Zuinige laser zorgt mogelijk voor doorbraak optische chip-interconnects

Wetenschappers van de Universiteit van Michigan hebben een polaritonlaser ontwikkeld die bij kamertemperatuur werkt en die zijn werk 250 keer zuiniger kan doen dan doorsnee lasers. De vinding zorgt mogelijk voor een doorbraak bij optische interconnects voor chips.

De laser die de onderzoekers van Universiteit van Michigan en Intel hebben ontwikkeld is een polaritonlaser. De lichtbron is hierbij gebaseerd op quasideeltjes die polaritons genoemd worden. De polaritons vormen een condensaat, vergelijkbaar met een Bose-Einstein-condensaat, waarbij coherent licht wordt geproduceerd. Polaritonlasers werden al in 2003 gedemonstreerd, maar toen werden de lasers met behulp van laserlicht gepompt. De onderzoekers zijn er nu in geslaagd de lasers elektrisch te pompen, waarbij de polaritonlasers zeer zuinig bleken. Bovendien slaagden de onderzoekers erin de lasers bij kamertemperatuur in plaats van supergekoeld te laten werken.

Het wetenschapsteam slaagde er voor het eerst in een polaritonlaser te ontwikkelen die op elektriciteit werkt en die op kamertemperatuur functioneert. De laser produceert polaritons via het gebruik van elektriciteit om samples van de halfgeleider galliumarsenide in een trilholte op te wekken. De polaritons vervallen daarbij en geven hun energie over op fotonen, die vervolgens uit de trilholte ontsnappen als een coherente, monochromatische lichtstraal.

Bij een demonstratie verkreeg het team een ultraviolette lichtstraal van een miljoenste van een watt. De laser functioneert met een stroomsterkte van 169 ampère per vierkante centimeter. Een vergelijkbaar systeem op basis van een doorsnee laser zou 250 keer zoveel vergen. "De afgelopen 50 jaar hebben we op lasers vertrouwd voor het maken van coherent licht en nu hebben we iets anders op basis van een totaal nieuw principe", zegt Pallab Bhattacharya, professor aan de Universiteit van Michigan, en hij voegt eraan toe dat de vinding eigenlijk geen laser is, omdat geen uitzending van straling wordt gestimuleerd, maar het verspreiden van polaritons.

Bhattacharya ziet toepassingen voor de chipindustrie. Optische interconnects kunnen onder andere voor snelle, zuinige communicatie tussen rekenkernen in multicores zorgen. Het onderzoek van de wetenschappers is vorige maand gepubliceerd in Physical Review Letters en wordt nu onder andere beschreven door IEEE Spectrum.

Reacties (40)

[6129(15)]

Fire all Plasers! . (BTW ik weet dat het Phasers moeten wezen)

Fantastisch! Ik ben blij dat hier een mogelijke revolutie op til is. Ik geloof dat die interconnects nog zowat een van de laatste hindernissen waren om echt gang te kunnen maken met optiische chips. Ben benieuwd hoe en vooral wanneer er mee kan worden verder gegaan.

[vanaalten]

Ik gok dat dat nog wel een behoorlijk lange tijd kan duren - en (elektrische) interconnects zullen nog lange tijd een dominante rol blijven spelen.

Vooralsnog moeten ze de stap nog weten te maken naar deze laser in een standaard silicium proces te produceren (galliumarsenide als basismateriaal is niet bepaald gebruikelijk), dat zal nog wel tijd nodig hebben.

Daarnaast zullen deze lasers (en de bijpassende fotodiode-ontvangers) relatief veel oppervlak nodig hebben, dus je zal ze voorlopig hooguit voor lange, tijdkritische interconnect gaan zien.

[GrowMyHair]

De makers denken daar anders over:
The new laser is very simple to fabricate, according to Bhattacharya, which he says could speed commercial versions. He’s experimenting with other materials to get emissions at longer wavelengths; this laser emits in the ultraviolet, whereas most optical communications rely on the near infrared. But, he says, for chipmakers faced with a data bottleneck in processors and other complex chips, any working device would prove valuable, no matter what the wavelength. “If you put a laser on silicon, anybody will take any color they can get.”

[Shodan]

Vooralsnog moeten ze de stap nog weten te maken naar deze laser in een standaard silicium proces te produceren (galliumarsenide als basismateriaal is niet bepaald gebruikelijk), dat zal nog wel tijd nodig hebben.

GaAs wordt al lang heel veel gebruikt om rode LEDs en lasers te maken. Ook wordt het gebruikt als materiaal voor high electron mobility transistors(HEMTs) voor in telefoons bijvoorbeeld.

Het moeilijke is integratie met silicium vooral door de mismatch van kristalrooster tussen silicium en GaAs, waardoor epitaxiaal opgroeien zorgt voor stress en delaminatie, cracks enz. Echter wordt er veel aan gewerkt om dit op te lossen. Zie bijvoorbeeld ook hier in dit artikel.

[Reactie gewijzigd door Shodan op 27 juli 2024 15:54]

[PegOpDeWeg]

Eerder een photon torpedo...

