硅基芯片上的新型光通信

近几十年来，计算性能的巨大增长是通过将越来越多的晶体管压缩到芯片的更紧凑的空间中来实现的。 dp\pkx7  
Ufd{.o[{-  
然而，这种缩减也意味着将微处理器内部的连线封装得更加紧密，从而有可能导致组件间的信号泄漏，从而降低芯片各部分之间的通信速度。这种延迟，被称为“互连瓶颈”，正在成为高速计算系统中日益严重的问题。 k;/U6,LQ*  
rTT Uhd  
根据麻省理工学院物理系副教授Pablo Jarillo Herrero描述，解决互连瓶颈的一种方法是使用光而不是电线来在芯片的不同部分之间进行通信连接。但这是一项不容易的任务，如果利用硅材料，作为制造芯片的材料，发光也不是很容易。 ^noKk6Aaa  
pwU l&hwte  
近日，发表在《自然纳米技术》杂志上的一篇论文中，研究人员描述了一种可以集成到硅cmos芯片中的光发射器和探测器。论文的第一作者是麻省理工大学博士后Ya-Qing Bie，她目前是在一个Jarillo Herrero教授和包括Dirk Englund在内的跨学科的团队合作的研究小组中，后者是麻省理工学院电气工程与计算机科学系的副教授。 !%>p;H%0  
O$ui:<]dS  
该装置是由一个称为钼碲化物半导体材料。这种超薄半导体属于一个新兴的材料，称为二维过渡金属硫化物。 A q;]al  
'+LC.lM  
与传统的半导体材料可以堆叠硅片不同，Jarillo Herrero说。 m~mw1r  
JJ[.K*dO  
“为了使光电子与光通信的功能在芯片上实现，研究人员一直试图找到兼容的硅材料，但到目前为止，已被证明是非常困难的，”Jarillo Herrero说。“例如，砷化镓对光学很好，但它不能很容易地生长在硅上，因为这两种半导体是不兼容的。” FWcE\;%yVg  
42kr&UY&  
相反，二维钼碲化物可以机械地连接到任何材料，Jarillo Herrero说。 q'9u8b  
:t+XW`eQR:  
将其他半导体与硅结合起来的另一个困难是，这些材料通常在可见光范围内发光，但这些波长的光只能被硅所吸收。 tP8>0\$)  
:1NF#-2\f  
钼碲化物在红外范围内发出光，而不会被硅材料吸收，这意味着它可以用于片上通信。 ~fbFA?g3  
1Ys
6CJ#  
使用该材料作为发光体，研究者首先要将其转换为p-n结二极管，其中一侧的装置为P极，带正电荷，而另一方面N极，带负电荷。 Q{1Q w'+@  
\7o&'zEw  
在常规半导体中，这通常是通过向材料中引入化学杂质来实现的。然而，用这种新型的二维材料，可以简单地在金属电极上并排放置一个电压实现。 Gv?3T Am8  
E0]B=-  
这将是一个重大突破，因为它意味着我们不需要向材料中引入化学杂质来制造二极管。我们可以利用电，Jarillo Herrero说。 Ib3n%AG  
jz;N&62|  
一旦二极管结构产生，研究人员将电流通过装置，就能使它发出光。 _3v6c  
Wv!#B$J~U  
“所以采用钼碲二极管，我们能够制造发光二极管（LED），并与硅芯片兼容，”Jarillo Herrero说。 a~jU~('4}w  
>qkZn7C   
该器件还可以切换为光电探测器，通过反转施加到器件上的电压极性。当电流重新启动时，它会停止电，直到光线照射到它上为止。 +Q
pgG4h  
AlF"1X02  
通过这种方式，这些设备能够实现发射和接收光信号。 BnJpC<xm  
%X)w$}
WH  
该装置是一种概念证明，距离这种技术可以开发成商业产品，仍然有大量的工作需要完成，Jarillo Herrero说。 P]w5`aBM  
&-M>@BMy  
研究人员目前正在研究可以用于片上光通信的其他材料。 %i[G6+-  
C],"va  
大多数的电信系统，使用的光波长为1.3或1.5微米，Jarillo Herrero说。 Q{FK_Mv<  
\~u7 k  
然而，钼碲化物激发的光在1.1微米。这使得它适用于在计算机中的硅芯片，但不适合电信系统。 2loy4f  
=Ts2a"n  
他说：“如果我们能开发出一种类似的材料，它能够在波长为1.3或1.5微米的波长上发射和检测光，能够通过光纤进行通信，那将是非常令人满意的。”。 ypyqf55gK  
mcbvB5U  
为此，研究人员正在探索另一种称为“黑磷”的超薄材料，它可以通过改变所用层的层数来调节在不同波长的光。他们希望开发具有必要层数的器件，使它们能够在两个波长同时发光，同时与硅保持兼容。 &/)2P#u  
Uj]Tdg  
“我们希望能够通过光信号在芯片上直接通信而不再需要电信号，那么我们可以做的更快，同时消耗的电力也就更少，”Jarillo Herrero说。 W.u+R?a=  
rD^ b{]E3  
原文链接：https://phys.org/news/2017-10-optical-silicon-chips.html