然而，研究人員的方法要求芯片的電子元件由與其光學元件相同的硅層構成。這意味著依賴于較舊的芯片技術，其中電子設備的硅層足夠厚以用于光學器件。
在最新一期的“ 自然”雜志上，由同一麻省理工學院，伯克利分校和BU團隊領導的18名研究人員組成的團隊報告了另一項突破：分別組裝片上光學和電子技術的技術，可以使用更現代的晶體管技術。同樣，該技術僅需要現有的制造工藝。
“這項工作最有希望的是你可以獨立于電子設備優化你的光子學，”麻省理工學院電子研究實驗室的研究科學家Amir Atabaki說，他是新論文的三位首批作者之一。“我們有不同的硅電子技術，如果我們可以為它們添加光子學，它將成為未來通信和計算芯片的強大功能。例如，現在我們可以想象一個微處理器制造商或GPU制造商，如英特爾或Nvidia說，“這非常好。我們現在可以為微處理器或GPU提供光子輸入和輸出。” 而且他們不需要在過程中進行太多改變以獲得片上光學器件的性能提升。“
輕盈的感覺
從電氣通信轉向光通信對芯片制造商來說很有吸引力，因為它可以顯著提高芯片的速度并降低功耗，隨著芯片的晶體管數量持續增加，這一優勢將變得越來越重要：半導體行業協會估計目前到2040年，計算機的能源需求將超過世界總輸出功率。
在同一芯片上集成光學或“光子”和電子元件可進一步降低功耗。光通信設備目前在市場上，但它們消耗太多功率并產生太多熱量以集成到諸如微處理器的電子芯片中。商用調制器 - 將數字信息編碼到光信號上的設備 - 消耗的功率是研究人員新芯片中內置調制器的10到100倍。
它還占用了10到20倍的芯片空間。這是因為電子和光子學在同一芯片上的集成使Atabaki和他的同事能夠使用更節省空間的調制器設計，這種設計基于稱為環形諧振器的光子器件。
“如果沒有集成電子設備，我們可以使用通常無法使用的光子架構，”Atabaki解釋道。“例如，今天沒有使用光學諧振器的商用光學收發器，因為你需要相當大的電子能力來控制和穩定諧振器。”
Atabaki在自然報紙上的共同第一作者是伯克利的博士生Sajjad Moazeni，以及科羅拉多大學博爾德分校的博士后Fabio Pavanello。資深作者是麻省理工學院電氣工程和計算機科學教授Rajeev Ram; Vladimir Stojanovic，伯克利電子工程和計算機科學副教授; 和Milos Popovic，波士頓大學電氣和計算機工程助理教授。麻省理工學院，伯克利大學，波士頓大學，科羅拉多大學，紐約州立大學奧爾巴尼分校的其他研究人員以及Ram，Stojanovic和Popovic幫助創建的綜合光子學創業公司Ayar Labs也加入了他們的行列。
上漿晶體
除了數百萬個用于執行計算的晶體管外，研究人員的新芯片還包括光通信所需的所有組件：調制器; 波導，在芯片上引導光線; 諧振器，分離出不同波長的光，每個波長可以攜帶不同的數據; 和光電探測器，將入射光信號轉換回電信號。
硅 - 這是大多數現代計算機芯片的基礎 - 必須在一層玻璃上制造，以產生有用的光學元件。硅和玻璃的折射率之間的差異 - 材料彎曲光的程度 - 將光限制在硅光學元件上。
之前由Ram，Stojanovic和Popovic領導的集成光子學的早期工作涉及一種稱為晶圓鍵合的工藝，其中單個大晶硅晶體熔合到沉積在單獨芯片頂部的玻璃層。新工作，能夠在玻璃頂部直接沉積硅 - 具有不同的厚度 - 必須與所謂的多晶硅一起使用，多晶硅由許多小硅晶體組成。
單晶硅對光學和電子學都很有用，但在多晶硅中，光學和電學效率之間存在折衷。大晶體多晶硅在導電方面是有效的，但是大晶體傾向于散射光，從而降低光學效率。小晶體多晶硅散射光較少，但導體不是很好。
利用紐約州立大學奧爾巴尼分校納米科學與工程學院的制造設施，研究人員嘗試了一系列多晶硅沉積配方，改變了所用原料硅的類型，加工溫度和時間，直到他們找到一個可以在電子和光學特性。
“我認為在找到合適的材料之前，我們必須經過50多個硅片，”Atabaki說。
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