发光芯片发明硅和锗发光合金制造光子芯片将给计算机带来革命性变化光子

如果计算机使用光子而不是电子来传输数据，它们的性能会更好，功耗也会更低。科学家们正在研究一种新的硅锗发光合金，以获得光子芯片，这将为计算机带来革命性的变化。光子，也就是构成光的粒子，基本上已经取代了电子在通信网络中进行数据传输。光信号的高带宽促进了电话系统、电视广播和互联网的巨大发展。然而，光子并没有取代计算机中的电子元件。

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使用光在处理器芯片及其互连中传输数据将大大提高计算机的速度，并降低它们运行所需的功率。先进的微处理器芯片可以包含数百亿个晶体管，它们的铜互连在运行过程中会产生大量热量。与光子不同，电子有质量和电荷。当它们流经金属或半导体材料时，会被硅和金属原子散射，导致它们振动并产生热量。因此，提供给微处理器的大部分功率被浪费了。
从硅中发光的挑战
电子行业正准备在计算机芯片中使用硅，因为它具有优越的电子性能和可用性。它是一种好的半导体和丰富的元素。和氧化硅一样，它也是玻璃和沙子的成分。然而，由于硅的晶体结构，它不太擅长处理光。例如，它不能产生光子或控制其数据处理流程。科学家们研究了砷化镓和磷化铟等发光材料，但它们在计算机中的应用仍然有限，因为它们没有很好地与当前的硅技术集成。
光电芯片
来自欧洲的科学家在《自然》杂志上发表了一种新型硅锗合金，它具有光学活性。这是第一步。我们已经证明这种材料非常适合发光，并且它与硅相容。下一步是开发一种硅兼容激光器，它将被集成到电子电路中，并用作光电芯片的光源。这是欧盟FET计划支持的SILAS项目的最终目标。

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研究团队由埃因霍温大学的埃里克·巴克斯领导，成员还包括来自德国耶拿和慕尼黑大学、奥地利林茨大学、英国牛津大学和瑞士IBM大学的研究人员。为了制造这种激光器，科学家将硅和锗结合成可以发光的六边形结构，这克服了硅的缺点，因为硅中的原子以立方体的形式排列。这是一个困难的项目，最初通过在六边形锗层上沉积硅原子来诱导硅采用六边形结构的尝试失败了。

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慕尼黑工业大学的Jonathan Finley解释说，当硅生长在平面六边形锗上时，硅顽固地拒绝改变其立方结构。芬利可以通过测量产生的硅样品的光学特性来生长这种不寻常的硅锗。然而，多年来，埃因霍温大学的研究团队发展了生长纳米管的专业知识，并得出结论，在锗平面上不起作用的东西可能在纳米管表面起作用，这次解决了。

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我们所做的是使用砷化镓纳米线，它有六边形结构，所以它们有一个六边形的茎。研究人员在核心周围创造了一个硅壳，它也有六边形结构。通过改变沉积在纳米管上的硅和锗的量，研究人员发现，当锗的浓度超过65%时，这种六边形合金可以发光。下一步是激光演示，换句话说，确定硅锗合金如何放大和发射激光并测量它。

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在硅锗能够与硅基电子完全集成之前，有几个尚未解决的问题需要解决:首先，这些器件必须与现有技术集成，这仍然是一个障碍。预计未来低成本硅基LED、光纤激光器、光学传感器和发光量子点将用于量子计算机。总的来说，从电通信到光通信的过渡将推动许多领域的创新，从用于自动驾驶的激光雷达到用于医疗诊断或实时空空气污染检测的传感器。