在過(guò)去的50年中，全球研究人員一直在尋找一種用硅或鍺制造激光器的方法。最近，來(lái)自埃因霍溫技術(shù)大學(xué)（TU/e）和慕尼黑技術(shù)大學(xué)（TUM）的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)成功開(kāi)發(fā)出發(fā)光的硅鍺合金。這可能將首次實(shí)現(xiàn)能夠集成到當(dāng)今芯片中的硅激光器的開(kāi)發(fā)。
眾所周知，電子芯片在處理數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)發(fā)熱。筆記本電腦開(kāi)始在用戶(hù)的膝蓋上開(kāi)始感到不適。數(shù)據(jù)中心需要耗能的冷卻設(shè)備。而解決這些問(wèn)題的辦法可能就在于光子學(xué)領(lǐng)域——因?yàn)楣饷}沖不會(huì)散發(fā)熱量。
在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)中，這種見(jiàn)解驅(qū)使研究人員努力制造硅或鍺基激光器，但迄今為止都是徒勞的。因?yàn)樾酒袠I(yè)的主力硅通常在立方晶格中結(jié)晶。以這種形式，它不適合將電子轉(zhuǎn)換成光。
最近埃因霍溫技術(shù)大學(xué)的研究人員與慕尼黑工業(yè)大學(xué)以及耶拿大學(xué)和林茨大學(xué)的同事一起，開(kāi)發(fā)出由鍺和硅制成的能夠發(fā)光的合金。
關(guān)鍵的一步是從具有六方晶格的鍺和硅生產(chǎn)鍺和合金的能力。TUM的半導(dǎo)體量子納米系統(tǒng)教授Jonathan Finley教授說(shuō)：“這種材料具有直接的帶隙，因此自身可以發(fā)光。”
埃因霍溫大學(xué)的埃里克·巴克斯（Erik Bakkers）教授及其團(tuán)隊(duì)于2015年首次生產(chǎn)六角形硅。他們首先使用由另一種材料制成的納米線(xiàn)來(lái)生長(zhǎng)六角形晶體結(jié)構(gòu)。這用作鍺硅殼（shell）的模板（template），其下的材料在其上施加了六方晶體結(jié)構(gòu)。
然而，最初，這些結(jié)構(gòu)不能被激發(fā)發(fā)光。通過(guò)與慕尼黑工業(yè)大學(xué)的Walter Schottky研究所的同事進(jìn)行思想交流，他們分析了每一代的光學(xué)特性，最終將生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化到了完美的水平，納米線(xiàn)確實(shí)能夠發(fā)光。
Bakkers教授說(shuō)：“與此同時(shí)，我們已經(jīng)獲得了幾乎與磷化銦或砷化鎵相當(dāng)?shù)男阅堋?rdquo;那就意味著開(kāi)發(fā)由鍺硅合金制成并能夠集成到常規(guī)生產(chǎn)工藝中的激光器似乎只是時(shí)間問(wèn)題。
喬納森·芬利說(shuō)：“如果我們可以通過(guò)光學(xué)手段實(shí)現(xiàn)片上和片間電子通信，則速度可以提高多達(dá)1,000倍。”“此外，光學(xué)和電子技術(shù)的直接結(jié)合可以大大降低自動(dòng)駕駛汽車(chē)中基于激光雷達(dá)的芯片，用于醫(yī)學(xué)診斷的化學(xué)傳感器以及空氣和食品質(zhì)量測(cè)量的芯片成本。”
Bakkers說(shuō)，他不期望未來(lái)的計(jì)算機(jī)芯片將完全是光學(xué)的。在諸如微處理器之類(lèi)的組件內(nèi)，使用電子移動(dòng)晶體管之間的短距離仍然有意義。但是對(duì)于“長(zhǎng)”距離（例如，計(jì)算機(jī)的CPU與內(nèi)存之間或小的晶體管簇之間），使用光子而不是電子可以提高計(jì)算速度，同時(shí)減少能耗并從系統(tǒng)中散熱。電子必須依次傳輸數(shù)據(jù)，一個(gè)電子必須依次傳輸數(shù)據(jù)，而光信號(hào)可以在物理上盡可能快地一次在許多通道上傳輸數(shù)據(jù)，即光速。
由于光子電路可以快速地在計(jì)算機(jī)芯片周?chē)匦抡泶罅繑?shù)據(jù)，因此它們很可能在數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用中得到廣泛使用。例如，它們可能是自動(dòng)駕駛汽車(chē)中計(jì)算機(jī)的福音，后者必須實(shí)時(shí)處理來(lái)自車(chē)載傳感器的大量數(shù)據(jù)。光子芯片也可能具有更多的普通應(yīng)用。由于它們產(chǎn)生的熱量不如電子芯片多，因此數(shù)據(jù)中心不需要那么多的冷卻基礎(chǔ)設(shè)施，這可以幫助減少大量的能源消耗。
