科學家在一塊芯片上成功整合光與電

“人們相信，最好的計算機是用電信號來處理而用光信號來傳輸。”美國東北大學物理學副教授斯瓦迪克·卡爾說。為此人們迫切需要一種芯片整合設備，既能用光輸入，也能用電輸入來進行邏輯操作。

美國東北大學和韓國慶熙大學科學家共同發(fā)表在最新一期《自然·光子學》雜志上的論文顯示，他們首次在一塊電子芯片上整合了電子和光的性質(zhì)，并開發(fā)出一系列基于這種芯片的創(chuàng)新型設備，為制造混合光電邏輯元件提供了一種可升級平臺，也代表了未來光電計算機制造中的一項關鍵性突破。

2013年，卡爾和本校機械與工業(yè)工程系副教授容俊中合作發(fā)現(xiàn)，如果把碳納米管和硅連接，其界面上產(chǎn)生光感應電流的速度比傳統(tǒng)光電二極管中的硅—金屬界面更快。“這種能讓電流‘突然激增’的性質(zhì)有助于我們設計出用光開關的先進設備?！笨栒f。

他們利用這一發(fā)現(xiàn)，開發(fā)出一種新的基于光電二極管的邏輯設備，用碳納米管和硅的混合連接，就可以用光和電兩種輸入來操控輸出電流。他們還與韓國慶熙大學教授權永昆合作，運行了這些連接的計算模型。

這些新開發(fā)的創(chuàng)新型設備包括三種新元件和一個升級設備。第一種是“與門”(AND-gate)，需要同時有電子和光輸入而產(chǎn)生一個輸出，這種開關要兩因素同時具備才會觸發(fā);第二種是“或門”(OR-gate)，只要兩個感光器其中之一輸入，就會產(chǎn)生一個輸出;第三種是一個4-比特光電數(shù)字—模擬轉換器，可用于把數(shù)字信號轉換為模擬信號，比如把MP3文件的數(shù)字內(nèi)容轉換成真實音樂，這種能力非常重要。

升級設備是把25萬個微芯片集成在一個約1 cm見方的晶片上，就像一個攝像機傳感器的前端。雖然這種設備要充分發(fā)揮功能還要更多微芯片，但目前可用來測試他們的匯編程序是否可重復。

研究人員指出，計算機即使要輸出最簡單的結果，每秒鐘也得處理數(shù)十億次計算步驟。如果每一步都能快一點點會怎樣?卡爾說，要提高它們處理這些步驟的能力，就要從只提高一步開始，這就是我們所做的。