Silikone lasere

Siliciummikrochips, de mikroprocessorer på størrelse med miniaturebilleder, der udgør hjernen på en pc, er på vej mod en katastrofe skabt af deres egen bemærkelsesværdige succes. Efterhånden som chips bliver hurtigere, har elektronerne, der bærer beskeder gennem de små metalledninger i det integrerede kredsløb, svært ved at følge med.

Et sted, hvor dette truende problem er særligt akut, er de ultrahurtige ure, der bruges til at pace beregningen. Groft sagt betyder hurtigere ure hurtigere databehandling; mikroprocessorer kører nu med clock-hastigheder over én gigahertz (en milliard pulser i sekundet) og bliver hele tiden hurtigere. Snart, siger Lionel Kimerling, direktør for MIT's Microphotonics Center, vil elektroner, der bevæger sig gennem metaltråde, simpelthen være for langsomme til at holde trit. Antag, at der et sted i fremtiden er et 10-gigahertz-ur. Det er umuligt at fordele den slags signaler elektrisk, forklarer han. Løsningen, siger Kimerling, er bittesmå pulserende lasere, der kan distribuere clock-signalerne gennem processorchippen. Intel mener, at tre gigahertz er et stort problem, siger Kimerling, og det er omkring to år væk.

Denne historie var en del af vores juni 2001-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Mere end et dusin forskergrupper ræser om at udvikle optiske miniatureenheder, der kan integreres direkte i siliciumchippen. Det ville være en slags optisk netværk til at transportere data rundt i mikroprocessoren, hvilket øger dens muligheder på samme måde som fiberoptik har transformeret telekommunikation. Men der er et problem: silicium er en elendig lysgiver.

Silicons forbandelse er, at det i fysikernes jargon er et indirekte båndgab-materiale. Andre halvledermaterialer er gode lysudsender, fordi når deres elektroner sparkes op til en højere energi af en strøm, kan elektronerne falde helt ned igen og affyre en foton i processen. Pump en masse elektroner hurtigt ind i en højere energitilstand, og du kan lave en laser. Sådan fungerer den halvlederlaser, der bruges i en DVD-afspiller, f.eks. Men fysikkens love siger, at elektronerne i silicium ikke kan rejse direkte tilbage til en lavere tilstand. Som et resultat afgiver elektronen normalt sin energi som varme i stedet for som lys.

Der er to strategier til at overvinde siliciums lysproblem. Nogle forskere, herunder kolleger fra Kimerling ved MIT's Microphotonics Center, udvikler lysudsender og detektorer lavet af siliciums søskende-halvledere som galliumarsenid - der kan podes direkte på siliciumchips. Andre grupper har fundet måder at få silicium selv til at udsende det ønskede lys.

I 1996 rapporterede Philippe Fauchet og hans kolleger ved University of Rochester om en lysemitterende diode lavet af silicium. Enheden havde en vigtig egenskab: en elektrisk strøm i stedet for en anden laser eller lyskilde kunne bruges til at udløse lysemissionen. Men, siger Fauchet, effektiviteten af ​​enheden til at udsende lys er for lav til at interessere chipproducenter. I disse lysemitterende enheder er strømeffektiviteten omkring 0,1 procent, forklarer han. Men den mindst acceptable standard i branchen er én procent, før de vil tale med dig.

Siliciums lysemitterende kræfter fik et løft i november sidste år, da Lorenzo Pavesi ved University of Trento i Italien fandt ud af, at siliciumnanopartikler kunne forstærke lyset. Det, der gjorde dette spændende, er, at forstærkning er det første skridt mod at lave en siliciumlaser. Med en laser er det et helt nyt boldspil, siger Fauchet. Nogle af effektivitetsproblemerne forsvinder. Nanokrystallerne skal dog stimuleres af en laser frem for elektrisk strøm.

Så i marts opdagede en gruppe ledet af Kevin Homewood ved Englands University of Surrey en anden måde at få silicium til at lyse af sig selv. Vores tilgang bruger absolut standard siliciumteknologi, siger Homewood. Disse siliciumbaserede lysemitterende dioder er ikke optimeret til effektivitet, erkender Homewood, men han siger, at de kun er en faktor på tre væk fra konventionelle lysemitterende dioder. Homewoods næste skridt er at forsøge at få laseraktion. Jeg tror bestemt ikke, at fysikken er imod os, siger han.

På trods af disse fristende antydninger af succes siger Fauchet, at forskning i lysemitterende silicium står over for nogle hårde udfordringer. Problemet med alle disse enheder, inklusive vores, er den lave effektivitet, siger han. Som forskning er det meget interessant, men Intel springer ikke endnu.

Alligevel er fremtiden for siliciummikrofotonik lys. Uanset om de er siliciumlasere eller lysemittere lavet af en anden halvleder, siger Kimerling, at integrationen af ​​optiske enheder i siliciumchips er det næste store skridt inden for fotonik. For en multimilliard-dollar chipindustri bygget op omkring silicium tikker uret hurtigt hen imod en måde at tage det skridt på.

skjule