晶片的升級——光電子晶片,光能代替電?

2020-12-06 北京科學中心

當代人不僅越來越離不開各類智能電子產品，而且對電子產品性能的要求也越來越高，總希望電腦和手機的反應速度再快點。

然而，不管是智慧型手機還是電腦，都離不開晶片，晶片的好壞決定了電子產品的性能。如今，電子技術飛快地更新換代，各種新型的晶片也如雨後春筍般出現。

在這些晶片中，有一類十分特立獨行，它不再靠電流來傳輸、處理信號，而是利用不同波長的光，這便是光電子晶片(optoelectronic chip)。

這是怎麼回事呢？下面，讓小編為大家介紹一下吧~

什麼是晶片？

介紹光電子晶片之前，我們先了解一下傳統的晶片。晶片的全名叫集成電路（integrated circuits），通俗來講就是把許許多多有複雜功能的電路集中地放在一小塊區域上。

以電腦中最重要的CPU（中央處理器）為例子，它本質上是由數以億計的「小開關」和其它電路元件組合而成的。

其中，這個「小開關」有一個高端大氣的名字叫電晶體（transistor）。當電晶體處於開啟狀態時，就會有電流通過；處於關閉狀態時，電流就會被掐斷。

當電晶體「開啟」，有電流通過時，記為狀態「1」；當電晶體「關閉」，沒有電流通過時，記為狀態「0」。

電腦中的晶片，便是通過記錄和處理上億個「010101」的數來實現邏輯計算和信息處理的功能。

當信息以「010101」的形式處理完畢後，這些數字便會被翻譯成屏幕上的圖畫、文字、視頻供我們觀看。

那麼電腦晶片中的這些「小開關」具體是如何工作的呢？

既然需要電流通過電晶體內部，那麼電晶體裡自然會有電流流入的一端和電流流出的一端，它們分別叫做「源極」和「漏極」。

而起到「開關」作用的部分像一個柵欄一樣，能夠阻斷或允許電流通過，於是它被形象地稱為「柵極」。

電晶體示意圖

上圖就是電晶體的示意圖，通常情況下它是絕緣的，電流無法從它的內部通過，即為「0」狀態。

這時，如果在柵極施加一定大小的電壓，電晶體內部的導電性能就會發生變化，形成一條導電溝道，於是電流就可以從源極進入，從柵極流出，電晶體轉變為「1」狀態。

開啟狀態的晶片

於是，我們只需要控制電晶體柵極的電壓就可以輕鬆地改變晶片的狀態，使其表示「0」或「1」。

上億個這樣的電晶體排列在一起，就可以記錄和處理各種各樣的龐大數據，這些數據經過翻譯，變成我們看到的畫面。

光電子晶片元件

光電子晶片的原理實際上和傳統晶片十分相似，也由無數個「小開關」（光電子晶片元件）構成，其中一個技術手段就是把「小開關」中的電流換成了光。讓我們先來看一下它的結構（簡化模型）：

簡化的光電晶片元件示意圖

由上述的簡化模型可以看出，光電子晶片元件主要由柵極、光波導、襯底三大部分組成。其中，光波導相當於一個「篩子」，可以讓特定頻率或波長的光通過，而阻斷其他頻率的光。

但是，光波導這個「篩子」不是一成不變的，一旦柵極上被施加一個電壓，它就會改變自己的篩選標準，只讓另外一種頻率的光通過，而阻斷其他的光。

光電子晶片元件柵極的作用

可能有小夥伴會問，為什麼柵極電壓可以改變光波導的篩選標準呢？光波導又是怎麼實現篩選不同頻率的光的呢？

其實，這和吉他的原理差不多，一根固定好的琴弦，當你撥動時總會發出同一種頻率的聲音。但當你通過另一隻手的按壓，改變了琴弦的長度與張弛時，發出聲音的頻率也會隨之改變。

光和聲音類似，本質上是一種波的振蕩，當光進入光波導後，會在裡面不斷地振蕩。而光波導邊界的性質，決定了裡面允許的振蕩模式與頻率，只有特定頻率的光能夠在光波導內發生振蕩。

如果光的頻率與光波導不對應，這種光就無法在光波導內振蕩起來，振蕩消失，光也不會存在，於是不滿足頻率要求的光就會被阻擋在外面。

而柵極就像是彈吉他時的左手，通過改變光波導邊界的性質，來改變其內部允許通過的頻率。而施加電壓是一種既簡單又容易實現的改變邊界性質的方法。

講到這裡，小夥伴不妨自己思考一下，如果讓你用光電晶片元件做一個可以用來處理的CPU，你會怎麼設計呢？

其實很簡單，我們可以完全參照傳統的晶片進行設計。首先我們要選擇一種特定頻率的光，當柵極施加電壓時，這種光可以通過，記為狀態「1」；當柵極不施加電壓時，這種光被阻斷，記為狀態「0」。

於是，通過上億個光電子晶片元件的集成與組合，晶片中就能存有上億個「0」或「1」的數據，通過處理、計算這些數據，就能實現各種各樣的功能。

不過，這裡介紹的光電子晶片還只是其中一個簡化的模型，真正的晶片內還會有更複雜、更精細的結構。

看完之後，有些小夥伴可能會問：我們已經發展出了一套優良的傳統晶片技術，為啥還要研究光電子晶片呢？

其實，這個問題的答案很複雜，但可以明確的一點是，隨著傳統晶片越做越小，集成度（單位面積電晶體個數）越來越高，加工工藝越來越複雜，它的性能幾乎已經被提升到了極限，在未來很難有更高的技術超越。

然而，人們對晶片性能的要求幾乎是無止境的，未來的人們一定比當今的我們更加依賴電子設備，傳統晶片終有一天會無法滿足人們的日常使用需求。所以，以光電子晶片為代表的新型技術漸漸活躍起來。

不過，基於上述原理設計的光電子晶片，由於目前的發光器件與電子電路存在不兼容的問題，一些具備很好電學性能的材料，不一定有很好的發光性能，因此，這項技術還停留在實驗室裡。

相信隨著電子與光電集成技術的發展，我們在不久的將來就能使用到這種新型的晶片了！

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