Komputer yang menggunakan cahaya sebagai ganti listrik ? Germanium Laser pertama dibuat

MIT membuat demo laser pertama yang terbuat dari germanium yang dapat memproduksi gelombang cahaya yang berguna untuk komunikasi optik. Tidak seperti material lainnya yang digunakan di laser, germanium lebih mudah digabungkan dengan yang sudah ada untuk chip silikon. Hasilnya dapat membuktikan kemajuan komputer dalam pemindahan data - dan bahkan lebih meningkatkan perhitungan - menggunakan cahaya daripada menggunakan listrik.Tapi pada dasarnya, periset menunjukkannya.

Seiring kapasitas chip komputasi meningkat, mereka memerlukan koneksi bandwidth tinggi untuk mengirim data ke memori. Tapi sambungan listrik konvensional akan segera menjadi tidak praktis, karena mereka akan membutuhkan terlalu banyak daya untuk mengangkut data pada tingkat lebih tinggi. Transmisi data dengan laser - perangkat yang mengkonsentrasikan cahaya menjadi sempit, sinar kuat - bisa menjadi daya lebih efisien, tetapi membutuhkan cara yang murah untuk mengintegrasikan komponen optik dan elektronik pada chip silikon.

Perakitan chip merupakan proses yang sunguh-sungguh dimana lapisan-lapisan bahan yang berbeda didepositkan pada wafer silikon, dan pola yang terukir mereka. Memasukkan materi baru dalam proses ini sulit: ia harus mampu ikatan kimiawi lapisan di atas dan di bawahnya, dan  menaruhnya harus mungkin pada temperatur dan dalam lingkungan kimia sesuai dengan bahan lainnya.

Bahan yang digunakan dalam laser saat ini, seperti galium arsenide, adalah "semua sulit cocok," kata Tremont Miao, seorang direktur pemasaran berbasis di Massachusetts Analog Devices Semiconductor. "Mereka semua menantang integrasi." Sebagai konsekuensinya, laser harus dibangun secara terpisah dan kemudian dicangkokkan ke chip, yang lebih mahal dan memakan waktu daripada menaruhnya secara langsung pada silikon. Selain itu, galium arsenide jauh lebih mahal daripada silikon di tempat pertama.

Mengintegrasikan germanium ke dalam proses manufaktur, bagaimanapun, adalah sesuatu yang hampir semua produsen chip besar sudah mulai harus dilakukan, karena penambahan germanium meningkatkan kecepatan chip silikon. "Kami dan banyak orang lain tahu bagaimana melakukan itu," kata Miao.

Energi tak terchannel
Gallium arsenide, silikon, dan germanium merupakan contoh semikonduktor, jenis bahan yang digunakan dalam hampir semua elektronik modern. Laser terbuat dari semikonduktor mengkonversi energi elektron - partikel muatan - menjadi foton - partikel cahaya. Semikonduktor ada dua jenis: mereka yang memiliki  direct-band-gap, seperti galium arsenide, dan  indirect-band-gap, seperti germanium dan silikon. Menurut Jurgen Michel, Peneliti utama di Electronic Materials Research Group dan peneliti utama pada laser germanium-proyek, "Ada pendapat dalam bidang ilmiah bahwa semikonduktor indirect-band-gap tidak akan pernah lase" - yaitu, menghasilkan sinar laser. "Itu hanya apa yang Anda mengajar di kelas," kata Lionel Kimerling, Thomas Tuhan Profesor of Materials Science and Engineering, yang memimpin grup.

Dalam sebuah kristal semikonduktor, sebuah elektron- yang punya energi yang ditambahkan ke dalamnya - akan melepaskan diri dan memasukkan apa yang disebut pita konduksi, di mana ia dapat bergerak dengan bebas di sekitar kristal. Namun dalam kenyataannya, sebuah elektron di pita konduksi dapat salah satu dari dua negara. Kalau ada di keadaan pertama, dan itu jatuh dari pita konduksi, maka akan melepaskan energi ekstra sebagai sebuah foton. Jika itu di keadaan kedua, ia akan melepaskan energi dengan cara lain, seperti panas.

