Silicio bangolaidžiai priartina mus prie šviesos reikalaujančių kompiuterių grandinių.

Didelio kontrasto silicio grotelių, kurios gali būti naudojamos matomos šviesos nukreipimui ant mažų nuostolių lusto, iliustracija, nepaisant to, kad jas sugeria daugybė silicio medžiagų. Kreditas: Urbonas, D., Mahrt, RF ir Stöferle.

Dešimtmečius mūsų kompiuterių greitis vis didėjo. Pirmieji IBM kompiuterių procesoriai, išleisti prieš 40 metų, veikė maždaug 5 milijonais laikrodžio ciklų per sekundę (4,77 MHz). Šiandien mūsų asmeninių kompiuterių procesoriai yra maždaug 1000 kartų greitesni.

Tačiau naudojant šiuolaikines technologijas greičiausiai jie nebus greitesni.

Per pastaruosius 15 metų vieno branduolio laikrodžio rodiklis sustojo ties keliais gigahercais (1 gigahercas = 1 milijardas laikrodžio ciklų per sekundę), o senesnis, išbandytas metodas, kaip įjungti mikroschemą į tranzistorių, nebepadės peržengti tos ribos Bent jau tai nepalaužia banko energijos vartojimo prasme.

Nuovargis gali būti optinių grandinių pavidalu, kai duomenis koduoja šviesa, o ne elektroniniai prietaisai. 2019 m. IBM tyrimų komanda, bendradarbiaudama su partneriais iš akademijos, sukūrė pirmuosius greitaeigius optinius tranzistorius. Pasaulis, galintis veikti kambario temperatūroje Dabar komanda vadovavosi dar vienu galvosūkiu: silicio bangolaidžiai, jungiantys tranzistorius, suteikiantys šviesą tarp jų su minimaliais nuostoliais.

Silicio bandymo lustas su didelio kontrasto grotelių bangolaidžiu

Silicio bandymo lustas su didelio kontrasto grotelių bangolaidžiu. Kreditai: Urbonas, D., Mahrt, RF ir Stöferle, T.

Tranzistorių optinių grandinių laidai su silicio bangolaidžiais yra esminis reikalavimas kuriant kompaktiškas ir labai integruotas mikroschemas. Taip yra todėl, kad kitus svarbiausius komponentus, pavyzdžiui, šalia esantį elektrodą, lengviau įdėti, jei bangolaidis pagamintas iš silicio. Tam tikslui naudojamos technikos buvo tobulinamos dešimtmečius puslaidininkių pramonėje.

Tačiau silicis yra gerai matomas šviesos sugėrėjas, todėl jis idealiai tinka saulės spindulių fiksavimui saulės kolektoriuose. Bet tai yra bloga bangolaidžių alternatyva, kai šviesos absorbcija reiškia signalo praradimą.

Padarykite tvorą, kad apribotumėte šviesą

Taigi IBM tyrėjai sugalvojo, kaip naudoti brandaus silicio technologiją, išvengiant absorbcijos problemų. Jų sprendimas apima nanostruktūras, žinomas kaip didelio kontrasto tinkleliai, kurie pasižymi savitu elgesiu, kurį kai kurie komandos nariai atrado prieš 10 metų, nepaisant kitų naudojimo būdų.

Didelio kontrasto grotelės susideda iš tvoroje surikiuotų nanometro dydžio „stulpų“, neleidžiančių išbėgti šviesai. Stulpai yra 150 nm skersmens ir yra išdėstyti taip, kad pro polius praeinanti šviesa trukdytų tarp polių einančiai šviesai sunaikinti. Destruktyvūs trukdžiai yra gerai žinomas reiškinys, kai iš sinchronizacijos siūbuojančios bangos tam tikrame kosmoso taške viena kitą panaikina. Tai veikia šviesą, kuri yra elektromagnetinės bangos, taip pat kitų rūšių garsą ir bangas.Šiuo atveju destruktyvūs trukdžiai užtikrina, kad jokia šviesa negalėtų „nutekėti“ per groteles. Tačiau daugiausia šviesos atsispindi bangolaidžiuose. IBM tyrėjai taip pat parodė, kad pilonų viduje absorbcija buvo minimali. Visa tai reiškia tik 13 procentų nuostolius per 1 milimetrą šviesos keliu bangolaidyje. Palyginimui: virš šimto to atstumo (10 mikrometrų) gryno silicio bangolaidyje be sieto nuostoliai yra 99,7 proc.

Tikslus grotelių modeliavimas

Iš veido pagrindinė didelio kontrasto grotelių idėja yra paprasta. Vis dėlto nustebino, kai mokslininkai pirmą kartą nustatė, kad jie gali užkirsti kelią šviesai absorbuotis „tamsiose“ medžiagose, tokiose kaip silicis.

