Als computers gegevens zouden verzenden met behulp van fotonen in plaats van elektronen, ze zouden beter presteren en minder stroom verbruiken. Europese onderzoekers bestuderen nu een nieuwe lichtemitterende legering van silicium en germanium om fotonische chips te verkrijgen, die een revolutie teweeg kunnen brengen in computergebruik

In de afgelopen 50 jaar, fotonen, de deeltjes waaruit licht bestaat, hebben elektronen vervangen voor gegevensoverdracht in communicatienetwerken. De hoge bandbreedte van optische signalen heeft geleid tot de enorme groei van telefoonsystemen, televisie-uitzendingen en internet.

Echter, fotonen hebben de elektronen in computers nog niet vervangen. Het gebruik van licht voor het verzenden van gegevens in processorchips en hun onderlinge verbindingen zou een aanzienlijke verhoging van de snelheid van computers mogelijk maken (de snelheid van on-chip en chip-to-chip communicatie zou met een factor 1000 kunnen worden verhoogd) en tegelijkertijd, verminderen het vermogen dat nodig is om ze te laten werken.

Geavanceerde microprocessorchips kunnen tientallen miljarden transistors bevatten, en hun koperen elektrische verbindingen produceren grote hoeveelheden warmte wanneer ze in bedrijf zijn. In tegenstelling tot fotonen, elektronen hebben een massa en een elektrische lading. Bij het stromen door metalen of halfgeleidermateriaal, ze worden verstrooid door de silicium- en metaalatomen, waardoor ze gaan trillen en warmte produceren. Daarom, het grootste deel van het vermogen dat aan een microprocessor wordt geleverd, wordt verspild.

De uitdaging om licht uit silicium uit te stralen

Vandaag, de elektronica-industrie is erop ingesteld om silicium in computerchips te gebruiken vanwege de gunstige elektronische eigenschappen en beschikbaarheid. Het is een goede halfgeleider, een overvloedig element, en - als siliciumoxide - een bestanddeel van glas en zand.

Echter, silicium is niet erg goed in het omgaan met licht vanwege zijn kristallijne structuur. Bijvoorbeeld, het kan geen fotonen genereren of hun flux regelen voor gegevensverwerking. Onderzoekers hebben onderzoek gedaan naar lichtemitterende materialen zoals galliumarsenide en indiumfosfine, maar hun toepassing in computers blijft beperkt omdat ze niet goed integreren met de huidige siliciumtechnologie.

Fotonica-chips vormgeven:op weg naar een revolutie in de elektronica-industrie

Onlangs, Europese onderzoekers rapporteerden in het tijdschrift Natuur een innovatieve legering van silicium en germanium die optisch actief is. Het is een eerste stap, zegt Jos Haverkort, een natuurkundige aan de Technische Universiteit Eindhoven in Nederland:"We hebben laten zien dat dit materiaal zeer geschikt is voor lichtemissie, en dat het compatibel is met silicium."

De volgende stap is de ontwikkeling van een silicium-compatibele laser die in de elektronische schakelingen zal worden geïntegreerd als de lichtbron van fotonica-chips. Dit is het uiteindelijke doel van het project SiLAS, ondersteund door het EU-programma FET. Het team, onder leiding van Erik Bakkers van de Universiteit Eindhoven, omvat ook onderzoekers van de universiteiten van Jena en München in Duitsland, Linz in Oostenrijk, Oxford in het VK en van IBM in Zwitserland.

Om de laser te maken, de wetenschappers combineerden silicium en germanium in een zeshoekige structuur die licht kan uitstralen, het overwinnen van de nadelen van silicium, waarin de atomen zijn gerangschikt in een patroon van kubussen. Het was een moeilijk project. Een eerste poging om silicium over te halen een hexagonale structuur aan te nemen door siliciumatomen af ​​te zetten op een laag hexagonaal germanium mislukte.

Silicium weigert koppig zijn kubische structuur te veranderen wanneer het wordt gekweekt op vlak hexagonaal germanium, legt Jonathan Finley van de Technische Universiteit van München uit, die deelnamen aan het onderzoek door de optische eigenschappen van de gemaakte siliciummonsters te meten. "Je moet de natuur overtuigen om de groei van deze ongebruikelijke vorm van siliciumgermanium toe te staan. Hij groeit graag kubisch, dat is wat het doet, " hij zegt.

Echter, door de jaren heen, de onderzoeksgroep in Eindhoven heeft expertise ontwikkeld in het kweken van nanobuisjes, en redeneerde dat wat niet werkt op een vlak oppervlak van germanium zou kunnen werken op een gebogen oppervlak van een nanobuis. En deze keer viel het mee. "Wat we deden was een nanodraad van galliumarsenide gebruiken, die een zeshoekige structuur heeft. Dus we hadden een zeshoekige steel, en we creëerden een siliconen omhulsel rond de kern, die ook een zeshoekige structuur had, ’ zegt Haverkort.

Door de hoeveelheid silicium en germanium die op de nanobuisjes wordt afgezet te variëren, de onderzoekers ontdekten dat de zeshoekige legering in staat was om licht uit te zenden wanneer de concentratie germanium hoger was dan 65 procent.

De volgende stap is een demonstratie van laseren, met andere woorden, bepalen hoe de silicium-germaniumlegering licht kan versterken en uitstralen als een laser, en meet het.

Er zijn verschillende open vragen die moeten worden opgelost voordat siliciumgermanium volledig kan worden geïntegreerd met op silicium gebaseerde elektronica, merkt Haverkort op:"Ten eerste, deze apparaten moeten worden geïntegreerd met bestaande technologieën en dat is nog steeds een horde." Hij verwacht dat toekomstige kwantumcomputers toepassingen zullen gebruiken zoals goedkope op silicium gebaseerde LED's, optische vezellasers, licht sensoren, en lichtemitterende kwantumstippen.

In het algemeen, de verschuiving van elektrische naar optische communicatie zal innovatie in veel sectoren stimuleren, van lasergebaseerde radars voor autonoom rijden tot sensoren voor medische diagnose of detectie van luchtvervuiling in realtime.