För två och ett halvt år sedan, ett team av forskare som leds av grupper vid MIT, University of California i Berkeley, och Boston University tillkännagav en milstolpe:tillverkning av en fungerande mikroprocessor, byggd med endast befintliga tillverkningsprocesser, som integrerade elektroniska och optiska komponenter på samma chip.

Forskarnas tillvägagångssätt, dock, krävde att chipets elektriska komponenter byggdes av samma kiselskikt som dess optiska komponenter. Det innebar att förlita sig på en äldre chipteknik där kiselskikten för elektroniken var tillräckligt tjocka för optik.

I det senaste numret av Natur , ett team på 18 forskare, ledd av samma MIT, Berkeley, och BU -grupper, rapporterar ytterligare ett genombrott:en teknik för att montera on-chip-optik och elektroniskt separat, vilket möjliggör användning av modernare transistorteknik. På nytt, tekniken kräver endast befintliga tillverkningsprocesser.

"Det mest lovande med det här arbetet är att du kan optimera din fotonik oberoende av din elektronik, "säger Amir Atabaki, en forskare vid MIT:s forskningslaboratorium för elektronik och en av tre första författare till den nya uppsatsen. "Vi har olika elektroniska tekniker av kisel, och om vi bara kan lägga till fotonik till dem, det skulle vara en stor förmåga för framtida kommunikations- och datorchips. Till exempel, nu kan vi föreställa oss en mikroprocessortillverkare eller en GPU -tillverkare som Intel eller Nvidia säger:'Det här är mycket trevligt. Vi kan nu ha fotonisk input och output för vår mikroprocessor eller GPU. ' Och de behöver inte förändra mycket i sin process för att få prestandahöjning för optik på chip. "

Lätt överklagande

Att gå från elektrisk kommunikation till optisk kommunikation är attraktivt för chiptillverkare eftersom det kan öka chipsens hastighet avsevärt och minska strömförbrukningen, en fördel som kommer att växa i betydelse när chipsets transistortal fortsätter att öka:Semiconductor Industry Association har uppskattat att med nuvarande ökningstakter, dators energibehov kommer att överstiga världens totala effekt år 2040.

Integrationen av optiska - eller "fotoniska" - och elektroniska komponenter på samma chip minskar strömförbrukningen ytterligare. Optiska kommunikationsenheter finns på marknaden idag, men de förbrukar för mycket ström och genererar för mycket värme för att integreras i ett elektroniskt chip, till exempel en mikroprocessor. En kommersiell modulator - enheten som kodar digital information till en ljussignal - förbrukar mellan 10 och 100 gånger så mycket ström som modulatorerna inbyggda i forskarnas nya chip.

Det tar också upp 10 till 20 gånger så mycket chiputrymme. Det beror på att integrationen av elektronik och fotonik på samma chip gör det möjligt för Atabaki och hans kollegor att använda en mer rymdeffektiv modulatordesign, baserad på en fotonisk enhet som kallas en ringresonator.

"Vi har tillgång till fotoniska arkitekturer som du normalt inte kan använda utan integrerad elektronik, "Atabaki förklarar." Till exempel, idag finns det ingen kommersiell optisk sändtagare som använder optiska resonatorer, eftersom du behöver stor elektronikförmåga för att styra och stabilisera resonatorn. "

Atabakis medförfattare på Natur papper är Sajjad Moazeni, en doktorand på Berkeley, och Fabio Pavanello, som var postdoc vid University of Colorado i Boulder, när arbetet var gjort. Seniorförfattarna är Rajeev Ram, professor i elektroteknik och datavetenskap vid MIT; Vladimir Stojanovic, docent i elektroteknik och datavetenskap vid Berkeley; och Milos Popovic, en biträdande professor i el- och datateknik vid Boston University. De får sällskap av 12 andra forskare vid MIT, Berkeley, Boston University, University of Colorado, State University of New York i Albany, och Ayar Labs, en integrerad fotonikstart som Ram, Stojanovic, och Popovic hjälpte till att hitta.

Dimensionering av kristaller

Förutom miljontals transistorer för att utföra beräkningar, forskarnas nya chip innehåller alla komponenter som behövs för optisk kommunikation:modulatorer; vågledare, som styr ljuset över chipet; resonatorer, som skiljer ut olika våglängder av ljus, var och en kan bära olika data; och fotodetektorer, som översätter inkommande ljussignaler tillbaka till elektriska signaler.

Kisel - som är grunden för de flesta moderna datorchips - måste tillverkas ovanpå ett glasskikt för att ge användbara optiska komponenter. Skillnaden mellan brytningsindex för kisel och glas - i vilken grad materialet böjer ljus - är det som begränsar ljus till de kiseloptiska komponenterna.

Det tidigare arbetet med integrerad fotonik, som också leddes av Ram, Stojanovic, och Popovic, involverade en process som kallas wafer bonding, där en enda, stor kristall av kisel smälts till ett glasskikt som avsatts ovanpå ett separat chip. Det nya verket, för att möjliggöra direkt avsättning av kisel - med varierande tjocklek - ovanpå glas, måste nöja sig med så kallad polysilikon, som består av många små kristaller av kisel.

Enkristallkisel är användbart för både optik och elektronik, men i polykisel, det finns en avvägning mellan optisk och elektrisk effektivitet. Storkristallpolysilikon är effektivt för att leda elektricitet, men de stora kristallerna tenderar att sprida ljus, sänka den optiska effektiviteten. Små kristall polysilikon sprider ljus mindre, men det är inte lika bra konduktör.

Använda tillverkningsanläggningarna vid SUNY-Albany's Colleges for Nanoscale Sciences and Engineering, forskarna testade en serie recept för avsättning av polykisel, varierande typ av rå kisel som används, bearbetningstemperaturer och tider, tills de hittade en som erbjöd en bra avvägning mellan elektroniska och optiska egenskaper.

"Jag tror att vi måste ha gått igenom mer än 50 kiselskivor innan vi hittade ett material som var helt rätt, "Säger Atabaki.

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.