硅波导使我们离基于光的高速计算机电路更近了一步

一对硅高对比度光栅

图示:一对硅高对比度光栅可用于引导芯片上的可见光,尽管硅材料吸收很大,但损耗却很低。资料来源:Urbonas, D., Mahrt, R.F.和Stöferle

几十年来,我们计算机的速度一直在稳步增长。40年前发布的第一台IBM个人电脑的处理器,运行速度大约为每秒500万个时钟周期(4.77 MHz)。今天,我们个人电脑的处理器运行速度大约是现在的1000倍。

然而,以目前的技术,他们不太可能比这更快。

在过去的15年里,单个处理器核心的时钟频率停滞在几兆赫(1兆赫=每秒10亿个时钟周期)。把更多的晶体管塞到一块芯片上这一古老而久经考验的方法将不再有助于突破这一界限。至少在不消耗大量电力的情况下是这样的。

一个摆脱停滞的方法可以以光电路的形式出现,其中信息被编码在光中而不是电子中。2019年,IBM的一个研究团队与学术界的合作伙伴一起建造了世界上第一个能够在室温下工作的超快全光晶体管。该团队现在继续研究这个难题的另一个部分,一个连接这些晶体管的硅波导,在它们之间携带光,损耗最小。

具有高对比度光栅波导的硅测试芯片

具有高对比度光栅波导的硅测试芯片。资料来源:Urbonas, D., Mahrt, R.F.和Stöferle, T。

将光电路的晶体管与硅波导连接起来,是制造紧凑、高度集成芯片的重要要求。这是因为如果波导是硅做的,就更容易在其附近放置其他所需的元件,比如电极。用于这一目的的技术在半导体工业中已经经过了几十年的改进。

然而,硅是一种众所周知的可见光吸收剂,这使得它在光伏板中捕捉阳光非常好,但在波导中,光的吸收意味着信号的损失,硅是一个糟糕的选择。

用栅栏来限制光线

因此,IBM的研究人员想出了一些方法来使用成熟的硅技术,同时避开吸收问题。他们的解决方案涉及到被称为高对比度光栅的纳米结构,该结构具有惊人的性能,一些团队成员早在十多年前就发现了这种结构,尽管是用于另一种应用。

高对比度光栅由纳米大小的“柱子”组成,它们排成一排,形成一种阻挡光线逃逸的栅栏。这些柱子的直径为150纳米,并且它们之间的间隔使得穿过柱子的光对穿过柱子的光产生破坏性的干扰。破坏性干涉是一种众所周知的现象,即不同步振荡的波在空间某一点上相互抵消。它会影响电磁波——光,就像它影响声波和其他类型的波一样。在这种情况下,破坏性干涉确保没有光“漏”过光栅。相反,大部分的光被反射回波导内。IBM的研究人员还表明,柱子本身对光线的吸收是最小的。所有这些加在一起,在波导内1毫米的光传播路径上只能造成13%的损失。比较一下:在没有光栅的纯硅波导中,沿着这个距离的百分之一(10微米),损耗将达到99.7%。

精确光栅设计的模拟

表面上看,高对比度光栅背后的基本思想看起来很简单。然而,当研究人员第一次发现它们可以防止光被像硅这样的“暗”物质吸收时,确实令人惊讶。

早在2010年,当他们第一次观察到光栅效应时,它发生在一个激光微腔中,因为激光的光放大可以弥补这种损失。此外,他们让光线以接近90度的角度照射光栅,这是光栅效应的最佳发挥点。但是在没有激光增益的情况下,在几乎掠入射的情况下,保持波导的低损耗是非常具有挑战性的。

为了确保他们的光栅设计能够胜任这项任务,研究小组进行了模拟,展示了波导内的光传播如何随着光栅尺寸的变化而变化。他们发现,光栅可以有效地引导波长较宽的波段上的光。他们所需要做的就是在光栅柱之间选择合适的间距,并在15纳米的精度范围内使光栅柱本身达到合适的厚度。使用标准的硅光子学制造工艺,这些要求被证明是可以做到的。事实上,实验证实了模拟的预测,即可见光在550到650纳米范围内的低损耗。

对光学电路及其他领域的潜在好处

研究小组通过模拟发现了一些证据,证明这种设计不仅可以用来制作直波导,还可以引导光线绕过拐角。但他们还没有进行实验来证实这个想法。即使它被证明是可行的,在这种情况下,还需要进一步的优化来保持较低的额外损失。展望未来,下一步将是设计出有效耦合光波导到其他组件。这将是该团队多年探索性研究项目的关键一步,该项目的目标是将2019年演示的全光晶体管集成到能够执行简单逻辑操作的集成电路中。

该团队相信,他们的低损耗硅波导可以使新型光子芯片设计用于生物传感和其他依赖可见光的应用。它还可以帮助制造更高效的光学元件,如广泛应用于电信的激光器和调制器。

参考:Darius Urbonas, Rainer F. Mahrt和Thilo的《用高损耗材料制作的低损耗光波导》Stöferle, 2021年1月12日,光:科学与应用
DOI: 10.1038 / s41377 - 020 - 00454 - w

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