Om datorer överför data med fotoner istället för elektroner, de skulle prestera bättre och använda mindre ström. Europeiska forskare studerar nu en ny ljusemitterande legering av kisel och germanium för att få fotoniska chips, som kan revolutionera datorer

Under de senaste 50 åren har fotoner, partiklarna som bildar ljus, har ersatt elektroner för dataöverföring i kommunikationsnätverk. Den höga bandbredden för optiska signaler har drivit den enorma tillväxten av telefonsystem, tv -sändning och internet.

Dock, fotoner har ännu inte ersatt elektroner i datorer. Att använda ljus för överföring av data i processorchips och deras sammankopplingar skulle möjliggöra en väsentlig ökning av datornas hastighet (hastigheten för on-chip och chip-to-chip-kommunikation kan ökas med en faktor 1000) och samtidigt, minska den effekt som krävs för att de ska fungera.

Avancerade mikroprocessorchips kan innehålla tiotals miljarder transistorer, och deras koppar elektriska sammankopplingar producerar stora mängder värme när de är i drift. Till skillnad från fotoner, elektroner har en massa och en elektrisk laddning. När du flyter genom metaller eller halvledarmaterial, de sprids av kisel- och metallatomer, får dem att vibrera och producera värme. Därför, det mesta av strömmen som tillförs en mikroprocessor går till spillo.

Utmaningen att avge ljus från kisel

I dag, elektronikindustrin är redo att använda kisel i datorchips på grund av dess fördelaktiga elektroniska egenskaper och tillgänglighet. Det är en bra halvledare, ett rikligt element, och - som kiseloxid - en beståndsdel i glas och sand.

Dock, kisel är inte särskilt bra på att hantera ljus på grund av dess kristallina struktur. Till exempel, den kan inte generera fotoner eller styra deras flöde för databehandling. Forskare har undersökt ljusemitterande material som galliumarsenid och indiumfosfin, men deras tillämpning i datorer är fortfarande begränsad eftersom de inte integreras bra med nuvarande kiselteknik.

Formning av fotonikflis:mot en revolution inom elektronikindustrin

Nyligen, Europeiska forskare rapporterade i tidningen Natur en innovativ legering av kisel och germanium som är optiskt aktiv. Det är ett första steg, säger Jos Haverkort, en fysiker vid Eindhoven tekniska universitet i Nederländerna:"Vi visade att detta material är mycket lämpligt för ljusutsläpp, och att det är kompatibelt med kisel. "

Nästa steg är att utveckla en kiselkompatibel laser som kommer att integreras i den elektroniska kretsen som ljuskälla för fotonikchips. Detta är det slutliga målet med projektet SiLAS, stöds av EU -programmet FET. Laget, ledd av Erik Bakkers från Eindhoven University, inkluderar också forskare från universiteten i Jena och München i Tyskland, Linz i Österrike, Oxford i Storbritannien och från IBM i Schweiz.

För att skapa lasern, forskarna kombinerade kisel och germanium i en sexkantig struktur som kan avge ljus, övervinna nackdelarna med kisel, där atomerna är arrangerade i ett kubermönster. Det var ett svårt projekt. Ett första försök att samla kisel till att anta en sexkantig struktur genom att avsätta kiselatomer på ett lager av sexkantigt germanium misslyckades.

Kisel vägrar envist att ändra sin kubiska struktur när den odlas på plant sexkantigt germanium, förklarar Jonathan Finley från Münchens tekniska universitet, som deltog i forskningen genom att mäta de optiska egenskaperna hos de skapade kiselproverna. "Du måste övertyga naturen om att tillåta tillväxt av denna ovanliga form av kisel germanium. Den gillar att växa kubik, det är vad det gör, " han säger.

Dock, över åren, forskargruppen i Eindhoven har utvecklat expertis inom odling av nanorör, och menade att det som inte fungerar på en plan yta av germanium kan fungera på en krökt yta på ett nanorör. Och den här gången löste det sig. "Det vi gjorde var att använda en nanotråd av galliumarsenid, som har en sexkantig struktur. Så vi hade en sexkantig stjälk, och vi skapade ett kiselskal runt kärnan, som också hade en sexkantig struktur, säger Haverkort.

Genom att variera mängden kisel och germanium som deponeras på nanorören, forskarna fann att den sexkantiga legeringen kunde avge ljus när koncentrationen av germanium var över 65 procent.

Nästa steg är en demonstration av lasning, med andra ord, bestämma hur kisel-germaniumlegeringen kan förstärka och avge ljus som en laser, och mäta det.

Det finns flera öppna frågor att lösa innan kiselgermanium kan bli helt integrerat med kiselbaserad elektronik, säger Haverkort:"Först, dessa enheter måste integreras med befintlig teknik och det är fortfarande ett hinder. "Han förväntar sig att framtida kvantdatorer kommer att använda applikationer som billiga kiselbaserade lysdioder, optiska fiberlasrar, ljussensorer, och ljusemitterande kvantpunkter.

I allmänhet, övergången från elektrisk till optisk kommunikation kommer att öka innovationen inom många sektorer, från laserbaserade radarer för autonom körning till sensorer för medicinsk diagnos eller upptäckt av luftföroreningar i realtid.