幾十年來，人類計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度一直在穩(wěn)步增長。在40年前發(fā)布的第一臺IBM個(gè)人電腦的處理器中，運(yùn)行速度大約為每秒500萬個(gè)時(shí)鐘周期（名詞解釋），4.77MHz。在今天，我們個(gè)人電腦的處理器運(yùn)行速度大約是當(dāng)初的1000倍。

但是，在過去的15年里，單個(gè)處理器核心的時(shí)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(tǒng)方案將不再有助于突破這個(gè)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(tuán)隊(duì)與來自學(xué)術(shù)界的合作伙伴一起制造了世界上第一個(gè)能夠在室溫下運(yùn)行的超快全光晶體管。

該研究小組遇到了另一個(gè)難題：如何用硅波導(dǎo)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(dǎo)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?yàn)槿绻▽?dǎo)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(dǎo)體工業(yè)中，用于該目的的技術(shù)已經(jīng)改進(jìn)了數(shù)十年。

然而，眾所周知，硅是可見光強(qiáng)吸收體，因此它非常適合用作光伏材料，但對于波導(dǎo)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(shí)使用成熟的硅技術(shù)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(jié)構(gòu)，用一種低損耗硅波導(dǎo)來連接這些晶體管。

藝術(shù)效果圖：高對比光柵結(jié)構(gòu)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(fā)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(gè)“柵欄”來防止光逃逸。這些柱子的直徑為150 nm，當(dāng)光穿過這些柱子時(shí)會產(chǎn)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(dǎo)內(nèi)。同時(shí)柱子內(nèi)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(dǎo)內(nèi)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(dǎo)中，10 um長波導(dǎo)的損耗將達(dá)到 99.7%。

采用高對比光柵波導(dǎo)的硅基芯片測試

2. 精確光柵設(shè)計(jì)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(xiàn)象仍舊令人驚訝。2010年，IBM團(tuán)隊(duì)第一次在一個(gè)激光微腔中觀察到光柵效應(yīng)，激光的光放大可以補(bǔ)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(yīng)發(fā)揮作用的最佳點(diǎn)。為了確保光柵設(shè)計(jì)能夠工作，光在波導(dǎo)中的傳播隨光柵尺寸的不同而發(fā)生變化的關(guān)系需要確認(rèn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，光柵可以在寬頻帶上提供有效的光引導(dǎo)。

3. 對光路及其他領(lǐng)域的潛在好處

這種設(shè)計(jì)不僅可以用來制作直波導(dǎo)，還有望實(shí)現(xiàn)彎曲波導(dǎo)的制備，但這需要進(jìn)一步的優(yōu)化來保持較低的損耗。下一步，將是設(shè)計(jì)高效的耦合光波導(dǎo)到其他組件。

該研究團(tuán)隊(duì)相信，這種低損耗硅波導(dǎo)可以使新型光子芯片設(shè)計(jì)用于生物傳感和其他依賴可見光的應(yīng)用。它還可以幫助制造更高效的光學(xué)元件，如廣泛應(yīng)用于電信的激光器和調(diào)制器。
編輯：lyn