硅波导将我们更接近炽热的快速基于电脑电路

尽管通过硅材料吸收大，但是可以使用的一对硅高对比度光栅在芯片上引导可见光，尽管通过硅材料很大吸收。

几十年来，我们的计算机的速度态度稳步增长。40年前第一个IBM PC的处理器以每秒大约500万个时钟周期（4.77 MHz）为操作。今天，我们个人电脑的处理器速度速度速度速度速度速度。

然而，利用当前的技术，它们不太可能比这更快。

在过去的15年中，单个处理器内核的时钟速率在几个Gigahertz（每秒1亿千年时钟周期）上停滞不前）。而旧的和测试的碎片在芯片上有更多的晶体管将不再有助​​于推动该边界。至少没有在耗电量方面不破坏银行。

出于停滞的方式可以是光电路的形式，其中信息以光而不是电子设备编码。2019年，IBM研究团队与学术界的合作伙伴一起建造了世界上第一个能够在室温下运行的超快全光晶体管。该团队现在随着另一个拼图跟踪，这是一种连接这种晶体管的硅波导，以最小的损耗在它们之间携带光线。

具有高对比度光栅波导的硅测试芯片。

用硅波导的光学电路的晶体管接线是制造紧凑，高度集成的芯片的重要要求。这是因为如果波导由硅制成，则更容易地将其他所需的部件（例如电极）如硅，所以如果波导是由硅制成的。用于该目的的技术已在半导体行业的几十年中被精制。

然而，硅是一个臭名昭着的可见光吸收剂，使其非常适合在光伏面板中捕获阳光，但是光吸收装置信号丢失的波导的选择不佳。

使围栏放在灯光下

因此，IBM研究人员想到了使用成熟硅技术的方法，同时避免吸收问题。他们的解决方案涉及纳米结构，称为高对比度的光栅，具有引人注目的行为，即某些团队成员已经在10年前发现，尽管其他申请。

高对比度光栅由纳米尺寸的“柱子”组成，以形成防止光逃逸的围栏。该柱的直径为150纳米，以这样的方式间隔开，通过柱子的光通过柱之间的光在柱子中破坏性地干扰。破坏性干扰是一种众所周知的现象，通过该众所周知的现象，在空间的点处互相消除振荡。它影响光线，即电磁波，就像它一样，它确实具有声音和其他类型的波浪。在这种情况下，破坏性干扰确保没有光线可以通过光栅“泄漏”。相反，大多数光被反射回波导内。IBM研究人员还表明，在柱内的光吸收本身是最小的。所有这一切都在一起沿着波导内的1毫米的光行驶路径损失仅13％。为了进行比较：在没有光栅的纯硅波导中已经只有百距离（10微米），损失将达到99.7％。

精确光栅设计的模拟

在它的脸上，高对比度光栅背后的基本想法看起来很简单。然而，当研究人员首次发现他们可以将光线吸收被硅的“黑暗”材料被吸收时，这确实令人惊讶。

回到2010年，当他们首先观察到光栅效果时，它发生在激光微腔中，这有助于激光的光放大会补偿损失。此外，它们的光线撞到了近90度的光栅，这是踢的光栅效果的甜蜜点。但是在波导中保持低损失而不会有利于激光增益，并且在几乎放牧的光射发生率下得多具有挑战性的。

为了确保他们的光栅设计将达到任务，该团队运行模拟显示波导内部的光传播如何随着不同的光栅尺寸而变化。他们发现光栅将在宽波长范围内提供光线的有效引导。他们所需要的只是选择光栅柱之间的右间距，并使柱子本身在15纳米的精密边缘内的正确厚度。使用标准硅光子制造工艺，证明这些要求可管理。事实上，实验证实了在550至650纳米范围内的可见光的低损耗方面预测了模拟。

光学电路及超越潜在的益处

该团队通过模拟发现了一些证据，即这种设计可以用于制造直筒武器，而是指导在角落周围的光线。但他们还没有运行实验以确认这个想法。即使证明可行，也需要进一步的优化，以便在这种情况下保持额外的损失。展望未来，下一步将是将光从波导的高效耦合到其他部件。这将是团队多年探索性研究项目的一个关键步骤，其目标是集成了他们在2019年的全光晶体管到能够进行简单逻辑操作的集成电路。

该团队认为，它们的低损耗硅波导可以实现新的光子芯片设计，用于依赖于可见光的生物传感和其他应用。它还可以使更高效的光学部件的工程受益，例如广泛用于电信中的激光和调制器。

参考：Darius Urbonas，Rainer F. Mahrt和ThiloStöferle，Light：科学与应用.DOI：
10.1038 / S41377-020-00454-W