充说:“我们可以得以使用光子体系结构,而如果没有集成电子技术,通常就无法利用这种光子体系结构。例如,今天没有使用光学谐振器的商业光学收发器,因为你需要相当大的电子技术能力来控制和稳定该谐振器。”

  Atabaki在“自然”杂志上的论文的共同第一作者为加州大学伯克利分校的博士研究生Sajjad Moazeni,以及这项工作完成时仍在科罗拉多大学博尔德分校做博士后工作的Fabio Pavanello。 其他的主要作者包括麻省理工学院电气工程和计算机科学教授Rajeev Ram、伯克利分校电气工程和计算机科学副教授Vladimir Stojanovic以及波士顿大学电子与计算机工程助理教授Milos Popovic。

  早期由Ram、Stojanovic和Popovic领导的集成光子学研究涉及称为晶片键合的工艺,在该工艺中,单个大型硅晶体被熔合到沉积在单独的芯片顶上的玻璃层上。 这项新工作能够在玻璃上直接沉积不同厚度的硅,必须将就于所谓的多晶硅,这种多晶硅由许多小的硅晶体组成。

  单晶硅对于光学和电子学都很有用,但是在多晶硅中,光学和电学效率之间存在权衡。 大晶体多晶硅在导电方面效率很高,但大晶体容易对光产生散射作用,从而降低光学效率。 小晶体多晶硅的散射光较少,但不是较好的导体。

  利用纽约州立大学奥尔巴尼分校纳米科学与工程学院的制造设施,研究人员尝试了一系列用于多晶硅沉积的方案,通过改变所用原料硅的类型、加工的温度和时间,直到他们最终找到了一个具有均衡的电子和光学特性的工艺方案。

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