[據(jù)美國麻省理工學院網(wǎng)站2018年4月19日報道]兩年半以前，由美國麻省理工學院、加州大學伯克利分校和波士頓大學牽頭的一個研究小組取得了關鍵突破：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。這種技術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。該成果可以利用現(xiàn)有的半導體制造工藝。

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?！懊绹?a target="_blank">半導體產(chǎn)業(yè)協(xié)會”估計，如不加以應對，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，難以應用到微處理器等電子芯片中去。將數(shù)字化信息轉換成光信號的商業(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計方法。

研究人員還研制了光路和電路的混合架構，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、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。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，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衡調(diào)整。晶粒大的多晶硅材料對電流傳導效率高，但導光性差；晶粒小的多晶硅對光散射小，但導電性差。

該研究利用了紐約州立大學阿爾巴尼分校的納米級科學和工程制造設施。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衡的一組參數(shù)。