[Durandal]

Hmm.. het hele verhaal is dit nieuws topic niet verteld. Waarom? Pageviews?

On June 5, 2014, Bhattacharya's team succeeded in creating what's believed to be the first polariton laser that is fueled by electrical current as opposed to light, and also works at room temperature, rather than way below zero.[9] However, these results are disputable and the majority of the polaritonic community does not believe in these.

http://en.wikipedia.org/wiki/Polariton_laser

[MadIceXIII]

Zo'n community is vaag en er is geen bronvermelding van het waarom. Bovendien, geloven dat iets niet werkt is nu niet bepaald wetenschappelijk. Zo'n experiment moet gewoonweg reproduceerbaar zijn. Ik denk dat het enige wat die gemeenschap moet doen is bewijzen dat het niet werkt. En als dat inderdaad niet mogelijk blijkt te zijn dan pas hebben ze gelijk. Het reproduceren van dat experiment is dus in ieders belang. Ik neem aan dat dit opgepikt gaat worden door een team elders.

[Reactie gewijzigd door MadIceXIII op 27 juli 2024 15:54]

[Crovmon]

Uhm, ik weet niet wie op Wikipedia zomaar even namens de polaritonic community spreekt (zonder bronvermelding); maar ik denk dat het niet zomaar in PRL komt als het echt so discutabel is. Ook refereren ze alleen aan de aankondiging op een website op 9 juni, niet de publicatie van 24 juni.

@MadIceXIII: Als een groep er de juiste spullen voor heeft staan en niet met iets anders bezig is, allicht. Maar je moet er wel het geld voor zien te vinden, bijvoorbeeld door goede ideeen/voorstellen hebben voor vervolgonderzoek welke publicatiewaardig zou zijn. Niemand gaat zoiets lastigs zomaar even nadoen gewoon om te checken, krijg je geen geld voor. :-/

[Verwijderd]

Noem mij gek maar ik kan me niet voorstellen dat dit licht 100% coherent gaat zijn.
Bij een Laser weet je dat zeker.
Bij dit nieuwe type pseudo laser zal er vast nog wel eens een emissie scheef de poort verlaten.

[Crovmon]

En waarop baseer je dat dan? Als ze die polaritonen in een Bose-Einstein Condensaat (BEC) hebben, dan delen ze als het ware allen dezelfde golffunctie (ergo fase), en dus zijn ze coherent. En omdat er geen populatie-inversie nodig is kost de hele grap een stuk minder energie. (Inversionless lasing is een beetje een heilige graal, er zijn veel verschillende soorten fundamenteel onderzoek die plaatsvinden waarbij het prospect van inversionless lasing als een van de mogelijke toepassingen/rechtvaardigingen wordt opgevoerd.)

Maar exciton-polariton BEC's bestonden al veel langer, wat hier knap aan is (en dus het hele punt van dit artikel), is dat het ze gelukt is zo'n BEC te maken (en pompen) zonder normale lasers te gebruiken, en ook nog eens op lage temperatuur. Dat maakt ook dat het prospect voor daadwerkelijke toepassing zo reeel lijkt.

Ter indicatie, de meeste Bose-Einstein Condensaten in laboratoria zitten in geavanceerde vacuumkamers met een effectieve temperatuur in de orde van enkele honderden nanoKelvins (dat zijn dus 10 miljoensten van een graad boven het absolute nulpunt), en gebruiken uitgebreide laser-setups om de deeltjes te koelen en op hun plek te houden; in het geval van atomen. Of gebruiken op z'n minst cryogenische apparatuur (bij dit soort condensaten).

Tegelijkertijd, het zal inderdaad nog wel even duren voordat dit echt industrieel-commercieel interessant is, so don't hold your breath. Maar als proof-of-concept is dit best tof.

[Verwijderd]

Als het uberhaupt al betrouwbaar is, waar dus twijfels over zijn, (zie Durandal).... :

"However, these results are disputable and the majority of the polaritonic community does not believe in these."

.....dan zou het leuk zijn, echter is jouw betoog eerder een statement tegen de plausibiliteit van deze techniek dan ervoor......
_{Dacht overigens dat natuurkundigen terughoudendheid in hun genen hadden.......}

[Crovmon]

Volgensmij heb ik geen betoog gegeven voor of tegen plausibiliteit, alleen aangegeven dat die 100% coherentie niet echt het punt is (los van het feit dat echt pure coherentie natuurlijk helemaal niet kan). Het toffe is dat het ze nu ook daadwerkelijk gelukt is om te maken met het een aantal essentiele randvoorwaarden die in principe ook buiten het laboratorium goed te realiseren zijn; al zijn er vast nog heel wat haken en ogen.

