集成光子与硅纳米电子用于下一代芯片系统
两年半之前，麻省理工学院，加州大学伯克利分校和波士顿大学的团队领导的一个研究小组宣布了一个里程碑意义的事件：只使用现有制造工艺制造的一个工作微处理器，能将电子和光学元件集成在同一芯片上。 So=
B cX-
7d/I"?=|rA
然而，研究人员的方法要求芯片上的电子元件和光学元件构建在相同的硅层上。这意味着依靠一种旧的芯片技术，电子元件的硅层厚度足够适用于光学元件。 FH{p1_kZ=
Wi yiq )^
在最新一期的“Nature”杂志（“Integrating photonics with silicon nanoelectronics for the next generation of systems on a chip”）中，由麻省理工学院，加州大学伯克利分校和波士顿大学领导的由18位研究人员组成的小组报告了另一项突破：一种将芯片上的光学元件和电子元件分别组装起来的技术，这种技术支持使用更现代的晶体管技术。同样，该技术仅需要现有的制造工艺。 `NNP}O2
O)"Z% B
“关于这项工作最有前景的事情是，您可以独立地优化您的光子元件，”麻省理工学院电子研究实验室的研究科学家，也是该论文的三位第一作者之一的Amir Atabaki说，“我们拥有不同的硅电子技术，如果我们能够为他们添加光子技术，它将成为未来通信和计算芯片的强大力量。例如，现在我们可以想象一个微处理器制造商或像英特尔或Nvidia这样的GPU制造商说‘这非常好。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。’而且他们不需要在过程中改变太多，就能获得芯片上的光学性能提升。” LP/SblE
Sbeq%Iwm.
[attachment=83447] z /nW; ow
研究人员已经开发了一种在芯片上分别组装光学元件和电子元件的技术，并且支持使用更现代的晶体管技术。（图片来源：Amir Atabaki） ^>^h|$
光的吸引力 P0RtS1A
wYDdy gS
从电子通信转向光通信对芯片制造商很有吸引力，因为它可以显着提高芯片的速度并降低功耗，随着芯片晶体管数量的持续增加，这一优势将变得越来越重要：半导体行业协会估计，目前到2040年，计算机的能源需求将超过世界总发电量。 |v<4= /.
DQ&\k'"\
在同一芯片上集成光学 —或“光子”—和电子元件可进一步降低功耗。光通信设备目前已经进入市场，但它们消耗太多的功率并产生太多的热量以便被集成到诸如微处理器的电子芯片中。一个商用调制器—将数字信息编码成光信号的器件—功耗比研究人员新芯片内置的调制器功耗高10至100倍。 ! %B-y 9\
N36B*9m&p
它也占用了10到20倍的芯片空间。这是因为在同一芯片上集成电子和光子技术，使得Atabaki和他的同事能够使用一种更加节省空间的调制器设计，该设计基于称为环形谐振器的光子器件。 w_DaldK*
AmQsay#I_
Atabaki解释说：“我们可以使用光子体系结构，如果没有集成电子设备，通常就无法使用光子体系结构。例如，现在没有使用光学谐振器的商业光学收发器，因为您需要相当大的电子容量来控制和稳定该谐振器。” ?O"zp65d(
221}xhn5
Atabaki在“Nature”杂志上的共同第一作者是加州大学伯克利分校的博士生Sajjad Moazeni和科罗拉多大学博尔德分校博士后的Fabio Pavanello。高级作者是麻省理工学院电气工程和计算机科学教授Rajeev Ram，伯克利电气工程和计算机科学副教授Vladimir Stojanovic和波士顿大学电子与计算机工程助理教授Milos Popovic。麻省理工学院，伯克利大学，波士顿大学，科罗拉多大学，纽约州立大学奥尔巴尼分校以及Ram，Stojanovic和Popovic帮助成立的集成光子学Ayar 实验室等12名研究人员也加入了他们的行列。 B5+$ VQ
DR]4Tc z#
晶体大小 /B|"<`-H
"
t?44[
除了用于执行计算的数百万个晶体管之外，研究人员的新芯片还包括光通信所需的所有组件：调制器；引导光线穿过芯片的波导； 将不同波长的光分开且每个波长可以携带不同的数据的谐振器和将输入的光信号转换回电信号的光电探测器。 q\<NW%KtX
A|GsbRuy
硅是大多数现代计算机芯片的基础，必须在玻璃层的顶部制造，以产生有用的光学元件。将光限制在硅光学元件上的是硅和玻璃的折射率之间的差异 - 材料折射光的程度。 c: +UC
c=^69>w
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，将单个大型硅晶体熔合到沉积在单独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，且必须与所谓的多晶硅相结合，这种多晶硅由许多小的硅晶体组成。 Lhrlz,1
shO4>Ha
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有一个折衷。大晶体多晶硅在导电方面效率很高，但大晶体倾向于散射光线，从而降低光学效率。小晶体多晶硅散射的光线较少，但不是好的导体。 nU 0##
Qz"//=hC|H
使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配方，通过改变所用原料硅的类型、加工温度和时间，直到他们找到了一种在电子和光学特性之间有很好的权衡的方法。 J(A+mYr{:
t gHN\@yj
Atabaki说：“我认为在找到恰当的材料之前，我们肯定已经尝试了超过50个硅晶片。” )@] W=
rbs&A{i
原文链接：https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=49997.php（实验帮译）
|