幾十年來，人類計算機的運行速度一直在穩步增長。在40年前發布的第一臺IBM個人電腦的處理器中，運行速度大約為每秒500萬個時鐘周期，4.77MHz。在今天，我們個人電腦的處理器運行速度大約是當初的1000倍。

但是，在過去的15年里，單個處理器核心的時鐘頻率一直停留在幾千兆赫。在芯片上排布更多的晶體管這種傳統方案將不再有助于突破這個禁錮。

擺脫停滯的一條途徑可以是光路形式，其中信息以光而不是電的方式編碼。早在2019年，IBM研究團隊與來自學術界的合作伙伴一起制造了世界上第一個能夠在室溫下運行的超快全光晶體管。

該研究小組遇到了另一個難題：如何用硅波導將這些晶體管連接起來，并使它們之間的光傳輸損耗最小？

用硅波導連接光路的晶體管是制造緊湊，高度集成的芯片的重要要求。這是因為如果波導由硅制成，則更容易在其附近放置其他所需的組件，例如電極。在半導體工業中，用于該目的的技術已經改進了數十年。

然而，眾所周知，硅是可見光強吸收體，因此它非常適合用作光伏材料，但對于波導來說，光吸收意味著信號損失。

因此，IBM的研究人員考慮了在避免吸收問題的同時使用成熟的硅技術的方法。他們的解決方案是：基于被稱為高對比度光柵的納米結構，用一種低損耗硅波導來連接這些晶體管。

藝術效果圖：高對比光柵結構的可見光硅基芯片

該成果以Low-loss optical waveguides made with a high-loss material為題，發表在Light： Science & Applications。

1. 用光柵來限制光

這種光柵由納米大小的“柱子”排列成一個“柵欄”來防止光逃逸。這些柱子的直徑為150 nm，當光穿過這些柱子時會產生相消。這樣，光線就不會“漏”過光柵，大部分光線會反射回波導內。同時柱子內部對可見光的吸收也是最小的。這兩種特性加在一起，光在波導內1 mm的傳播路徑上的損耗僅為 13%。相比之下，在沒有光柵的純硅波導中，10 um長波導的損耗將達到 99.7%。

采用高對比光柵波導的硅基芯片測試

2. 精確光柵設計模擬

高對比度光柵背后的想法可能看起來很簡單。然而，光柵可以防止可見光被硅吸收這一現象仍舊令人驚訝。2010年，IBM團隊第一次在一個激光微腔中觀察到光柵效應，激光的光放大可以補償這種損耗。此外，光線以接近90度的角度照射光柵——這是光柵效應發揮作用的最佳點。為了確保光柵設計能夠工作，光在波導中的傳播隨光柵尺寸的不同而發生變化的關系需要確認。結果發現，光柵可以在寬頻帶上提供有效的光引導。

3. 對光路及其他領域的潛在好處

這種設計不僅可以用來制作直波導，還有望實現彎曲波導的制備，但這需要進一步的優化來保持較低的損耗。下一步，將是設計高效的耦合光波導到其他組件。

該研究團隊相信，這種低損耗硅波導可以使新型光子芯片設計用于生物傳感和其他依賴可見光的應用。它還可以幫助制造更高效的光學元件，如廣泛應用于電信的激光器和調制器。
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