[據(jù)美國麻省理工學(xué)院網(wǎng)站2018年4月19日報道]兩年半以前，由美國麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)伯克利分校和波士頓大學(xué)牽頭的一個研究小組取得了關(guān)鍵突破：在單塊芯片上利用現(xiàn)有制造工藝同時集成電子器件和光子器件，研制出可以實際工作的微處理器。

所采用的方法，是在芯片的硅材料層中同時制備電子器件與光子器件。這意味著，需要借助一種已經(jīng)久遠的技術(shù)。這種技術(shù)所采用的硅材料厚度足夠，能夠滿足制造光器件的要求。

然而，根據(jù)最近一期的《自然》雜志，該研究小組取得了另一突破：實現(xiàn)了在單塊芯片上分別集成光子器件和電子器件，同時能夠利用更現(xiàn)代的CMOS晶體管技術(shù)。該成果可以利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造工藝。

該成果的優(yōu)點在于，可以獨立對光路進行優(yōu)化。硅基電子技術(shù)多種多樣，如果能夠向電路中添加光路，未來通信與計算芯片性能將更加強大。例如，微處理器制造商英特爾公司，或圖像處理器制造商英偉達公司，如果無需太多調(diào)整就能在芯片上添加光路，芯片的性能無疑將爆發(fā)式增長。

從電通信向光通信轉(zhuǎn)變，能夠推動芯片處理速度大幅提升并降低芯片功耗。隨著芯片上晶體管的數(shù)量持續(xù)增長，光通信的優(yōu)點將越來越突出。“美國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會”估計，如不加以應(yīng)對，按照目前計算系統(tǒng)耗電量的增長速度，2040年全球計算系統(tǒng)所需的電量將超過全球發(fā)電能力。

光學(xué)器件或光子器件，和電子器件在同一芯片上集成，能夠大幅降低耗電功率。光通信器件目前已經(jīng)在售，但是現(xiàn)有光器件消耗的能量過多，難以應(yīng)用到微處理器等電子芯片中去。將數(shù)字化信息轉(zhuǎn)換成光信號的商業(yè)調(diào)制器芯片，其耗電功率是新芯片的10倍～100倍。

新芯片也能比舊芯片節(jié)省10～20倍的片上空間。因為，在同一芯片上集成電路和光路，能夠采用更有空間效率的設(shè)計方法。

研究人員還研制了光路和電路的混合架構(gòu)，這在無法集成電路部分的情況下則無法實現(xiàn)。例如，市場上沒有采用光諧振器的商業(yè)化光收發(fā)器，因為長期以來無法在同一芯片上實現(xiàn)電路和光路混合集成，利用電路對光諧振器進行穩(wěn)定和控制。

新的光電芯片除了計算功能部分包含的數(shù)百萬的晶體管，還集成了調(diào)制器、波導(dǎo)、諧振器（用于將攜載不同數(shù)據(jù)的各種波長的光分開）等光通信器件。

硅材料是現(xiàn)代計算機芯片的基礎(chǔ)。光器件則需要在二氧化硅（玻璃）上制造。利用硅材料和二氧化硅兩種材料折射率的不同，可以將光限制在硅光器件內(nèi)。

早期的集成光路技術(shù)，需要采用芯片鍵合工藝，即在單塊芯片上，通過熔融方式將硅晶片與帶有二氧化硅淀積層的晶片結(jié)合。新突破則支持在硅晶片上直接淀積各種厚度的二氧化硅，再在二氧化硅上淀積由多種微小晶粒構(gòu)成的多晶硅材料。

單晶硅具有確定的電效率和光效率，但多晶硅可以在電效率和光效率之間進行權(quán)衡調(diào)整。晶粒大的多晶硅材料對電流傳導(dǎo)效率高，但導(dǎo)光性差；晶粒小的多晶硅對光散射小，但導(dǎo)電性差。

該研究利用了紐約州立大學(xué)阿爾巴尼分校的納米級科學(xué)和工程制造設(shè)施。研究人員試驗了多種多晶硅材料、硅材料的不同利用方式、各種加工溫度和時間，最終找到了在電子和光子性能之間能夠做出較好權(quán)衡的一組參數(shù)。