國外用世界首個矽雷射器打造光子晶片,可將光通信速度提高千倍

2020-11-25 RFID世界網

　　幾十年來，「矽發光」一直是微電子行業的聖杯，解決這個難題將徹底改變計算，因為受益於此，晶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）的研究人員現在已經開發出一種矽合金，這種矽合金可以發光，實現光子傳輸。該團隊現在將在此基礎上開發一種矽雷射器，集成到當前晶片中。

　　

　　圖源：埃因霍溫科技大學

　　光子通信代替電子通信，晶片提速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，數據通常通過電子流傳輸，而電子流在通過晶片電晶體的銅線和許多電阻時，會產生大量熱量。這意味著數據量越大，電子流傳輸產生的熱量越多。若要繼續推進數據傳輸，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，矽可以發射光子來傳輸數據，傳輸過程中並不會帶來熱量，可以消除高能耗晶片與晶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，由於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，通過用光通信代替晶片內的電子通信，晶片內和晶片間通信的速度可以提高1000倍，數據中心將受益匪淺，數據傳輸速度更快，冷卻系統能耗更低。而且這些光子晶片也將帶來觸手可及的新應用，想一想雷射雷達自動駕駛汽車和化學傳感器的醫療診斷、測量空氣和食品質量。

　　不過，在晶片中使用光需要集成雷射器，但計算機晶片的主要半導體材料矽在發光方面效率極低，因此矽長期以來被認為在光子學中不起作用，而光子晶片也遲遲沒能成為現實。

　　於是，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聖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於，它們很難集成到現有的矽微晶片中，不能與矽很好地發揮作用，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，矽仍然是當今製造絕大多數IC的首選材料，如果矽也可以發射光子並由此增強數據通信，同時消除熱量問題，對於設計者來說，可是莫大的福音。

　　突破：六角形矽鍺終於發光

　　接下來，研究人員開展了數年對這種發光矽解決方案的研究。

　　他們遇到最大的問題是矽的間接帶隙阻止了矽的發光，為此，他們把目光投向了將矽與鍺結合成六邊形結構的方法，希望從而實現發射和透射光的直接帶隙。

　　來自TU/e的首席研究員Erik Bakkers說：

　　「關鍵在於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），就不能像矽那樣發射光子。不過，一個50年前的理論表明，與鍺合金並形成六邊形結構的矽確實具有直接的帶隙，因此可能會發光。」

　　但顯然理想與現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表了一篇論文，論證了將磷化鎵製成的六角形外殼用作六角形矽的模板。他們成功地在六角形外殼中生產了矽，但事實證明該外殼無法透射或發光。

　　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製造出一種改進的六角形矽鍺殼。當由外部雷射器激發時，所得的矽鍺納米線實際上能夠透射光。

　　

　　矽鍺殼製成的光導納米線

　　圖源：埃因霍溫科技大學

　　根據Bakkers的說法，下一步是創建實際的雷射來激發納米線，當然，所謂納米線就是指矽。

　　2020年，世界首個矽雷射器將現

　　六角形SiGe合金的發射非常有效，適合開始生產全矽雷射器。但直到現在，還不能使它們發光。Bakkers團隊正在通過減少雜質和晶體缺陷的數量，設法提高了六角矽鍺外殼的質量，當用雷射激發納米線時，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，它能非常有效地發光。」

　　Bakkers說：

　　「到目前為止，我們已經實現了幾乎可以與磷化銦和砷化鎵相媲美的光學性能，並且材料的質量正在急劇提高。如果運行平穩，我們可以在2020年製造出矽基雷射器。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於光譜學的價格合理的化學傳感器的開放前景。」

