是否有可能用更快的光子代替計算電路中的電子，以便立即大幅提高計算速度？原則上，是的，盡管這需要對計算電路本身進行重大返工。但結果不太可能是無可争議的積極
按照當今的微電子标準，量子光內建電路并不那麼“微”（來源：Imec）
“光子學”是一個極其多義的術語。首先，它的起源至少有兩方面：例如，英文資料可以追溯到1954年，當時美國科幻小說作家和出版商約翰·W·坎貝爾（John W. Campbell）在傳奇的麻省理工學院和杜克大學接受教育，在給德國哲學家戈特哈德·岡特（Gotthard Günther）的一封私人信中說：“順便說一句，我決定發明一門新科學，光子學。它與光學的關系将與電子學與電氣工程的關系相同。在俄語傳統中，習慣上将“光子學”一詞的首次使用追溯到 1967 年，當時以生物分子領域的工作而聞名的 A. N. Terenin 院士出版了《染料和相關有機化合物分子的光子學》一書。
無論如何，光子學作為一個涵蓋光子攜帶資訊的所有系統的自然科學領域，在 1960 年代開始積極發展，開始廣泛使用雷射，後來是光纖。從形式上講，該術語真正廣泛使用的曙光可以追溯到 1980 年代，主要應用于電信。但研究人員從一開始就不會将自己局限于通過光纖傳輸資料。我們宇宙的最大光速，光子移動，承諾在未來達到前所未有的邏輯電路性能，其中電磁輻射量子将充當資訊的載體而不是電子，但事實證明，在實踐中設計和實作這樣的方案并不容易。但研究人員并沒有放棄——盡管我們絕對不應該指望用光子學直接取代電子晶片，作為我們周圍 PC、伺服器和智能手機的一部分。
哪裡沒有矽？
最初，将光子學思想付諸實踐的內建器件主要與電信有關，是以從光學角度來看最佳的物質被用作其建構的物質基礎：摻雜石英玻璃、铌酸锂、磷化铟等：矽基電子器件是獨立的，基于光子學的接收/發送光信号的終端節點是獨立的，它們之間有相應的轉換器。然而，隻有當電子電路內建在一起時，電子電路才開始真正征服世界——是以适合大規模批量生産，機關生産成本顯著降低。
矽光子學很有吸引力，因為它允許使用在VLSI上經過出色測試的方法線上生産晶片（來源：Imec）
出于這個原因，光子學的內建解決方案似乎也是最有前途的。幸運的是，（多）晶矽并不是一種不适合建立（近）光學系統的物質：它對紅外輻射是透明的（波長大于 1 μm），在近紅外範圍内，其無量綱折射率約為 3.5。為了進行比較：用于制造用于使用可見光的鏡片的各種類型的光學玻璃用 1.4 到 2.2 範圍内的訓示器折射它。這意味着矽透鏡将能夠非常有效地偏轉紅外輻射通量——即使是很小的實體尺寸（更準确地說，是光學孔徑）。如果是這樣，從理論上講，沒有什麼可以阻止為光子學的需求建立純矽內建電路，其中電子和光學元件将位于單個基闆上。
今天，矽光子學（SiPh）是一個快速發展的IT領域，其物質基礎是混合量子光學內建電路（PIC;俄語縮寫為KOIS;簡單地稱它們為“光子”并不完全正确，因為有電子元件，而“光子學”在某種程度上是不和諧的）。PIC/KOIS采用經典光刻方法生産，使用絕緣體上的矽（SOI）晶圓，確定了所得産品的可接受成本和大規模生産。那麼，為什麼一代又一代的新CPU、GPU和NP（神經處理器）代表的是半導體電子VLSI，而不是KOIS？造成這種情況的原因有很多，為了了解它們，回到半導體電子帶隙的基本概念是有意義的，更廣泛地說，電導率是一種實體現象。
生産KOIS所需的生産過程規模相對較大，即使在沒有最先進的光刻機的情況下，也可以進行生産（來源：TU/e）
回想一下，即使在絕對零度溫度下，金屬與所有其他物質的差別在于它們中存在自由電子（所謂的電導率電子）。此外，存在非常明顯：10cm22 或更多中約有3-3 個機關。在絕對零度以上的溫度下，非金屬也會獲得一定濃度的導電電子，因為原子在晶格中的位置附近的熱振動會引起（有一定的機率）電子與其原子外殼的分離及其向自由态的轉變。該機率由位于原子殼層（在價帶中）的電子與獲得自由的電子（停留在導電區）的能量差異決定。事實上，導帶的“底部”和價帶的“上限”之間的最小間隙稱為帶隙寬度——正如我們在系列文章中不止一次指出的那樣，這個參數“不适合你”，許多奇異的半導體比矽更可取。一般來說，在室溫下，半導體在 1cm3 的體積内有 10個 13-10 17 個自由電子，而半金屬有 10個 17-10 22 個自由電子。當然，這些界限是有條件的。