Dalam direct band-gap yang material, keadaan pertama - dalam keadaan memancarkan foton-- adalah energi yang lebih rendah daripada keadaan kedua; pada materi indirect band-gapl, itu sebaliknya. Sebuah elektron secara alami akan menempati keadaan energi terendah dapat ditemukan. Jadi, dalam materi direct band-gap , elektron yang terengah cenderung masuk ke keadaan memancarkan foton, dan materi indirect-band-gap, mereka tidak.

Menjembatani kesenjangan

Dalam tulisan mendatang di jurnal Optics Letters, Kimerling, Michel dan tiga peneliti lainnya dalam kelompok - Jifeng Liu pascadoktora , penulis utama di jurnal, dan mahasiswa pascasarjana Xiaochen Sun dan Rodolfo Camacho-Aguilera - menggambarkan bagaimana mereka merujuk elektron germanium yang terengah ke energi yang lebih tinggi, memancarkan emisi foton.

Strategi pertama mereka adalah sebuah teknik, umum dalam pembuatan chip, yang disebut "doping," di mana atom dari unsur lain yang ditambahkan ke kristal semikonduktor.  Kelompok semipenghantar germaniumnya dengan fosfor, yang memiliki lima elektron terluar. Germanium hanya empat elektron terluar, "sehingga setiap fosfor memberikan elektron ekstra," kata Kimerling. Elektron tambahan mengisi keadaan energi yang lebih rendah di pita konduksi, menyebabkan elektron untuk terengah, secara efektif, menular ke energi yang lebih tinggi, memancarkan foton.

Menurut kelompok kerja teoretis, pengguna fosfor "bekerja paling baik pada 10^20 atom per kubik sentimeter" dari germanium, Kimerling menjelaskan. Sejauh ini, kelompok telah mengembangkan teknik yang dapat menambah atom fosfor 10^19 untuk masing-masing sentimeter kubik germanium, "dan kita sudah mulai melihat lasing," kata Kimerling.

Strategi kedua adalah untuk menurunkan perbedaan energi antara kedua keadaan konduksi-band sehingga elektron bersemangat akan lebih cenderung menular ke keadaan memancarkan foton. Para peneliti melakukannya dengan mengadaptasi teknik lain yang umum di industri chip: mereka "menegangkan" germanium - atau memaksa para atom sedikit lebih jauh terpisah dari mereka secara alami - dengan menumbuhkan secara langsung di atas lapisan silikon. Baik silikon dan germanium yang disimpan pada temperatur tinggi. Tapi silikon tidak mengikat sebanyak germanium ketika mendingin. Atom dari germanium yang dingin mencoba mempertahankan selaras dengan atom silikon, sehingga mereka akhirnya jauh terpisah daripada biasanya. Mengubah sudut dan panjang ikatan antara atom germanium juga mengubah energi yang dibutuhkan untuk menendang elektron mereka ke dalam pita konduksi. "Kemampuan untuk menambahkan germanium pada silikon adalah sebuah penemuan dari grup ini," kata Kimerling, "dan kemampuan untuk mengendalikan ketegangan lapisan germanium tersebut pada silikon adalah penemuan grup ini."

"Sirkuit Optik berkecepatan tinggi seperti germanium adalah umumnya," kata Miao. "Itu perkawinan yang baik dan kombinasi yang bagus. Jadi, penelitian laser mereka sangat, sangat menjanjikan." Miao menunjukkan bahwa laser germanium perlu menjadi lebih hemat daya sebelum mereka praktis sumber cahaya untuk sistem komunikasi optik. "Tapi di sisi lain," katanya, "janji yang menarik, dan fakta bahwa mereka mendapat germanium untuk lase sama sekali sangat menarik."

sumber : http://www.sciencedaily.com/releases/2010/02/100204144555.htm