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Datum:27. März 2018
Quelle:Amerikanisches Institut für Physik
Zusammenfassung:
Glasfaserkabel bringen alles von Finanzdaten bis hin zu Katzenvideos in Licht, aber wenn das Signal in Ihrem lokalen Rechenzentrum eintrifft, gerät es in einen Silizium-Engpass. Anstelle von Licht laufen Computer auf Elektronen, die sich durch siliziumbasierte Chips bewegen, die weniger effizient sind als die Photonik. Um durchzubrechen, haben Wissenschaftler Laser entwickelt, die auf Silizium arbeiten. Forscher schreiben nun, dass die Zukunft von siliziumbasierten Lasern in Quantenpunkten liegen könnte.
Tausende Kilometer Glasfaserkabel durchziehen den Globus und verpacken alles von Finanzdaten bis hin zu Katzenvideos in Licht. Wenn das Signal jedoch in Ihrem lokalen Rechenzentrum eintrifft, gerät es in einen Silizium-Engpass. Statt Licht laufen Computer auf Elektronen, die sich durch siliziumbasierte Chips bewegen – trotz großer Fortschritte immer noch weniger effizient als die Photonik.
Um diesen Engpass zu durchbrechen, versuchen Forscher, die Photonik in Siliziumbauelemente zu integrieren. Sie haben Laser entwickelt – eine entscheidende Komponente von photonischen Schaltkreisen – die nahtlos auf Silizium arbeiten. In einem Artikel, der diese Woche in APL Photonics von AIP Publishing erschien, schreiben Forscher von der Universität von Kalifornien in Santa Barbara, dass die Zukunft von siliziumbasierten Lasern in winzigen, atomartigen Strukturen, sogenannten Quantenpunkten, liegen könnte.
Solche Laser könnten viel Energie sparen. Das Ersetzen der elektronischen Komponenten, die Geräte mit photonischen Komponenten verbinden, könnte den Energieverbrauch um 20 bis 75 Prozent senken, sagte Justin Norman, ein Doktorand an der UC Santa Barbara. “Es ist eine substantielle Senkung des globalen Energieverbrauchs, nur weil wir Laser und photonische Schaltkreise mit Silizium integrieren können.”
Silizium hat jedoch nicht die richtigen Eigenschaften für Laser. Die Forscher haben sich stattdessen einer Klasse von Materialien aus den Gruppen III und V des Periodensystems zugewandt, da diese Materialien in Silizium integriert werden können.
Zu Beginn hatten die Forscher Mühe, eine Methode der funktionalen Integration zu finden, aber letztendlich nutzten sie Quantenpunkte, weil sie direkt auf Silizium wachsen konnten, so Norman. Quantenpunkte sind nur wenige Nanometer große Halbleiterpartikel – klein genug, um sich wie einzelne Atome zu verhalten. Wenn sie mit elektrischem Strom betrieben werden, werden Elektronen und positiv geladene Löcher in den Punkten eingeschlossen und rekombinieren, um Licht zu emittieren – eine Eigenschaft, die ausgenutzt werden kann, um Laser herzustellen.
Die Forscher machten ihre III-V-Quantenpunktlaser mit einer Technik namens Molekularstrahlepitaxie. Sie lagern das III-V-Material auf dem Siliciumsubstrat ab, und seine Atome ordnen sich selbst zu einer kristallinen Struktur zusammen. Aber die Kristallstruktur von Silizium unterscheidet sich von III-V-Materialien, was zu Defekten führt, die es Elektronen und Löchern ermöglichen, zu entweichen, was die Leistung verschlechtert. Glücklicherweise, weil Quantenpunkte in hohen Dichten – mehr als 50 Milliarden Punkte pro Quadratzentimeter – zusammengepackt sind, fangen sie Elektronen und Löcher ein, bevor die Teilchen verloren gehen.
Diese Laser haben viele andere Vorteile, sagte Norman. Zum Beispiel sind Quantenpunkte in photonischen Schaltkreisen stabiler, weil sie atomartige Energiezustände lokalisiert haben. Sie können auch mit weniger Strom fahren, weil sie nicht so viel Strom benötigen. Darüber hinaus können sie bei höheren Temperaturen arbeiten und auf kleinere Größen herunterskaliert werden.
Im letzten Jahr haben die Forscher dank der Fortschritte beim Materialwachstum beträchtliche Fortschritte erzielt, sagte Norman. Jetzt arbeiten die Laser bei 35 Grad Celsius ohne viel Abbau und die Forscher berichten, dass die Lebensdauer bis zu 10 Millionen Stunden betragen könnte.
Sie testen jetzt Laser, die bei 60 bis 80 Grad Celsius betrieben werden können, dem typischen Temperaturbereich eines Rechenzentrums oder Supercomputers. Sie arbeiten auch daran, epitaktische Wellenleiter und andere photonische Komponenten zu entwerfen, sagte Norman. “Plötzlich”, sagte er, “haben wir so viel Fortschritte gemacht, dass die Dinge etwas näher kommen.”