MIT ontwikkelt germanium-laser voor optische computers

Onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology hebben een laser gebouwd op basis van de halfgeleider germanium die bij kamertemperatuur werkt. Het licht dat de laser produceert, kan gebruikt worden in optische computers.

De germanium-laser die door de MIT-onderzoekers werd ontwikkeld, is het eerste exemplaar dat bij kamertemperatuur werkt: eerdere lasers die van dat type halfgeleider werden gemaakt, werken helemaal niet. Dat is aan de structuur van germanium te wijten, dat een zogeheten indirecte band-gap-geleider is. Hierdoor is het moeilijk het materiaal als laser te laten fungeren: het materiaal genereert liever warmte dan de voor laser-werking benodigde fotonen. De medewerkers van het MIT-lab Analog Devices Semiconductor, onder leiding van professor Lionel Kimerling, hebben echter een manier ontwikkeld om germanium als laser in te zetten.

Zij lieten een germanium-laag bij hoge temperatuur op silicium groeien. Bij het afkoelen krimpt silicium meer dan germanium, waardoor het germanium in een zogeheten 'strained' toestand komt: de atomen in het germanium zitten dan verder uit elkaar dan normaal. Een tweede in halfgeleider-productie bekende truc, doping, werd toegepast om fosfor-atomen aan het germanium toe te voegen. Deze beide technieken zorgen ervoor dat de halfgeleider fotonen kan genereren in plaats van alleen warmte. In een test vertoonde het materiaal laser-eigenschappen: het verder verhogen van de fosfor-concentratie zou dat verder moeten verbeteren.

De onderzoekers streven naar een germanium-laser, omdat germanium compatibel is met huidige productiemethodes voor chips. Veel fabrikanten gebruiken germanium al om de snelheid van halfgeleiders te verhogen en om die reden wordt het ook toegepast in optische schakelingen. Wanneer germanium ook als laser zou kunnen dienen, zou dat een relatief eenvoudige integratie van de laser in chips voor optische computers kunnen betekenen. Wel moet de lichtopbrengst van de lasers dan nog verbeterd worden. De ontwikkeling van optische computers, die met licht in plaats van elektronen gegevens transporteren, moet snellere computers mogelijk maken.

Reacties (34)

[Verwijderd]

Ik begrijp dat je informatie dan via een laser binnen een processor kunt sturen, maar hou zou je bijvoorbeeld twee getallen kunnen optellen met een laser?

[Verwijderd]

0000001 laserbits + 0000001 laserbits = 0000010 laserbits

[Gamebuster]

Sinds wanneer werken cpu's met 7 bits?

[robvanwijk]

Door een schakelaar (invoerkanaal wel of niet doorlaten naar uitvoerkanaal) te maken, die te bedienen is met wel of geen licht in een stuurkanaal. Hoe je dit precies zou moeten doen weet ik ook niet, maar goed, ik zou ook de (electrische) transistor niet bedacht kunnen hebben, dus dat zegt weinig. Zoek anders even op Google of je iets interessants kunt vinden over "optical transistors". Het Wikipedia artikel kun je even doorlezen, maar is (op dit moment) nogal slecht en onduidelijk geschreven.

[High-Voltage2]

Zij lieten een germanium-laag bij hoge temperatuur op silicium groeien. Bij het afkoelen krimpt silicium meer dan germanium, waardoor het germanium in een zogeheten 'strained' toestand komt: de atomen in het germanium zitten dat verder uit elkaar dan normaal.

Kan iemand dit duiden? Als het Silicium meer krimpt dan het Germanium en het Germanium blijft verbonden met het Silicium dan moeten de atomen toch juist dichter op elkaar zitten?
De term "strained" blijft evenzeer geldig.


Edit:
Fout in het artikel! In het bron artikel wordt aangegeven dat Silicium minder krimpt dan Germanium, waardoor inderdaad (mits de twee verbonden blijven) de Germanium atomen verder van elkaar zitten dan normaal het geval zou zijn.

The researchers did that by adapting another technique common in the chip industry: they “strained” the germanium — or pried its atoms slightly farther apart than they would be naturally — by growing it directly on top of a layer of silicon. Both the silicon and the germanium were deposited at high temperatures. But silicon doesn’t contract as much as germanium when it cools.

