世界首个硅激光器助力打造光子芯片，可将光通信速度提高1000倍学术资讯

来源：电子工程专辑

几十年来，“硅发光”一直是微电子行业的圣杯，解决这个难题将彻底改变计算，因为受益于此，芯片将变得比以往任何时候都快。
近日，埃因霍温理工大学（TU/e）的研究人员现在已经开发出一种硅合金，这种硅合金可以发光，实现光子传输。该团队现在将在此基础上开发一种硅激光器，集成到当前芯片中。

图源：埃因霍温科技大学光子通信代替电子通信，芯片提速1000倍目前以半导体为基础的技术正在达到顶峰，但限制因素是热量。在电子电路中，数据通常通过电子流传输，而电子流在通过芯片晶体管的铜线和许多电阻时，会产生大量热量。这意味着数据量越大，电子流传输产生的热量越多。若要继续推进数据传输，则需要一种不产生热量的新技术——光子传输。最近，埃因霍温科技大学的一项新研究表明，硅可以发射光子来传输数据，传输过程中并不会带来热量，可以消除高能耗芯片与芯片间通信带来热量过多，导致传输缓慢的问题。

使用光学装置来测量发射的光图源：埃因霍温科技大学
光纤中通常是通过光子来携带信息而不是电子。与电子相反，光子不经历电阻，由于它们没有质量或电荷，它们在所通过的材料中的散射会更少，因此不会产生热量，能源消耗将减少。

此外，通过用光通信代替芯片内的电子通信，芯片内和芯片间通信的速度可以提高1000倍，数据中心将受益匪浅，数据传输速度更快，冷却系统能耗更低。而且这些光子芯片也将带来触手可及的新应用，想一想激光雷达自动驾驶汽车和化学传感器的医疗诊断、测量空气和食品质量。

不过，在芯片中使用光需要集成激光器，但计算机芯片的主要半导体材料硅在发光方面效率极低，因此硅长期以来被认为在光子学中不起作用，而光子芯片也迟迟没能成为现实。于是，科学家们开始转向了能隙宽的半导体，例如砷化镓和磷化铟，两者都擅长发光。

一个欧洲财团的研究人员对砷化镓的量子光子波导电路进行了实验，还有加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的研究人员也研究了高功率磷化铟光子集成电路。但砷化镓和磷化铟的根本问题在于，它们很难集成到现有的硅微芯片中，不能与硅很好地发挥作用，而且两者本身都很昂贵，成本实在太高。

因此，埃因霍温科技大学的研究人员认识到，硅仍然是当今制造绝大多数IC的首选材料，如果硅也可以发射光子并由此增强数据通信，同时消除热量问题，对于设计者来说，可是莫大的福音。突破：六角形硅锗终于发光接下来，研究人员开展了数年对这种发光硅解决方案的研究。他们遇到最大的问题是硅的间接带隙阻止了硅的发光，为此，他们把目光投向了将硅与锗结合成六边形结构的方法，希望从而实现发射和透射光的直接带隙。

来自TU/e的首席研究员Erik Bakkers说：“关键在于所谓的半导体带隙的性质，如果电子从导带‘滴’到价带，半导体就会发出光子。但是，如果导带和价带相互位移（称为间接带隙），就不能像硅那样发射光子。不过，一个50年前的理论表明，与锗合金并形成六边形结构的硅确实具有直接的带隙，因此可能会发光。”但显然理想与现实往往不是同一回事。2015年，埃因霍温科技大学的研究人员发表了一篇论文，论证了将磷化镓制成的六角形外壳用作六角形硅的模板。

他们成功地在六角形外壳中生产了硅，但事实证明该外壳无法透射或发光。不过，近期该研究迎来了转机。在Erik Bakkers的带领下，许多相同的研究人员已经设法制造出一种改进的六角形硅锗壳。当由外部激光器激发时，所得的硅锗纳米线实际上能够透射光。

硅锗壳制成的光导纳米线图源：埃因霍温科技大学

根据Bakkers的说法，下一步是创建实际的激光来激发纳米线，当然，所谓纳米线就是指硅。2020年，世界首个硅激光器将现六角形SiGe合金的发射非常有效，适合开始生产全硅激光器。但直到现在，还不能使它们发光。Bakkers团队正在通过减少杂质和晶体缺陷的数量，设法提高了六角硅锗外壳的质量，当用激光激发纳米线时，他们可以测量新材料的效率。

图源：埃因霍温科技大学AlainDijkstra是第一作者，也是负责测量光发射的研究人员，他说：“我们的实验表明，这种材料结构正确，没有缺陷，它能非常有效地发光。”Bakkers说：“到目前为止，我们已经实现了几乎可以与磷化铟和砷化镓相媲美的光学性能，并且材料的质量正在急剧提高。如果运行平稳，我们可以在2020年制造出硅基激光器。这将使光学功能与主流电子平台紧密集成，这将打破片上光通信和基于光谱学的价格合理的化学传感器的开放前景。”如此一来，成功研发出硅激光器，也只是时间问题。

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