Dar 2010 m., Kai jie pirmą kartą pastebėjo grotelių poveikį, tai nutiko mažoje lazerio ertmėje, o tai padėjo, nes lazerio stiprinimas kompensavo nuostolius. Be to, jie šviesą pataiko į groteles beveik 90 laipsnių kampu, o tai yra saldi vieta grotelių efektui. Tačiau išlaikyti iššūkį išlaikyti mažus bangolaidžių nuostolius be lazerio stiprinimo naudos.

Siekdama įsitikinti, kad jų grotelių dizainas buvo pagrįstas šia užduotimi, komanda atliko modeliavimą, kad parodytų, kaip keičiasi šviesos difuzija bangolaidžiuose esant skirtingiems grotelių dydžiams. Jie nustatė, kad grotelės suteiks šviesos, leidžiančios efektyviau nukreipti plačiu bangos ilgiu. Viskas, ką reikia padaryti, yra pasirinkti tinkamą atstumą tarp sietų stulpų ir padaryti tinkamo storio stulpelius per 15 nm ribas naudojant standartinius silicio fotonikos gamybos procesus. Šie reikalavimai pasirodė esą įmanomi. Tiesą sakant, eksperimentai patvirtino tai, ką modeliavimas numatė atsižvelgiant į mažą matomos šviesos nuostolį nuo 550 iki 650 nm.

Galima nauda optinėms grandinėms ir ne tik.

Komanda, atlikdama modeliavimą, rado įrodymų, kad dizainą galima panaudoti kuriant ne tik tiesius bangolaidžius. Tačiau jis taip pat nukreipia šviesą už kampo, tačiau jie nebuvo išbandyti, kad patvirtintų šią idėją. Nors tai gali įrodyti, kad įmanoma Tačiau norint toliau mažinti papildomus nuostolius, reikia papildomo optimizavimo. Žvelgiant į ateitį, kitas žingsnis bus suprojektuoti efektyvų bangų laidų šviesos sujungimą su kitais komponentais. Tai bus pagrindinis komandos daugiametės tiriamojo tyrimo projekto žingsnis, kurio tikslas bus sujungti visus 2019 m. Parodytus optinius tranzistorius į integrinė grandinė, galinti atlikti paprastas logines operacijas.

Komanda mano, kad jų mažų nuostolių silicio bangolaidžiai gali padėti sukurti naujas fotonines mikroschemas, skirtas naudoti biologiniuose matavimuose ir kitose sudėtingose ​​programose. Tai taip pat gali būti naudinga gaminant galingesnius optinius komponentus, tokius kaip lazeriai ir moduliatoriai, kurie plačiai naudojami telekomunikacijose.

Nuoroda: „Mažų nuostolių optinis bangolaidis, pagamintas iš didelių nuostolių turinčių medžiagų“, autorius Darius Urbonas, Rainer F. Mahrt ir Thilo Stöferle, 2021 m. Sausio 12 d., Šviesa: mokslas ir programos.
DOI: 10.1038 / s41377-020-00454-w.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Stalo pusbrolis gali padaryti įkraunamas baterijas greitesnes ir saugesnes

Neutronų sklaida buvo naudojama tiriant netaisyklingą akmens druską, kuri gali būti naudojama kuriant saugesnius, greitesnius akumuliatorių įkrovimo anodus. Paskola: ORNL / ill il...

Naudojant cheminį perdirbimą, kad būtų išvengta milijonų tonų atliekų

Kasmet sąvartynuose išverdama 3,5 milijono tonų sauskelnių. Šių vystyklų viduje esanti superabsorbuojanti medžiaga yra sudaryta iš polimerų matricos, kuri plečiasi po drėgmės. Polimerai yra...

Čempiono tamsioji skylė atstūmė Flerą nuo mūsų, tačiau jo didžiulė galia nukreipia atgal į mūsų vadovą

Beveik palaipsniui matomas šokiruojantis dujų diskas aplink juodąją skylę įgauna dvipusę išvaizdą. Pernelyg didelė juoda gravitacija keičia šviesos kelius iš skirtingų disko dalių...

Naujasis FORCE modelis aiškiai numato, kaip audros ir pakilęs jūros lygis paveiks pakrantes.

Perranporto paplūdimys Šiaurės Kornvalyje (JK) buvo paveiktas stiprių audrų ir kylančio jūros lygio. Kreditas: Plimuto universitetas Viso pasaulio pakrančių bendruomenės vis dažniau susiduria su...

Kaip ūdrų raumenys įgalina šaltą vandens gyvenimą

Ūdra plaukioja vandens paviršiumi. Kreditas: Tray Wright / Teksaso A&M universitetas (vaizdas gautas pagal USFWS leidimą Nr. Marine-Mammal Nr. MA-043219 R. Davisui) ...

Newsletter

Subscribe to stay updated.