Leuk detail: die groepsleider (Ayan Das) houdt kantoor bij Intel. :-)

P.S.
Had al gereageerd op opmerking Durandal, er is voor zover ik zie geen enkele bron voor die twijfels gegeven, behalve een ongefundeerd zinnetje op Wikipedia. Maar zit zelf niet in het polaritonveld, dus kan ook niet ontkennen dat zulke twijfels eventueel bestaan of gegrond zijn. Maar gezien dat de referees van PRL (zo'n beetje het hoogst haalbare na Nature/Science op natuurkundegebied) het geaccepteerd hebben ben ik geneigd dergelijk onderzoek het voordeel van de twijfel te geven. Bovendien is dit in principe reproduceerbaar, en geenszins revolutionair in theoretische zin (voer op Google Scholar maar eens 'Room Temperature Electrically Injected Polariton Laser' in om een idee te krijgen van hoeveel onderzoek hier al door verschillende groepen naar gedaan is), en zal het geen totaal obscure onderzoeksgroep zijn als ze van Intel en de National Science Foundation geld krijgen, dus fraude lijkt me niet a priori aannemelijk. Maar je hebt gelijkt, het is natuurlijk altijd mogelijk. ;-)

[blobber]

een conventionele laser is ook niet100% coherent vanwege temperatuurschommelingen, dopplerverbreding etc.

[Martijn.C.V]

Hoe moet ik dit interpreteren:

De laser functioneert met een stroomsterkte van 169 ampère per vierkante centimeter.

Ik neem aan dat ik geen krachtstroomkabel mn PC in moet leggen. Is dit getal er omdat het +- 250x zuiniger is, of heb ik (als gebruiker) hier ook wat aan?
Hoe vertaald dit zich t.o.v. de huidige systemen, wordt dat nu ook zo gemeten (zou ik dan ook voor het eerste horen, maar wie weet)?

[Reactie gewijzigd door Martijn.C.V op 27 juli 2024 15:54]

[Joecatshoe]

Volgens het artikel willen ze het in de chips zelf toepassen, daar spreek je niet over centimeters maar nano en micrometers. Stel dat die laser een oppervlakte van een micrometer heeft, zit je met 167µA aan stroom.

[crazylemon]

Is het niet 0,0167A bij µM2? 16,7 mA?

[Joecatshoe]

Oeps, dat klopt inderdaad.

[Jaco69]

Er gaan toch 100 mm² in 1 cm² en 1000000 µm² in 1 mm²?
dus dan is het 1,96µA per µm²

[crazylemon]

Waarom 100mm2 in een cm2 en 1000000µm2 in 1 mm2? Is dat niet dezelfde spronggrootte?

[Verwijderd]

fyi: 1 centimeter is 10 millimeter en 1 millimeter is 1000 micrometer

[geert01]

Ik dacht ook al, 169Ampere is vrij hoog, moet dat geen micro/nano ampere oid zijn? fijn dat je het op deze manier voor ons verhelderd

[homers]

hoppelijk zijn de productie kosten ook niet te hoog als ze deze techniek op grote schaal willen toepassen

[dimitrimissinne]

Bovendien slaagden de onderzoekers erin de lasers bij kamertemperatuur in plaats van supergekoeld te laten werken.

Dat scheelt al heel wat in prijs.

[Triblade_8472]

Maar wat is de verhouding met de stroomsterkte vergeleken met een 'normale' chip, ipv een laser?

[biglia]

Dat zijn nu de echte Tweakers.

[Durandal]

Komen handzame laserwapens hiermee ook dichter bij?

[Reactie gewijzigd door Durandal op 27 juli 2024 15:54]

[Happy Meal]

Ik zou een laser insectenverdelger wel zien zitten.
De huidige laserpointers zijn daar véél te zwak voor.
Erg handig voor thuisgebruik, mis er geen ongelukken mee gebeuren natuurlijk.

[Verwijderd]

is 50 a 100 muggen per seconde genoeg voor jouw beoogde toepassing ?

http://bits.blogs.nytimes.com/2010/02/12/using-lasers-to-zap-mosquitoes/?_php=true&_type=blogs&em&_r=0

[Dark Angel 58]

Als het echt een doorbraak is, gaan ze het nu op CERN toepassen?
Dan verbruiken ze nog minder stroom.... dat is toch een goed nieuws?

[lezzmeister]

Omdat CERN in de LHC toevallig ook een supergekoeld iets gebruikt wil dat niet zeggen dat dit daarvoor gebruikt kan worden.

[Convoy]

Kom op jongens, dit is toch geen rocket science

Maar idd, knap staaltjuh werk

[daft_dutch]

Maar wel een enorme doorslag ten over van elektonische schakelingen
deze hebben bij hogere snelheden veel last van parasitaire capaciteit. licht heeft dat niet.

[Verwijderd]

De ontdekking van elektriciteit was ook geen rocket science. Dat maakt het echter niet minder belangrijk. Sterker nog, de ontdekking is vele malen belangrijker dan rocket science. Je kan niet zomaar een vergelijking maken met rocket science, alsof het niets is. Het is een nieuwe uitvinding, terwijl rocket science al lang bekend is. Dat maakt een enorm verschil.

Edit: Oh, dus je wil zeggen dat omdat er een niet-serieuze smiley in staat, men er maar niet op moet reageren? Dit is tweakers.net, niet speeltuin.nl.

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 27 juli 2024 15:54]