Twee en een half jaar geleden, een team van onderzoekers onder leiding van groepen aan het MIT, de Universiteit van Californië in Berkeley, en Boston University kondigden een mijlpaal aan:de fabricage van een werkende microprocessor, gebouwd met alleen bestaande productieprocessen, die elektronische en optische componenten op dezelfde chip integreerde.

De aanpak van de onderzoekers, echter, vereist dat de elektrische componenten van de chip worden opgebouwd uit dezelfde laag silicium als de optische componenten. Dat betekende vertrouwen op een oudere chiptechnologie waarin de siliciumlagen voor de elektronica dik genoeg waren voor optica.

In het laatste nummer van Natuur , een team van 18 onderzoekers, geleid door hetzelfde MIT, Berkeley, en BU-groepen, meldt een andere doorbraak:een techniek om on-chip optica en elektronica afzonderlijk te assembleren, die het gebruik van modernere transistortechnologieën mogelijk maakt. Opnieuw, de techniek vereist alleen bestaande productieprocessen.

"Het meest veelbelovende aan dit werk is dat je je fotonica onafhankelijk van je elektronica kunt optimaliseren, " zegt Amir Atabaki, een onderzoekswetenschapper bij MIT's Research Laboratory of Electronics en een van de drie eerste auteurs van het nieuwe artikel. "We hebben verschillende elektronische siliciumtechnologieën, en als we er gewoon fotonica aan kunnen toevoegen, het zou een geweldige mogelijkheid zijn voor toekomstige communicatie- en computerchips. Bijvoorbeeld, nu kunnen we ons een microprocessorfabrikant of een GPU-fabrikant zoals Intel of Nvidia voorstellen die zegt:'Dit is heel leuk. We kunnen nu fotonische input en output hebben voor onze microprocessor of GPU.' En ze hoeven niet veel in hun proces te veranderen om de prestatieverbetering van on-chip optica te krijgen."

lichte aantrekkingskracht

De overstap van elektrische communicatie naar optische communicatie is aantrekkelijk voor chipfabrikanten omdat het de snelheid van chips aanzienlijk kan verhogen en het stroomverbruik kan verminderen. een voordeel dat in belang zal toenemen naarmate het aantal transistors van chips blijft stijgen:de Semiconductor Industry Association schat dat bij de huidige stijging, De energiebehoefte van computers zal in 2040 het totale vermogen van de wereld overtreffen.

De integratie van optische - of "fotonische" - en elektronische componenten op dezelfde chip vermindert het stroomverbruik nog verder. Optische communicatieapparaten zijn tegenwoordig op de markt, maar ze verbruiken te veel stroom en genereren te veel warmte om te worden geïntegreerd in een elektronische chip zoals een microprocessor. Een commerciële modulator - het apparaat dat digitale informatie op een lichtsignaal codeert - verbruikt tussen de 10 en 100 keer zoveel stroom als de modulatoren die in de nieuwe chip van de onderzoekers zijn ingebouwd.

Het neemt ook 10 tot 20 keer zoveel chipruimte in beslag. Dat komt omdat de integratie van elektronica en fotonica op dezelfde chip Atabaki en zijn collega's in staat stelt een meer ruimtebesparend modulatorontwerp te gebruiken, gebaseerd op een fotonisch apparaat genaamd een ringresonator.

"We hebben toegang tot fotonische architecturen die je normaal gesproken niet kunt gebruiken zonder geïntegreerde elektronica, " legt Atabaki uit. "Bijvoorbeeld, vandaag is er geen commerciële optische zendontvanger die optische resonatoren gebruikt, omdat je aanzienlijke elektronica nodig hebt om die resonator te besturen en te stabiliseren."

Atabaki's co-first-auteurs op de Natuur papier zijn Sajjad Moazeni, een promovendus aan Berkeley, en Fabio Pavanello, die een postdoc was aan de Universiteit van Colorado in Boulder, wanneer het werk gedaan was. De senior auteurs zijn Rajeev Ram, een professor in elektrotechniek en computerwetenschappen aan het MIT; Vladimir Stojanovic, een universitair hoofddocent elektrotechniek en computerwetenschappen aan Berkeley; en Milos Popovic, een assistent-professor in elektrische en computertechniek aan de Boston University. Ze worden vergezeld door 12 andere onderzoekers van het MIT, Berkeley, De Universiteit van Boston, de Universiteit van Colorado, de Staatsuniversiteit van New York in Albany, en Ayar Labs, een geïntegreerde fotonica-startup die Ram, Stojanovic, en Popovic hielp gevonden.

Kristallen dimensioneren

Naast miljoenen transistors voor het uitvoeren van berekeningen, de nieuwe chip van de onderzoekers bevat alle componenten die nodig zijn voor optische communicatie:modulatoren; golfgeleiders, die licht over de chip sturen; resonatoren, die verschillende golflengten van licht scheiden, die elk verschillende gegevens kunnen bevatten; en fotodetectoren, die binnenkomende lichtsignalen weer omzetten in elektrische signalen.

Silicium - dat de basis vormt van de meeste moderne computerchips - moet bovenop een glaslaag worden gefabriceerd om bruikbare optische componenten op te leveren. Het verschil tussen de brekingsindices van het silicium en het glas - de mate waarin de materialen licht buigen - is wat het licht beperkt tot de optische componenten van silicium.

Het eerdere werk over geïntegreerde fotonica, die ook werd geleid door Ram, Stojanovic, en Popovic, omvatte een proces genaamd wafer bonding, waarin een enkele, een groot siliciumkristal is versmolten tot een glaslaag die bovenop een afzonderlijke chip is afgezet. Het nieuwe werk, om de directe afzetting van silicium - met variërende dikte - op glas mogelijk te maken, moet het doen met zogenaamd polysilicium, die bestaat uit vele kleine kristallen van silicium.

Eenkristal silicium is nuttig voor zowel optica als elektronica, maar in polysilicium, er is een afweging tussen optische en elektrische efficiëntie. Grootkristallijn polysilicium is efficiënt in het geleiden van elektriciteit, maar de grote kristallen hebben de neiging om licht te verstrooien, het verminderen van de optische efficiëntie. Kleinkristal polysilicium verstrooit licht minder, maar het is niet zo'n goede dirigent.

Gebruikmakend van de productiefaciliteiten van SUNY-Albany's Colleges for Nanoscale Sciences and Engineering, probeerden de onderzoekers een reeks recepten uit voor polysiliciumafzetting, het variëren van het type ruw silicium dat wordt gebruikt, verwerkingstemperaturen en -tijden, totdat ze er een vonden die een goede afweging bood tussen elektronische en optische eigenschappen.

"Ik denk dat we meer dan 50 siliciumwafels moeten hebben doorgemaakt voordat we een materiaal vonden dat precies goed was, ', zegt Atabaki.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.