Silikonlasrar

Kiselmikrochips, de mikroprocessorer i miniatyrstorlek som utgör hjärnan på en PC, är på väg mot en katastrof skapad av deras egen anmärkningsvärda framgång. När chipsen blir snabbare har elektronerna som bär meddelanden genom de små metalltrådarna i den integrerade kretsen svårt att hänga med.

En plats där detta hotande problem är särskilt akut är de ultrasnabba klockorna som används för att pace beräkningen. Grovt sett betyder snabbare klockor snabbare beräkning; mikroprocessorer körs nu med klockfrekvenser över en gigahertz (en miljard pulser per sekund) och blir snabbare hela tiden. Snart, säger Lionel Kimerling, chef för MIT:s Microphotonics Center, kommer elektroner som rör sig genom metalltrådar helt enkelt att vara för långsamma för att hålla jämna steg. Antag att någonstans i framtiden finns en 10-gigahertz klocka. Det är omöjligt att distribuera den typen av signaler elektriskt, förklarar han. Lösningen, säger Kimerling, är små pulsade lasrar som kan distribuera klocksignalerna genom processorchippet. Intel tycker att tre gigahertz är ett stort problem, säger Kimerling, och det är ungefär två år bort.

Den här historien var en del av vårt juninummer 2001

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Över ett dussin forskargrupper tävlar om att utveckla optiska miniatyrenheter som kan integreras direkt i kiselchippet. Det skulle vara ett slags optiskt nätverk för att transportera data runt mikroprocessorn, vilket ökar dess kapacitet på samma sätt som fiberoptik har transformerat telekommunikation. Men det finns ett problem: kisel är en usel ljussändare.

Silicons förbannelse är att det, i fysikens jargong, är ett material med indirekt bandgap. Andra halvledarmaterial är bra ljussändare eftersom när deras elektroner sparkas upp till en högre energi av en ström, kan elektronerna falla ner igen och avfyra en foton i processen. Pumpa många elektroner snabbt till ett högre energitillstånd, och du kan göra en laser. Så fungerar till exempel halvledarlasern som används i en DVD-spelare. Men fysikens lagar säger att elektronerna i kisel inte kan resa direkt tillbaka till ett lägre tillstånd. Som ett resultat avger elektronen vanligtvis sin energi som värme snarare än som ljus.

Det finns två strategier för att övervinna kiselets ljusproblem. Vissa forskare, inklusive kollegor till Kimerlings vid MIT:s Microphotonics Center, utvecklar ljussändare och detektorer gjorda av silikons syskon - halvledare som galliumarsenid - som kan ympas direkt på kiselchips. Andra grupper har hittat sätt att få kisel själv att avge önskat ljus.

1996 rapporterade Philippe Fauchet och hans kollegor vid University of Rochester om en ljusemitterande diod gjord av kisel. Enheten hade en viktig egenskap: en elektrisk ström snarare än en annan laser eller ljuskälla kunde användas för att utlösa ljusemissionen. Men, säger Fauchet, effektiviteten hos enheten för att avge ljus är för låg för att intressera chiptillverkare. I dessa ljusemitterande enheter är effekteffektiviteten runt 0,1 procent, förklarar han. Men den lägsta acceptabla standarden i branschen är en procent innan de kommer att prata med dig.

Kiselets ljusavgivande krafter fick ett uppsving i november förra året när Lorenzo Pavesi vid universitetet i Trento i Italien fann att nanopartiklar av kisel kunde förstärka ljuset. Det som gjorde det här spännande är att förstärkning är det första steget mot att göra en silikonlaser. Med en laser är det ett helt nytt bollspel, säger Fauchet. En del av effektivitetsproblemen försvinner. Nanokristallerna måste dock stimuleras av en laser snarare än elektrisk ström.

Sedan i mars upptäckte en grupp ledd av Kevin Homewood vid Englands University of Surrey ett annat sätt att få kisel att glöda av sig själv. Vårt tillvägagångssätt använder absolut standard kiselteknologi, säger Homewood. Dessa kiselbaserade lysdioder är inte optimerade för effektivitet, erkänner Homewood, men han säger att de bara är en faktor tre från konventionella lysdioder. Homewoods nästa steg är att försöka få laserverkan. Jag tror absolut inte att fysiken är emot oss, säger han.

Trots dessa lockande antydningar om framgång säger Fauchet att forskning inom ljusavgivande kisel står inför några tuffa utmaningar. Problemet med alla dessa enheter, inklusive våra, är den låga effektiviteten, säger han. Som forskning är det väldigt intressant, men Intel hoppar inte ännu.

Ändå är framtiden för kiselmikrofotonik ljus. Oavsett om de är kisellasrar eller ljussändare gjorda av någon annan halvledare, säger Kimerling att integrationen av optiska enheter i kiselchips är nästa stora steg inom fotonik. För en mångmiljarddollarschipindustri byggd kring kisel tickar klockan snabbt mot ett sätt att ta det steget.

Dölj