IBM-forskare har lyckats effektivt leda synligt ljus genom en silikontråd, en viktig milstolpe i utforskningen mot en ny ras av snabbare, effektivare logiska kretsar.

I årtionden, hastigheten på våra datorer har ökat i en stadig takt. Processorn till den första IBM-datorn som släpptes för 40 år sedan, drivs med en hastighet av ungefär 5 miljoner klockcykler per sekund (4,77 MHz). I dag, processorerna i våra persondatorer går runt 1000 gånger snabbare.

Dock, med nuvarande teknik, de kommer sannolikt inte att bli snabbare än så.

De senaste 15 åren, klockfrekvensen för enstaka processorkärnor har stannat vid några gigahertz. Och det gamla och beprövade tillvägagångssättet att proppa allt fler transistorer på ett chip kommer inte längre att hjälpa till att tänja på den gränsen. Åtminstone inte utan att spräcka banken vad gäller strömförbrukning.

En väg ut ur stagnationen kan komma i form av optiska kretsar där informationen är kodad i ljus snarare än elektronik. Under 2019, ett IBM Research-team tillsammans med partners från akademin byggde världens första ultrasnabba helt optiska transistor som kan fungera i rumstemperatur. Teamet följer nu upp med ytterligare en pusselbit, en kiselvågledare som länkar ihop sådana transistorer, bära ljus mellan dem med minimala förluster.

Att koppla upp transistorerna i en optisk krets med kiselvågledare är ett viktigt krav för att göra kompakta, mycket integrerade chips. Det beror på att det är lättare att placera andra nödvändiga komponenter som elektroder i dess närhet om vågledaren är gjord av kisel. Teknikerna som används för detta ändamål har förfinats i decennier inom halvledarindustrin.

Dock, Att kisel är en notoriskt stark absorbator av synligt ljus gör den utmärkt för att fånga solljus i en solcellspanel, men ett dåligt val för en vågledare där ljusabsorption innebär signalförlust.

Att göra ett staket för att begränsa ljus

Så, IBM-forskarna tänkte på sätt att använda den mogna kiselteknologin samtidigt som man kringgår absorptionsproblemet. Deras lösning involverar nanostrukturer som kallas högkontrastgitter med ett slående beteende som några av teammedlemmarna redan hade upptäckt för över 10 år sedan, om än för en annan tillämpning.

Ett galler med hög kontrast består av nanometerstora "stolpar" som är uppradade för att bilda ett slags staket som förhindrar ljus från att strömma ut. Stolparna är 150 nanometer i diameter och är placerade på ett sådant sätt att ljus som passerar genom stolparna stör destruktivt ljus som passerar mellan stolparna. Destruktiv interferens är ett välkänt fenomen där vågor som oscillerar oscillerande tar ut varandra vid en punkt i rymden. Det påverkar ljuset, som är en elektromagnetisk våg, precis som det gör ljud och andra typer av vågor. I detta fall, den destruktiva interferensen ser till att inget ljus kan "läcka" genom gallret. Istället, det mesta av ljuset reflekteras tillbaka in i vågledaren. IBM-forskarna visade också att absorptionen av ljus inuti själva stolparna är minimal. Allt detta tillsammans leder till förluster på endast 13 procent längs en ljusväg på 1 millimeter inuti vågledaren. Som jämförelse:Längs redan bara en hundradel av det avståndet (10 mikrometer) i en vågledare av ren kisel utan gallren, förlusterna skulle uppgå till 99,7 procent.

Simuleringar för exakt gallerdesign

På dess ansikte, grundidén bakom högkontrastgallerna ser enkel ut. Dock, det var verkligen överraskande när forskarna för första gången fick reda på att de kunde hindra ljus från att absorberas av ett "mörkt" material som kisel.

Tillbaka 2010, när de först observerade rivningseffekten, det inträffade i en lasermikrokavitet vilket hjälpte eftersom ljusförstärkningen av lasern skulle kompensera för förlusterna. Också, de hade ljuset som träffade gallren i nästan 90 grader, vilket är en sweet spot för gallereffekten att slå in. Men att hålla förlusterna låga i en vågledare utan fördelen av laservinsten och vid nästan betande ljusinfall var mycket mer utmanande.

För att säkerställa att deras gallerdesign skulle klara uppgiften, teamet körde simuleringar som visade hur ljusutbredning inuti vågledaren skulle förändras med varierande gitterdimensioner. De upptäckte att gittret skulle ge effektiv styrning av ljus över ett brett band av våglängder. Allt de behövde göra var att välja rätt avstånd mellan gallerstolparna och göra själva stolparna till rätt tjocklek inom en precisionsmarginal på 15 nanometer. Genom att använda en standardtillverkningsprocess för kiselfotonik, dessa krav visade sig hanterbara. Faktiskt, experimenten bekräftade vad simuleringarna hade förutspått i form av låg förlust för synligt ljus i intervallet mellan 550 och 650 nanometer.

Potentiella fördelar för optiska kretsar och mer

Teamet hittade några bevis genom simuleringar för att denna design kan användas för att göra inte bara raka vågledare utan också för att styra ljuset runt hörn. Men de har ännu inte kört experimenten för att bekräfta denna idé. Även om det visar sig möjligt, viss ytterligare optimering kommer att behövas för att hålla de ytterligare förlusterna låga i så fall. Blickar framåt, ett nästa steg blir att konstruera den effektiva kopplingen av ljuset från vågledarna till andra komponenter. Det kommer att vara ett avgörande steg i lagets fleråriga utforskande forskningsprojekt med målet att integrera de helt optiska transistorer som de demonstrerade 2019 i integrerade kretsar som kan utföra enkla logiska operationer.

Teamet tror att deras vågledare av kisel med låg förlust kan möjliggöra nya fotoniska chipdesigner för användning i biosensing och andra applikationer som förlitar sig på synligt ljus. Det skulle också kunna gynna konstruktionen av effektivare optiska komponenter såsom lasrar och modulatorer som ofta används inom telekommunikation.