Lasery krzemowe

Krzemowe mikrochipy, miniaturowe mikroprocesory, które stanowią mózg komputera PC, zmierzają w kierunku katastrofy wywołanej własnym niezwykłym sukcesem. W miarę jak chipy stają się szybsze, elektrony przenoszące wiadomości przez maleńkie metalowe druciki w obwodzie scalonym mają trudności z nadążaniem za nimi.

Jednym z miejsc, w którym ten zbliżający się problem jest szczególnie dotkliwy, są ultraszybkie zegary używane do obliczania tempa. Z grubsza mówiąc, szybsze zegary oznaczają szybsze przetwarzanie; mikroprocesory działają teraz z częstotliwością zegara powyżej jednego gigaherca (miliard impulsów na sekundę) i są coraz szybsze. Wkrótce, mówi Lionel Kimerling, dyrektor Centrum Mikrofotoniki MIT, elektrony poruszające się przez metalowe druty będą po prostu zbyt wolne, aby nadążyć. Załóżmy, że gdzieś w przyszłości jest zegar 10-gigahercowy. Wyjaśnia, że ​​nie da się rozprowadzić tego rodzaju sygnału elektrycznie. Rozwiązaniem, mówi Kimerling, są maleńkie lasery impulsowe, które mogą rozprowadzać sygnały zegara przez chip procesora. Intel uważa, że ​​trzy gigaherce to duży problem, mówi Kimerling, i to za około dwa lata.

Ta historia była częścią naszego wydania z czerwca 2001 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Kilkanaście grup badawczych ściga się, aby opracować miniaturowe urządzenia optyczne, które można zintegrować bezpośrednio z chipem krzemowym. Byłby to rodzaj sieci optycznej do przesyłania danych przez mikroprocesor, zwiększający jego możliwości w taki sam sposób, w jaki światłowody zmieniły telekomunikację. Ale jest problem: krzem jest kiepskim emiterem światła.

Przekleństwem krzemu jest to, że w żargonie fizyków jest to materiał o pośredniej przerwie wzbronionej. Inne materiały półprzewodnikowe są dobrymi emiterami światła, ponieważ gdy ich elektrony są wyrzucane przez prąd do wyższej energii, elektrony mogą ponownie opaść i wystrzelić foton w procesie. Wpompuj szybko dużo elektronów do wyższego stanu energetycznego i możesz zrobić laser. Tak działa na przykład laser półprzewodnikowy zastosowany w odtwarzaczu DVD. Ale prawa fizyki mówią, że elektrony w krzemie nie mogą podróżować bezpośrednio z powrotem do niższego stanu. W rezultacie elektron zwykle oddaje swoją energię w postaci ciepła, a nie światła.

Istnieją dwie strategie przezwyciężenia problemu światła krzemu. Niektórzy badacze, w tym koledzy z Kimerlinga z Microphotonics Center w MIT, opracowują emitery światła i detektory wykonane z rodzeństwa krzemu – półprzewodników, takich jak arsenek galu – które można szczepić bezpośrednio na chipach krzemowych. Inne grupy znalazły sposoby, aby sam krzem emitował pożądane światło.

W 1996 roku Philippe Fauchet i jego koledzy z University of Rochester zgłosili diodę elektroluminescencyjną wykonaną z krzemu. Urządzenie miało ważną cechę: do wyzwalania emisji światła można było użyć prądu elektrycznego, a nie innego lasera lub źródła światła. Ale, mówi Fauchet, wydajność urządzenia w emitowaniu światła jest zbyt niska, aby zainteresować producentów chipów. Wyjaśnia, że ​​w tych urządzeniach emitujących światło sprawność energetyczna wynosi około 0,1 procent. Ale minimalny akceptowalny standard w branży to jeden procent, zanim z tobą porozmawiają.

Moc krzemu emitująca światło wzrosła w listopadzie ubiegłego roku, kiedy Lorenzo Pavesi z Uniwersytetu w Trydencie we Włoszech odkrył, że nanocząsteczki krzemu mogą wzmacniać światło. To, co sprawiło, że było to ekscytujące, to fakt, że wzmocnienie jest pierwszym krokiem w kierunku stworzenia lasera krzemowego. Z laserem to zupełnie nowa gra w piłkę, mówi Fauchet. Niektóre problemy z wydajnością znikają. Jednak nanokryształy muszą być stymulowane laserem, a nie prądem elektrycznym.

Następnie w marcu grupa kierowana przez Kevina Homewooda z angielskiego University of Surrey odkryła inny sposób na samoistne świecenie krzemu. Nasze podejście wykorzystuje absolutnie standardową technologię krzemową, mówi Homewood. Te diody elektroluminescencyjne na bazie krzemu nie są zoptymalizowane pod kątem wydajności, przyznaje Homewood, ale twierdzi, że dzielą je tylko trzy razy od konwencjonalnych diod elektroluminescencyjnych. Następnym krokiem Homewood jest próba uzyskania akcji laserowej. Z pewnością nie sądzę, że fizyka jest przeciwko nam, mówi.

Pomimo tych kuszących oznak sukcesu, Fauchet mówi, że badania nad krzemem emitującym światło stoją przed trudnymi wyzwaniami. Kłopot z wszystkimi tymi urządzeniami, w tym z naszymi, polega na niskiej wydajności – mówi. Jak na badania, jest to bardzo interesujące, ale Intel jeszcze nie skacze.

Mimo to przyszłość mikrofotoniki krzemowej jest świetlana. Niezależnie od tego, czy są to lasery krzemowe, czy emitery światła wykonane z innego półprzewodnika, Kimerling twierdzi, że integracja urządzeń optycznych z chipami krzemowymi to kolejny duży krok w fotonice. W przypadku wartego wiele miliardów dolarów przemysłu chipów zbudowanego na krzemie zegar szybko tyka, aby zrobić ten krok.

ukryć