IBM-onderzoekers zijn erin geslaagd zichtbaar licht efficiënt door een siliciumdraad te leiden, een belangrijke mijlpaal in de zoektocht naar een nieuw soort snellere, efficiëntere logische circuits.

Al decenia, de snelheid van onze computers groeit gestaag. De processor van de eerste IBM-pc die 40 jaar geleden werd uitgebracht, werkt met een snelheid van ongeveer 5 miljoen klokcycli per seconde (4,77 MHz). Vandaag, de processors in onze personal computers werken ongeveer 1000 keer sneller.

Echter, met de huidige technologie, ze zullen waarschijnlijk niet sneller worden dan dat.

De laatste 15 jaar, de kloksnelheid van enkele processorkernen is vastgelopen op een paar Gigahertz. En de oude en beproefde aanpak om steeds meer transistors op een chip te proppen, zal niet langer helpen om die grens te verleggen. In ieder geval niet zonder de bank te breken in termen van stroomverbruik.

Een uitweg uit de stagnatie zou kunnen komen in de vorm van optische circuits waarin de informatie wordt gecodeerd in licht in plaats van in elektronica. in 2019, een IBM Research-team heeft samen met partners uit de academische wereld 's werelds eerste ultrasnelle volledig optische transistor gebouwd die bij kamertemperatuur kan werken. Het team vervolgt nu met een ander stukje van de puzzel, een silicium golfgeleider die dergelijke transistoren met elkaar verbindt, het dragen van licht tussen hen met minimale verliezen.

Het bedraden van de transistors van een optische schakeling met silicium golfgeleiders is een belangrijke vereiste om compacte, sterk geïntegreerde chips. Dat komt omdat het gemakkelijker is om andere benodigde componenten zoals elektroden in de directe omgeving te plaatsen als de golfgeleider van silicium is. De technieken die daarvoor worden gebruikt, zijn in de halfgeleiderindustrie decennialang verfijnd.

Echter, Omdat silicium een ​​notoir sterke absorber is van zichtbaar licht, is het ideaal voor het opvangen van zonlicht in fotovoltaïsche panelen, maar een slechte keuze voor een golfgeleider waarbij lichtabsorptie signaalverlies betekent.

Een hek maken om het licht te beperken

Dus, de IBM-onderzoekers bedachten manieren om de volwassen siliciumtechnologie te gebruiken en tegelijkertijd het absorptieprobleem te omzeilen. Hun oplossing omvat nanostructuren die hoogcontrastroosters worden genoemd met een opvallend gedrag dat sommige teamleden al meer dan 10 jaar geleden hadden ontdekt, zij het voor een andere toepassing.

Een raster met hoog contrast bestaat uit "palen" ter grootte van een nanometer die op een rij staan ​​om een ​​soort hek te vormen dat voorkomt dat licht ontsnapt. De palen hebben een diameter van 150 nanometer en zijn zodanig geplaatst dat licht dat door de palen gaat, destructief interfereert met het licht dat tussen palen passeert. Destructieve interferentie is een bekend fenomeen waarbij niet synchroon oscillerende golven elkaar opheffen op een punt in de ruimte. Het beïnvloedt licht, wat een elektromagnetische golf is, net zoals het klinkt en andere soorten golven. In dit geval, de destructieve interferentie zorgt ervoor dat er geen licht door het rooster kan "lekken". In plaats daarvan, het meeste licht wordt teruggekaatst in de golfgeleider. De IBM-onderzoekers toonden ook aan dat de absorptie van licht in de palen zelf minimaal is. Dit alles bij elkaar vertaalt zich in verliezen van slechts 13 procent langs een lichtpad van 1 millimeter in de golfgeleider. Ter vergelijking:al over een honderdste van die afstand (10 micrometer) in een pure silicium golfgeleider zonder roosters, de verliezen zouden 99,7 procent bedragen.

Simulaties voor nauwkeurig roosterontwerp

Op zijn gezicht, het basisidee achter de hoogcontrastroosters ziet er eenvoudig uit. Echter, het was inderdaad verrassend toen de onderzoekers voor het eerst ontdekten dat ze konden voorkomen dat licht werd geabsorbeerd door een "donker" materiaal als silicium.

Terug in 2010, toen ze het roostereffect voor het eerst waarnamen, het deed zich voor in een lasermicroholte die hielp omdat de lichtversterking door de laser de verliezen zou compenseren. Ook, ze hadden het licht dat op bijna 90 graden op de roosters viel, wat een goede plek is om het roostereffect te laten optreden. Maar het laag houden van de verliezen in een golfgeleider zonder het voordeel van de laserversterking en bij bijna strijkende lichtinval was veel uitdagender.

Om ervoor te zorgen dat hun roosterontwerp aan de taak zou voldoen, het team voerde simulaties uit die lieten zien hoe lichtvoortplanting in de golfgeleider zou veranderen met verschillende roosterafmetingen. Ze ontdekten dat het rooster een efficiënte geleiding van licht over een brede band van golflengten zou bieden. Het enige wat ze moesten doen was de juiste afstand tussen de roosterpalen kiezen en de palen zelf op de juiste dikte maken binnen een precisiemarge van 15 nanometer. Met behulp van een standaard fabricageproces voor siliciumfotonica, die eisen bleken beheersbaar. In feite, de experimenten bevestigden wat de simulaties hadden voorspeld in termen van weinig verlies voor zichtbaar licht in het bereik tussen 550 en 650 nanometer.

Potentiële voordelen voor optische circuits en daarbuiten

Het team vond door middel van simulaties enig bewijs dat dit ontwerp kan worden gebruikt om niet alleen rechte golfgeleiders te maken, maar ook om het licht rond hoeken te geleiden. Maar ze hebben de experimenten om dit idee te bevestigen nog niet uitgevoerd. Zelfs als het haalbaar blijkt, enige verdere optimalisatie zal nodig zijn om de extra verliezen in dat geval laag te houden. Vooruit kijken, een volgende stap zal zijn om de efficiënte koppeling van het licht uit de golfgeleiders in andere componenten te ontwikkelen. Dat zal een cruciale stap zijn in het meerjarige verkennende onderzoeksproject van het team met als doel de volledig optische transistors die ze in 2019 hebben gedemonstreerd te integreren in geïntegreerde schakelingen die eenvoudige logische bewerkingen kunnen uitvoeren.

Het team is van mening dat hun verliesarme siliciumgolfgeleider nieuwe fotonische chipontwerpen mogelijk maakt voor gebruik in biosensing en andere toepassingen die afhankelijk zijn van zichtbaar licht. Het zou ook ten goede kunnen komen aan de engineering van efficiëntere optische componenten zoals lasers en modulatoren die veel worden gebruikt in de telecommunicatie.