是以，物質中的兩個穩定電子區域——價和電導率——可以對稱或不對稱地定位。這是指這些區域在電子能量對其動量的依賴關系圖上的表示（順便說一句，為什麼傳導區有一個“底部”，而價區有一個“天花闆”，這一點變得很明顯）。當然，更準确地說，談論準動量（晶體動量）——固态實體學中接受的準粒子（晶格周期場中的相同移動電子）的特征，但在這種情況下它并不那麼重要。另一方面，在相應圖的極值（導帶描繪器的最小值和價區圖像的最大值）落在相同的（準）動量值上的情況下，對稱性如何表現出來是很重要的。很明顯，在真正的晶體中，有必要考慮其三維結構，這使得電子光譜的能帶圖更加複雜。但無論如何，對于室溫下的半導體，當自由電子的密度相對較低時，我們可以假設隻有價帶中光譜最大值附近的态被釋放，并且隻有導帶中光譜最小值附近的态被占據。這種半導體稱為直帶。
直帶（左）和非直帶半導體的電子能量準動量圖（來源：Wikimedia Commons）
是以，在非直帶半導體中，導帶中的最小能量與價帶中的最大能量不一緻。而矽屬于非間接波段半導體，這大大降低了其作為LED材料的效率。我們談論的是混合內建光子學，即光發射器、波導和經典邏輯環路在通用基闆上一次性完成，對吧？是以，在直帶半導體中，在某些條件下，導帶能量最小值的電子能夠通過發射光子損失部分能量，并在不改變其（準）動量的情況下移動到價帶的最大值，即以極其節能的方式。如果第一個區域的最小值和第二個區域的最大值在動量空間中分開，那麼自由電子也必須調整其動量以變成化合價。這是由于準聲子粒子的形成而發生的——粗略地說，部分複合能（在價電子應該存在的地方有一個空穴的自由電子）最終用于加熱樣品。
結果，輻射複合的效率非常低：電子從自由到價的轉變，同時發射光子和聲子，比隻有光子的直帶半導體需要幾個數量級的時間。這反過來又産生了一個新問題：由于即使是高純度晶體矽的真實樣品也不是完全沒有缺陷的，是以自由電子和價帶中的空穴有可能在不發射光子的情況下在這些缺陷上重新組合，因為事實證明這比“等待”聲子的緩慢形成進行輻射複合更具能量優勢。幸運的是，由于在矽中引入了某些類型的添加劑，他們在 21 世紀初就學會了應對這個問題，到目前為止，矽光子學提供了最廣泛的器件——波導、調制器、光電探測器，以及這些元件組裝成混合 KOIS 的組合。例如，SiPh 收發器可以以高達 400 Gbit/s 甚至更高的速度交換資料，同時消耗的功率比微電子收發器低得多，而 SiPh 雷射雷達可以在微不足道的時間内形成地球表面大片區域的高度詳細圖像。總之，矽光子學對每個人都有好處，但很難以此為基礎組織邏輯元素。另一個問題是是否值得這樣做？
在這裡，我們需要從邏輯上
任何邏輯電路不僅需要正确執行邏輯操作的門，還需要信号傳播的通道。對于微電子，通道傳統上由導電良好的金屬制成，例如鋁和銅。就矽光子學而言，乍一看，通道也不應該有任何特殊問題。如前所述，矽本身的特征在于，在許多SiPh器件的1550nm工作波（紅外輻射）下，折射率約為3.5，而二氧化矽SiO2的折射率約為1.6。事實上，正是出于這個原因，絕緣體上的矽晶圓被選為生産矽光子晶片的基礎，而不是由純矽制成的坯料：位于 SiO2 襯底上的半導體（矽）脊，在側面和頂部受到氣隙或相同二氧化矽的限制，成為出色的波導對于所需光譜範圍的紅外光子：它們從折射率明顯不同的媒體之間的邊界很好地反射（全内反射的影響），并以可接受的損耗沿波峰傳播。
（a） — 用于制造KOIS的鋼坯（絕緣體上的矽）的結構，厚度為0.3 μm的藍色條紋 — SiO2層;（b） 是在寬度為 3 μm 的這種坯料表面上形成的波導，其中一束光子傳播 - 光束部分的梨形區域越紅，那裡的通量強度越高（來源：NVIDIA）