　　如此一來，成功研發出矽雷射器，也只是時間問題。

1

相關焦點

  • 光通信未來方向:矽光子現狀及前景解讀
    而這種轉換會讓速度變慢。」網際網路依靠光子攜帶信息通過光纖網絡，一旦一個數據流抵達家庭或辦公室終端，光子必須先轉換為電子，路由器或計算機才能夠處理信息。如果數據流在計算機的處理器內保持光的形態，就可能消除這個瓶頸。梅農說：「我們的願景是用光來完成這一切。計算速度最終可提高數百萬倍。」
  • 大突破:計算機快1千倍,純矽基光子晶片指日可待,矽能發光了!
    其次，光子晶片速度遠超電子晶片，簡單來說，光子速度遠比導體內的電子要快多了，導體內電子速度大概593km/s，而光子則是光速300000km/s，兩者不在一個量級上，速度越快，意味著計算能力越強，運算速度越快。
  • 群雄逐鹿矽光子晶片市場
    矽光技術的核心理念是「以光代電」，即採用雷射束代替電子信號傳輸數據，將光學器件與電子元件整合至一個獨立的微晶片中。在矽片上用光取代傳統銅線作為信息傳導介質，大大提升晶片之間的連接速度。時任IBM Research矽光子部門(Silicon Photonics Group)經理Will Green表示，該晶片的4個laser信道──分別以25Gbps的速度在晶片上運作──是以鍺(germanium)光學探測器以及光學解多任務器(demultiplexers)，將之融合為單一100Gbps電子信號，在需要時進行處理；該電子信號能以幹涉儀(interferometers)調變四道晶片外的
  • 科研人員開發矽光子晶片 光通信速度提高1000倍
    幾十年來，「矽發光」一直是微電子行業的聖杯，解決這個難題將徹底改變計算，因為受益於此，晶片將變得比以往任何時候都快。據報導，近日，埃因霍溫理工大學（TU/e）的研究人員現在已經開發出一種矽合金，這種矽合金可以發光，實現光子傳輸。該團隊現在將在此基礎上開發一種矽雷射器，集成到當前晶片中。
  • 矽和鍺發光合金誕生!製造光子晶片,將給計算機帶來革命性變化!
    如果計算機使用光子而不是電子來傳輸數據，它們的性能會更好，耗電量也會更少。科學家們目前正在研究一種新的矽和鍺發光合金，以獲得光子晶片，這將給計算機帶來革命性的變化。光子，即構成光的粒子，已基本取代電子在通信網絡中進行數據傳輸。光信號的高帶寬推動了電話系統、電視廣播和網際網路的巨大增長，然而，光子還沒有取代計算機中的電子。
  • 背靠中科院,仕佳光子搶佔世界光通信晶片技術先機?
    由於需要深厚的技術積累，研發和生產周期長，光通信晶片技術成為中國光通信產業的軟肋。仕佳光子「以芯為本」，其國產光通信晶片已經廣泛應用於骨幹網和城域網，還進入了光纖到戶、數據中心、4G/5G建設等多元場景。與中科院半導體所合作研發，仕佳光子能否實現技術突破，搶佔世界光通信產業先機？
  • 荷蘭研發能夠發光的矽合金 將晶片內/晶片間的通信速度提高1000倍
    蓋世汽車訊 數十年來，讓矽發光是微電子行業內的制勝法寶（Holy Grail），如果能夠解決該難題將徹底變革計算行業，因為晶片的速度將比以往時候快得多。由於光子既沒有質量，也沒有電荷，在穿過材料時，散射得更少，因此不會產生熱量，進而能源消耗也會減少。此外，利用光學通信裝置取代晶片內的電氣通信裝置，可以將晶片內以及晶片之間的通信速度提高1000倍。數據中心將可從中受益最大，因為數據傳輸更快，冷卻系統的能耗就更少。不過，此類光子晶片也能夠實現新的應用，如用於自動駕駛汽車的雷射雷達、用於醫療診斷或測量空氣和食物質量的化學傳感器等。
  • 中建八局打造華為首個晶片廠房封頂,光工廠造的是什麼晶片?
    平地一聲雷，怎麼不聲不響地，華為國內首個晶片廠房已經被中建八局造出來了？根據中建八局官網消息，這將是華為在中部地區最大的研發基地。 該項目大約在2019年10月完成建設方案，總投資約為18億元人民幣。短短一年，成功封頂，不得不再次嘆服於中國速度。
  • 光子晶片技術發展現狀及趨勢分析
    這裡有兩個重要的時間點：1960年，美國物理學家梅曼發明了世界首臺雷射器，人類第一次有了如此單色性好、高準直、高能量密度的光源；1964年，中國科學院西安光學精密機械研究所完成了高速攝影機的研製，拍攝到我國第一顆原子彈爆炸的瞬間過程。 　　以電子驅動的集成電路業發展一直遵循摩爾定律，但經過半個多世紀的發展，該定律逐步呈現失效的態勢。
  • 經過多年努力光子晶片終於迎來了突破性發展
