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​我们接近使用光芯片取代电芯片?

半导体行业观察 · 2019-11-15
光子非常适合通信,因为它们以光速传播并且彼此之间和物质之间的相互作用微弱。

编者按:本文来自微信公众号“半导体行业观察”(ID:icbank),作者inverse,36氪经授权发布。

来源:内容由半导体行业观察(ID:icbank)编译自「inverse」和「IEEE」。

研究表明,我们离在电脑中使用光芯片取代电芯片的那一天越来越近了。

最近发表在《科学》杂志上的一项新研究指出,美国国家标准技术研究院(NIST)的研究人员如何开发出一种光学开关,该开关可以使用纳米级金和硅成分在计算机芯片之间重定向光。光线可以在20亿分之一秒内的时间在芯片内通行,因此...相当快。

研究人员声称,这是到目前为止芯片之间rerouted 最快的信号,它可能会改变我们在某些系统中传输数据的方式。当然,光子的传播比电子快得多。使用光子传输数据还意味着计算机不会因电而发热,用光代替电还会减少系统的能耗。

据介绍,这时候一种混合型纳米光机电开关,该开关在集成光子电路上仅占约10平方微米。他们的开关是一个小的多层磁盘,它位于两个光波导管之间的T形结处,该光波导管是直角相交的两个透明的导光二氧化硅条。磁盘的顶层是一个四微米的40纳米圆金膜,位于一小片氧化铝上,该小片氧化铝沉积在二氧化硅上。该结构充当与输入和输出波导谐振的弯曲波导,因此它可以在两者之间传递谐振光。

二氧化硅波导中的光保留为光子,但在开关内,光激发金中的表面电子振荡,产生等离激元,该等离激元以光波的频率振动,但在比光波长小得多的光上振动。在金和硅之间的气隙中,能量的等离激元部分的严格限制产生了强烈的光电效应,集中在开关的小体积中。

在没有电压施加到开关的情况下,等离子波导与二氧化硅波导保持谐振,因此它以最小的损耗将光从输入波导耦合到输出波导。

向开关施加一个电压会产生静电,该电荷会将金膜拉向硅层,从而改变开关中波导的形状,从而使光的相位偏移180度。这会在开关中造成相消干扰,破坏共振,并使光耦合到侧波导中,因此,光会继续通过输入波导到达另一个开关。

研究人员表示,这项技术可以用于从量子计算到无人驾驶汽车再到神经网络的所有领域。这是研究人员首次能够开发出如此小巧的设备,该设备可以以这种方式有效地改变光线的方向。而在以前,人们认为这只能使用较大的组件来完成。如果他们可以使设备尺寸再缩小一点(正在研究中),则可以将其用于商业产品上。

NIST的研究人员克里斯蒂安·哈夫纳(Christian Haffner)告诉Inverse,该技术不会取代用电的计算机芯片,因为在某些情况下,即使速度不是很快,用电来传输信息也会有好处。

光子非常适合通信,因为它们以光速传播并且彼此之间和物质之间的相互作用微弱,但是它们比芯片特征大得多,并且由于相互作用较弱,因此需要高压来重定向它们。

电子要比光子小得多,并且相互作用要强得多,因此它们更适合开关和处理信号。但是,电子的移动速度比光慢,并且需要更多的能量来移动它们。

Haffner说:“就像世界上的所有事物一样,在某些应用中使用一样东西,总比另一样东西好”。 “有了电,您可以很好地存储信息。有光,速度很快。它到处传播。不过将其限制在空间并存储信息非常困难。”

哈夫纳说,未来我们也有可能创造出利用电力和光来运转的混合动力系统。他说电子芯片可以保存和处理数据,而使用光进行操作的芯片可以帮助加快某些功能。

到目前为止,研究人员已经能够构建更大的设备来控制光,而这种设备可以按照在计算机芯片中使用光的方式来控制光,但是当他们尝试缩小尺寸时,会损失大量的光。从本质上,因为在此过程中吸收了光。但哈夫纳说,他们的系统规模合适,不会遭受这种损失。

光纤通过光传输信息,但是它们太大了,无法在较小的设备中使用。该技术将允许使用光以很小的规模传输信息。

哈弗纳说:“光纤的目的只是将光从一个点传输到另一点。” “这是一种非常长距离的通信方式,但这只是被动的一部分。”

哈夫纳(Haffner)解释说,使用光纤,您无法像使用光纤系统一样以多种不同方式来收集信息。它基本上只是从一个地方到另一个地方的直线。

该团队的下一个项目是确保系统尽可能无损,并且他们将了解他们可以获得多小的系统。哈夫纳声称,该系统已经足够小,可以在此时使用,但是事情总会变得更小。

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