[Reactie gewijzigd door High-Voltage2 op 27 juli 2024 14:42]

[doltishDuke]

Volgens mij niet hoor? Dit is te vergelijken met een bimetaal thermometer. Als het laagje silicium krimpt terwijl het germanium er aan vast zit krult het op, met het germanium naar buiten. Dit kan omdat het germanium stripje breder blifjt dan het silicium.

[High-Voltage2]

In het bronartikel staat dat Silicium minder krimpt dan Germanium. Als ik er Wiki op nasla dan blijkt Germanium 6 µm/m.K uit te zetten en Silicium maar 2.6 µm/m.K, dus dit is gewoon een foutje van de T.net redactie.
Overigens zal Silicium niet graag buigen maar eerder breken, het is immers een tetraeder structuur en geen metaalrooster.

[gerre22]

Ja, daar heb je gelijk. Maar aan de interface tussen Si en Ge gaat het Germanium "samengeperst" worden. Tevens moet je ook rekening houden met wat het grootste volume heeft.
Hier wordt het Germanium gegroeid op een Si wafer, waarbij het Germanium hoogstwaarschijnlijk slechts enkele atoom lagen dik is. En de Si wafer is hier waarschijnlijk enkele honderden micrometers dik. Met als gevolg dat de Germanium laag zich gaat aanpassen aan de roosterconstante van Silicium op lagere temperaturen.

[cPT.cAPSLOCK]

Feedback knopje

Overigens wel goed opgelet.

[Aham brahmasmi]

eerdere lasers die van dat type halfgeleider werden gemaakt, werken helemaal niet.

Hoe kun je het nou een laser noemen als hij niet 'lased'.
Een laser die geen light amplification by stimulated emission of radiation heeft is het woord laser niet waardig. Zeg dan gewoon dat eerdere pogingen om lasers met germanium te maken mislukt waren.

Dit geeft iig wel aan dat de ontwikkeling van optische computers niet supersnel gaat. Veel componenten zijn nog in ontwikkeling (of nog helemaal niet te produceren op een schaal die klein genoeg is voor krachtige cpu's).

[Reactie gewijzigd door Aham brahmasmi op 27 juli 2024 14:42]

[AugmentoR]

idd, ik heb ook al een laser gemaakt van vla, maar die werkt ook helemaal niet

[Mitsuko]

Doping met fosfor, is dat niet valsspelen? Hier dacht ik dat ze puur Germanium zover hadden gekregen om licht uit te zenden ... Maar goed, het is hoe dan ook weer een stapje in de goede richting. Wel vraag ik me af hoe lang het nog zal duren voordat we producten op basis van photonics echt tegen gaan komen - de toon van de nieuwsberichten is al jaren die van fundamenteel onderzoek, en we hebben voor zover ik weet nog geen compleet pakket wat voor commerciële toepassingen geschikt zou zijn. Misschien dat de ontwikkelingen hier samen op zullen gaan met die van grafeen - het zou natuurlijk fantastisch zijn als we rond dezelfde tijd optische interconnects op moederboorden gaan zien en grafeen processoren. Dat zou een grote sprong betekenen.

[Gamebuster]

Dus over 20 jaar hebben we oplichtende cpu's?
Ik ga er overigens dan ook vanuit dat hitte geen probleem meer is. Wat is dan de beperkende factor?

[Reactie gewijzigd door Gamebuster op 27 juli 2024 14:42]

[linuxguru1]

Lijkt me juist wel..? Lasers genereren toch warmte?

[High-Voltage2]

Als je minder energie in je laser moet steken om dezelfde informatie te verwerken, dan zal er minder warmte geproduceerd worden. Hoe je het draait of keert, alle energie die je in je PC steekt wordt uiteindelijk omgezet in warmte, hetzij door joule effect in de (parasitaire) weerstanden, hetzij door wrijving in de mechanische onderdelen, hetzij door absorptie van fotonen in geval van lichtgevende onderdelen.

[Gamebuster]

Ze produceren wel warmte, maar ik denk dat dat veel minder zal zijn dan de warmte van huidige processoren.

[fevenhuis]

Nee warmte zal niet zo'n groot probleem meer zijn met optische chips, al zal er best nog wat warmteontwikkeling zijn, maar vermoedelijk zeer weinig. De warmteontwikkeling hangt natuurlijk voor een groot deel af van de optische schakelingen en niet van de lasers zelf.

Denk bijvoorbeeld aan koperkabels die warm worden bij gebruik en optische kabels niet.

