将光学元件集成到现有的芯片设计中

两年半前，由麻省理工学院(MIT)、加州大学伯克利分校(University of California at Berkeley)和波士顿大学(Boston University)领导的一个研究团队宣布了一个里程碑:制造出了一个可工作的微处理器，仅使用现有的制造工艺，将电子和光学元件集成在同一个芯片上。

然而，研究人员的方法要求芯片的电子元件与光学元件由同一层硅构成。这意味着要依靠一种较旧的芯片技术，其中用于电子器件的硅层足够厚，可以用于光学器件。

由麻省理工学院、伯克利分校和波士顿大学领导的18名研究人员组成的团队报告了另一项突破:一种将片上光学和电子分开组装的技术，这使得使用更现代的晶体管技术成为可能。同样，这项技术只需要现有的制造工艺。

麻省理工学院电子研究实验室的研究科学家阿米尔·阿塔巴基(Amir Atabaki)是这篇新论文的三位第一作者之一，他说:“这项工作最有希望的地方在于，你可以独立于电子器件来优化光子学。”“我们有不同的硅电子技术，如果我们能在其中添加光子学，这将是未来通信和计算芯片的强大能力。”

光的吸引力

从电通信转向光通信对芯片制造商来说很有吸引力，因为它可以显著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加，这一优势将变得越来越重要:半导体行业协会(Semiconductor Industry Association)估计，按照目前的增长速度，到2040年，计算机的能源需求将超过全球总功率输出。

光学或“光子”和电子元件的集成在同一个芯片上进一步降低了功耗。如今市场上已经有了光通信设备，但它们消耗太多的能量，产生太多的热量，无法集成到微处理器等电子芯片中。商用调制器(一种将数字信息编码到光信号上的设备)的功耗是研究人员新芯片中内置调制器的10到100倍。

它还占用10到20倍的芯片空间。这是因为在同一个芯片上集成了电子和光子学，使得Atabaki和他的同事能够使用一种更节省空间的调制器设计，这种设计基于一种被称为环形谐振器的光子器件。

Atabaki解释说:“我们可以使用没有集成电子器件通常无法使用的光子结构。”“例如，今天还没有使用光学谐振器的商业光收发器，因为你需要相当大的电子能力来控制和稳定谐振器。”

Atabaki在这篇论文上的共同第一作者是伯克利的博士生Sajjad Moazeni和工作完成时在科罗拉多大学博尔德分校做博士后的Fabio Pavanello。资深作者是麻省理工学院电气工程和计算机科学教授Rajeev Ram;伯克利大学电气工程和计算机科学副教授弗拉基米尔·斯托亚诺维奇(Vladimir Stojanovic);以及波士顿大学电气与计算机工程助理教授米洛斯·波波维奇(Milos Popovic)。他们还有来自麻省理工学院、伯克利、波士顿大学、科罗拉多大学、纽约州立大学奥尔巴尼分校的其他12名研究人员，以及Ram、Stojanovic和Popovic帮助创建的集成光子学初创公司Ayar实验室。

大小的晶体

除了用于执行计算的数百万个晶体管外，研究人员的新芯片还包括光通信所需的所有组件:调制器;引导光穿过芯片的波导;谐振器，分离出不同波长的光，每种光可以携带不同的数据;还有光电探测器，它能将入射光信号转换回电信号。

硅是大多数现代计算机芯片的基础，必须在一层玻璃上制造才能产生有用的光学元件。硅和玻璃的折射率(材料弯曲光的程度)之间的差异将光限制在硅光学元件上。

集成光子学的早期工作也是由Ram、Stojanovic和Popovic领导的，涉及到一个称为晶圆键合的过程，在这个过程中，一个单一的大硅晶体融合到一层玻璃上，沉积在一个单独的芯片上。新的工作是将不同厚度的硅直接沉积在玻璃上，必须使用所谓的多晶硅，多晶硅由许多小的硅晶体组成。

单晶硅在光学和电子方面都很有用，但在多晶硅中，光学效率和电气效率之间需要权衡。大晶体多晶硅导电效率高，但大晶体容易散射光，降低光学效率。小晶体多晶硅散射光少，但它不是一个很好的导体。

利用纽约州立大学奥尔巴尼分校纳米科学与工程学院的制造设施，研究人员尝试了一系列多晶硅沉积配方，改变所使用的原始硅的类型、加工温度和时间，直到他们找到一个在电子和光学性能之间提供良好平衡的配方。

Atabaki说:“我认为在找到一种合适的材料之前，我们必须使用50多个硅片。”

麻省理工学院

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-由克里斯·瓦夫拉编辑，制作编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com．查看更多控制工程能源和电力故事．

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