Silicium lasers

Siliciummicrochips, de microprocessors ter grootte van een duimnagel die het brein van een pc vormen, stevenen af ​​op een ramp die is veroorzaakt door hun eigen opmerkelijke succes. Naarmate chips sneller worden, hebben de elektronen die berichten door de kleine metalen draadjes in de geïntegreerde schakeling dragen, het moeilijk om bij te blijven.

Een plaats waar dit dreigende probleem bijzonder acuut is, zijn de ultrasnelle klokken die worden gebruikt om de berekening te versnellen. Grofweg betekent snellere klokken sneller computergebruik; microprocessors werken nu met kloksnelheden van meer dan één gigahertz (een miljard pulsen per seconde) en worden steeds sneller. Binnenkort, zegt Lionel Kimerling, directeur van MIT's Microphotonics Center, zullen elektronen die door metalen draden bewegen gewoon te langzaam zijn om gelijke tred te houden. Stel dat er ergens in de toekomst een klok van 10 gigahertz is. Het is onmogelijk om zo'n signaal elektrisch te verspreiden, legt hij uit. De oplossing, zegt Kimerling, zijn kleine gepulseerde lasers die de kloksignalen door de processorchip kunnen verdelen. Intel vindt drie gigahertz een groot probleem, zegt Kimerling, en dat is nog zo'n twee jaar.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van juni 2001

• Zie de rest van het probleem
• Abonneren

Meer dan een dozijn onderzoeksgroepen racen om miniatuur optische apparaten te ontwikkelen die rechtstreeks in de siliciumchip kunnen worden geïntegreerd. Het zou een soort optisch netwerk zijn om gegevens rond de microprocessor te vervoeren, waardoor de mogelijkheden worden vergroot op dezelfde manier waarop glasvezel de telecommunicatie heeft getransformeerd. Maar er is een probleem: silicium is een slechte lichtzender.

De vloek van Silicium is dat het, in het jargon van natuurkundigen, een materiaal met een indirecte bandgap is. Andere halfgeleidermaterialen zijn goede lichtstralers, want wanneer hun elektronen door een stroom naar een hogere energie worden geschopt, kunnen de elektronen weer naar beneden vallen en daarbij een foton afvuren. Pomp veel elektronen snel in een hogere energietoestand, en je kunt een laser maken. Zo werkt bijvoorbeeld de halfgeleiderlaser die in een dvd-speler wordt gebruikt. Maar de wetten van de natuurkunde zeggen dat de elektronen in silicium niet direct terug kunnen reizen naar een lagere toestand. Als gevolg hiervan geeft het elektron zijn energie meestal af als warmte in plaats van als licht.

Er zijn twee strategieën om het lichtprobleem van silicium te overwinnen. Sommige onderzoekers, waaronder collega's van Kimerling's bij MIT's Microphotonics Center, ontwikkelen lichtzenders en detectoren gemaakt van silicium's broers en zussen - halfgeleiders zoals galliumarsenide - die direct op siliciumchips kunnen worden geënt. Andere groepen hebben manieren gevonden om silicium zelf het gewenste licht te laten uitstralen.

In 1996 rapporteerden Philippe Fauchet en zijn collega's aan de Universiteit van Rochester een lichtemitterende diode gemaakt van silicium. Het apparaat had een belangrijk kenmerk: een elektrische stroom in plaats van een andere laser of lichtbron kon worden gebruikt om de lichtemissie te activeren. Maar, zegt Fauchet, de efficiëntie van het apparaat bij het uitstralen van licht is te laag om chipmakers te interesseren. In deze lichtgevende apparaten ligt het energierendement rond de 0,1 procent, legt hij uit. Maar de minimaal acceptabele norm in de branche is één procent voordat ze met je praten.

De lichtgevende krachten van silicium kregen afgelopen november een boost toen Lorenzo Pavesi van de Universiteit van Trento in Italië ontdekte dat siliciumnanodeeltjes licht konden versterken. Wat dit spannend maakte, is dat versterking de eerste stap is in de richting van het maken van een siliciumlaser. Met een laser is het een heel nieuw balspel, zegt Fauchet. Sommige efficiëntieproblemen verdwijnen. De nanokristallen moeten echter worden gestimuleerd door een laser in plaats van elektrische stroom.

In maart ontdekte een groep onder leiding van Kevin Homewood van de Universiteit van Surrey in Engeland een andere manier om silicium uit zichzelf te laten gloeien. Onze aanpak maakt gebruik van absoluut standaard siliciumtechnologie, zegt Homewood. Deze op silicium gebaseerde light-emitting diodes zijn niet geoptimaliseerd voor efficiëntie, erkent Homewood, maar hij zegt dat ze slechts een factor drie verwijderd zijn van conventionele light-emitting diodes. De volgende stap van Homewood is proberen laseractie te krijgen. Ik denk zeker niet dat de natuurkunde tegen ons is, zegt hij.

Ondanks deze verleidelijke hints van succes, zegt Fauchet dat onderzoek naar lichtgevend silicium voor een aantal moeilijke uitdagingen staat. Het probleem met al deze apparaten, ook die van ons, is het lage rendement, zegt hij. Als onderzoek is het erg interessant, maar Intel springt nog niet.

Toch is de toekomst van siliciummicrofotonica rooskleurig. Of het nu gaat om siliciumlasers of lichtzenders gemaakt van een andere halfgeleider, Kimerling zegt dat de integratie van optische apparaten in siliciumchips de volgende grote stap in de fotonica is. Voor een chipindustrie van miljarden dollars die is gebouwd rond silicium, tikt de klok snel door naar een manier om die stap te zetten.

zich verstoppen