[Reactie gewijzigd door fevenhuis op 27 juli 2024 14:42]

[Thomas M]

Germanium is een vrij bijzonder materiaal, leuk voor onderzoek, maar niet echt voldoende voor handen om industrieel toe te passen.

[wildhagen]

Dat klopt, er word wereldwijd ongeveer 100 ton per jaar germanium geproduceerd.

Maar industrieel word het ook wel gebruikt hoor, voor de meeste doelen heb je namelijk maar een zeer minieme hoeveelheid germanium nodig, en veel germanium kan gerecycled worden.

Het word bijvoorbeeld ook toegepast in bepaalde vormen van chemotherapie, omdat het giftig is voor sommige bacteriën:

Certain compounds of germanium have low toxicity to mammals, but have toxic effects against certain bacteria. This property makes these compounds useful as chemotherapeutic agents

[Reactie gewijzigd door wildhagen op 27 juli 2024 14:42]

[NomenNanne]

Zover ik de functie van germanium snap in chemotherapie is dat germanium het immuunsysteem boost. De boost zou bestaan uit het stimuleren van interferon, en niet vanwege antibateriële functie.

Bron http://www.ncbi.nlm.nih.g...med_RVDocSum&ordinalpos=2

[Reactie gewijzigd door NomenNanne op 27 juli 2024 14:42]

[wildhagen]

Dat is zo te zien alleen voor chemotherapie tegen kanker, waar antibacteriele werking minder interessant is (kanker is immers geen bacteriele ziekte).

Maar chemotherapie word bij een heleboel andere ziekten, ook die ziekten die bacterieel zijn, gebruikt. Daar kan de antibacterieele werking van germanium dus wel degelijk van toepassing zijn.

Zo werd het vroeger (nu niet meer), voor de ontdekking van penicilline, bijvoorbeeld tegen o.a. syfilis gebruikt.

[Sissors]

Zoals in het artikel staat, Germanium wordt al veel toegepast, ook in commerciele ICs. http://en.wikipedia.org/wiki/Silicon-germanium

[Dysan]

Misschien de snelheid van het licht

[dasiro]

nee, de verwerkingssnelheid van de chips (lees het omzetten van licht in een opslaanbare toestand.

[raphidae]

In het geval van het direct optisch opslaan kan dat dus wel met de snelheid van het licht in dat medium gebeuren.

[blazerbees]

EDIT: eerst verder lezen... sorry..

[Reactie gewijzigd door blazerbees op 27 juli 2024 14:42]

[renalpha]

Wat is volgens hen "kamertemperatuur"?
Ik stook hier regelmatig op 25 graden en s'ochtends is het hier een graad of 10 binnen.

[flamingworm]

kamertemperatuur is algemene term dat het gewoon bruikbaar is 'op kamertemperatuur', in jouw kamer dus, en niet extreem moet gekoeld worden (bv met LN2) of extreem moet opgewarmd worden ofzoietsdergelijks.

neem bijvoorbeeld het omgekeerde, "kwik is niet supergeleidend op kamertemperatuur", wat betekend dat je niet zomaar een 'kabel kwik' zult tegenkomen die supergeleidend is, maar je zult kwik sterk moeten afkoelen (4K dacht ik) vooraleer die supergeleidend wordt.

'kamertemperatuur' strikt gezien hangt rond de 20 graden celcius, en is afhankelijk van de context, sommige boeken nemen 18°C, andere 25°C, maar daar gaat het niet om in het artikel.

[Reactie gewijzigd door flamingworm op 27 juli 2024 14:42]

[Verwijderd]

Hmm volgende stap SSLD's [Solid State Laser Disks]

[Verwijderd]

geranium laser? plants versus zombies anyone?

[Blokker_1999]

Er zitten spijtig genoeg wel meer tikfoutjes in dit artikel, maar de comments zijn de verkeerde plaats om dit te melden. Dit doe je op Geachte Redactie . De link vind je altijd terug rechtsbovenaan de pagina.

[High-Voltage2]

Ten tijde van zijn post vond mijn zoekfunctie geen enkel keer het woord "geranium" in het artikel, dus volgens mij eerder een flauwe opmerking van ThePiratemaster. Er zijn wel meerdere Tweakers die beter plantkunde hadden gestudeerd als ik zo artikels lees waarin er gesproken wordt over Germanium.

[Seroo]

Natuurlijk een geranium laser, die verwoest de hele baan in één keer, je moet er op klikken om hem te lanceren en hij kost in totaal 700 zon.