    解決這一難題將徹底改變計算，因為晶片將比以往更快。埃因霍溫科技大學的研究人員現已成功：他們開發了一種可以發光的矽合金。該結果已發表在《自然》雜誌上。該團隊現在將開始創建可集成到當前晶片中的矽雷射器。 每年我們使用並產生大量數據。但是我們目前基於電子晶片的技術正在達到極限。限制因素是熱量，這是由於電子穿過連接晶片上許多電晶體的銅線時遇到的電阻而產生的。
  • 2nm技術的晶片開始沒落,下一代信息科技基石一定是光子晶片
    4.韓國蔚山國立科學技術研究院開發出全球首個三進位半導體元件韓國蔚山國立科學技術研究院開發出全球首個三進位半導體元件。研究人員成功在大尺寸晶圓上創造出一種運用三進位邏輯的半導體元件。與目前的二進位半導體器件相比，基於三進位的新型晶片將縮短數據處理時間、降低功耗。
  • 新型微納光子晶體雷射器研製成功—新聞—科學網
    香港中文大學（深圳）理工學院教授張昭宇課題組與合作團隊在矽基光晶片領域取得重要進展，首次實現了可與微電子單片集成的矽基三五族微納光子晶體雷射器。
  • 光子晶片能否破局國外晶片對高科技領域的封鎖，實現彎道超車
    ​目前晶片用的材料是矽，當發展到5納米以下的製程後，這種材料無法滿足工藝要求時，就會被淘汰，便會尋找其它材料來取代。新型的光子材料極有可能用於晶片的製造，被稱之為光子晶片。光子晶片利用半導體發光，結合光的速度和帶寬，具備了抗幹擾性和快速傳播的特性。
  • 矽/有機混合雷射器輸出紅光
    作者：Bridget Marx 英國聖安德魯斯大學有機半導體中心的研究人員開發出了混合矽/聚合物面發射紅光雷射器。該款雷射器利用聚合物增強矽基的雷射輸出，具有室溫運行和可調諧的特性，其有望成為用於晶片之間通信的低成本光源。
  • 世界首臺晶圓級氮化矽異質集成雷射器
    隨著網際網路流量的持續爆發，晶片層面的「光進銅退」將是大勢所趨，矽光子技術有望成為應對摩爾定律失效的顛覆性技術。近日， Nexus Photonics公司聯合創始人兼首席執行長Tin Komljenovic博士及其科研團隊在矽光子集成研究領域取得重大進展，首次將晶圓級電泵浦光源集成到SiN光子平臺上，並研製出世界上第一臺在矽帶隙以下波長工作的GaAs/SiN異質集成雷射器。
  • 仕佳光子:以芯為本專注光通信領域 從「無源+有源」走向光電集成
    葛海泉：公司始終秉承「以芯為本」的理念，保持對光晶片、光器件的持續研發投入，努力打造自主晶片的核心能力。公司一直積極貫徹和服務「寬帶中國」「網絡強國」和「數字中國」等國家戰略，努力推動國家對光通信行業核心技術的掌控能力，彌補和縮短國內在光通信行業，尤其是光晶片領域與國外的技術差距。
  • 速度提升百倍:顛覆性的光子計算來了-科技前沿,光子計算,晶片,大...
    光子計算在三種前沿計算技術中關注度較低，不過情況正在改變。準確率接近電子晶片，完成矩陣乘法所用時間可達到最先進電子晶片1/100以內的光子計算晶片，或將在不遠的將來顛覆大數據處理等應用。光通信的一個模塊裡可能涉及幾十到上百個光學元器件，但光子計算一個晶片就需要成千上萬個光學元器件，這就會帶來體積、封裝、控制等一系列的問題。所謂光子計算，可以理解為將大量光學器件有序組合起來，其作用類似半導體晶片中的電晶體，利用不同波長，相位和強度的光線組合，在複雜的反射鏡、濾波器以及稜鏡結構所組成的數組中進行信息處理。
  • 速度提升百倍,顛覆大數據處理的光子計算晶片來了?
    準確率接近電子晶片，完成矩陣乘法所用時間可達到最先進電子晶片1/100以內的光子計算晶片，或將在不遠的將來顛覆大數據處理等應用。光通信的一個模塊裡可能涉及幾十到上百個光學元器件，但光子計算一個晶片就需要成千上萬個光學元器件，這就會帶來體積、封裝、控制等一系列的問題。
  • 矽光子學的「最後一米」難題
    既然如此，晶片製造商就不能幹脆集成調製器，減少電晶體數量嗎？畢竟現在晶片上有數十億個電晶體。答案是：不可以。矽電子晶片每平方微米的面積承載著龐大的系統功能，即便僅用較低功能的元件（比如光元件）來替換少量的電晶體，造價也會十分昂貴。具體計算方式是這樣的。
  • 首個軌道角動量波導光子晶片問世
    首個軌道角動量波導光子晶片問世 2018-12-13 科技日報 劉霞 【字體：大不同於光的自旋角動量，OAM擁有無限的拓撲荷和內在正交性，可用於解決通信系統信道容量緊縮的問題。而在量子信息等領域，光子OAM可用於分發高維量子態以及構建高維量子計算機。　　但大規模應用OAM需要將其傳輸、產生及操縱一體化，而此前的研究均無法讓OAM存在於晶片內部。