将光子学与硅纳米电子集成到芯片设计中学术资讯

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▲研究人员已经开发出一种集成光子学和电子元件的芯片技术，这使得更多的现代晶体管技术得以应用。

两年半以前，一个由MIT、加州大学伯克利分校和波士顿大学组成的研究小组制造了一个微处理器，将电子和光学元件集成在了同一芯片上。然而，该方法要求芯片的电子元件由与光学元件相同的硅层组成，这意味着要依靠一种更陈旧的芯片技术，在这种技术中，电子器件的硅层足够厚，可以用于光学。

近日，在最新一期的Nature中，该研究小组发表了另一项重大突破：一种可集成芯片上的光学和电子元件的技术，使之能够使用更先进的晶体管技术。

该项新技术的最大亮点在于，可以独立操作光学元件而不影响电子元件。MIT的科学家Amir Atabaki说道：它将是通信和计算芯片的未来。例如，像英特尔或英伟达这样的企业，可为他们的微处理器或GPU提供光子输入和输出，并且不需要在制造过程中做太多的改变来提高芯片上的光学性能。

光通信对芯片制造商来说很有吸引力，因为它可以大大提高芯片的速度并降低功耗。随着芯片晶体管数量的持续增长，这种优势将越来越重要。

光学和电子元件在同一芯片上的集成进一步降低了功耗。该新芯片的调制器的功率仅为目前商用调制器功率的十分之一到百分之一。它也节约了大量的芯片空间，因为电子和光学元件在同一芯片上的集成使得研究人员能够使用一种更节省空间的调制器设计，该光学器件名为环形谐振器。

除了数以百万计的用于执行计算的晶体管之外，新芯片还包括光通信所必需的所有组件:调制器；引导光线穿过芯片的波导;分离出不同波长的光且每一个都可以携带不同数据的共振器;以及将接收到的光信号转换成电信号的光电探测器。

硅是大多数现代计算机芯片的基础，它必须在玻璃上生成，以产生有用的光学元件。在这项新技术中，研究人员使硅直接沉积在玻璃上，并且能控制其厚度——因此必须利用所谓的多晶硅，它由许多小的硅晶体组成。

单晶硅对光学和电子都很有用，但在多晶硅中，光学和电子效率之间有一个折衷。大晶体多晶硅在导电方面是有效的，但大晶体倾向于散射光，降低了光学效率。小晶体多晶硅散射光少，但它不是好的导体。研究人员利用纽约州立大学的制造设施，尝试了一系列的多晶硅沉积配方，改变了原料硅的使用方式、加工温度和时间，直到找到了一种能在电子和光学性能之间做出良好权衡的方法。

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编译：Coke 审稿：阿淼编辑：张梦

来源：

https://scitechdaily.com/integrating-photonics-with-silicon-nanoelectronics-into-chip-designs/