一切都會好起來的，但僅僅提到工作輻射的特征波長 - 1550 nm - 甚至應該提醒那些對當今微電子工藝的營銷規模有所了解的最細心的讀者，“5 nm”和“3 nm”——順便說一句，晶片制造商承諾的“1 nm”并不遙遠。早些時候，在一系列專門讨論光刻生産的文章中，我們解釋了技術過程的營銷名稱在多大程度上與微電路制造中實際的最小分辨率限制不同，但無論如何，這些是最初的幾十納米 - 而不是數百和數千。是以，與固态超大規模內建電路（VLSI）的波導，其特征信道寬度以微米計算，看起來就像一條普通的城市街道，兩側是用樂高積木建造的建築物和樹木，而不是真正的全尺寸積木。
而這隻是一個直接波導！在電路圖上，載流母線通常用直線段表示;如果給定邏輯元件的實作需要它，則通過直角連接配接。實際上，導電金屬軌道在設計工程師的指令下的位置和方式上也能完美地彎曲——如果金屬總線内部的電子突然轉動 90°，它不會誤入歧途。波導内部的光子是另一回事：為了在所需的方向上反射，它們與壁相遇的角度必須離鉛垂很遠。這意味着，如果從圖上一個點到另一個點的波導不能做直，則不必以直角斷開，這是載流總線允許的，但對于已經提到的矽，請小心彎曲，最小半徑約為 250 μm。是的，近年來，橫截面波導的特征尺寸已經估計為數百納米，其允許的彎曲半徑以微米為機關，但這些尺度仍然明顯高于純微電子器件的特性。
KOIS的基本元件之一，即定向耦合器，可以彎曲：（a）是其總體外觀;（b） 是電路的設計參數，包括最小允許彎曲半徑的訓示（來源：Micromachines）
無論如何，與微電子模拟相比，僅基于光學元件建構的邏輯電路将擴大，這既是由于信号傳輸通道的縮放（波導而不是金屬軌道），也是由于需要重新排列整個電路，以便用優雅的圓角替換通道的矩形匝數。令人欣慰的是，與用于電荷傳播的總線不同，光波導可以自由相交而不會引起短路和資料丢失：僅此一項就可以不将金屬互連層堆積在晶片的矽基底上，而是使用最多兩層結構。但是，沿着生産規範前沿的撤退規模仍然令人沮喪：混合KOI比全微電子KOI大得多。然而，使用純矽以外的半導體帶來了一些希望——例如，基于氮化矽 （SiN） 的光電電路使得使用短波輻射進行資料傳輸成為可能，直至光譜的可見區域。順便說一句，基于磷化铟（InP）等直帶材料的半導體雷射器正在成為KOIS的光源——在這種情況下，純矽根本不合适，也就是說，矽光子學需要外部光源。是以，需要輸入耦合器來為SiPh器件提供光通量，并沿着光電電路進一步重定向轉換後的光。所有這些都使矽光子學的電路實作變得非常複雜。
Synopsys 是美國和世界各種晶片工程設計工具的領先開發商之一，在其詞彙表“什麼是矽光子學？”一節中直接指出：“PIC 無法形成一個完整的解決方案，可以立即與”傳統“電子內建電路隔離使用。這意味着，例如，收發器——通過光纖交換資訊、将資料流從電子形式轉換為光子形式，反之亦然的關鍵子產品——也離不開控制信号調制器并執行額外信号處理的微電子電路。反過來，需要光調制器對雷射束中的資料進行編碼，然後沿着光纖傳播到光電探測器，該光電探測器是通信線路另一側收發器的一部分。
超窄帶可重構半導體雷射器可用于KOIS的外部“照明”（來源：PhotonDelta）
從理論上講，可以通過簡單地打開和關閉雷射束來調制雷射束，進而以摩爾斯電碼的方式建立“點和破折号”流，但是通過偏振、強度或相位調制連續的光子流是更容易接受的，原因将在後面解釋，例如，基于簡單的馬赫-曾德爾幹涉儀（馬赫-曾德爾調制器）。這種調制器是波導分支成兩個通道，然後再次會聚，并向其中一個通道施加電壓，其大小和持續時間由微電子電路設定。如果分岔波導的兩個通道的實體參數相同，那麼在這兩個光束彙聚成一個光束之後，光将保持與照射到幹涉儀之前完全相同。但是，由于施加在波導上的電壓會改變其特性，特别是折射率，是以通過幹涉儀的這個分支傳播的光波也變得與在同一時間沿第二個分支傳播的光波不同。然後加在一起，初始（但強度減半）和調制光子通量形成具有可變強度的光束，實際上，資訊被編碼。通常，為了節省能源，高V值不僅應用于Mach-Zehnder幹涉儀的一個分支，而是将+V/2應用于一個分支，将V/2應用于另一個分支，是以，獲得相同的效果。當然，為了提高效率，這種波導是由具有強電光效應的材料制成的，如LiNbO3、GaAs、InP，這使得它們與矽VLSI的內建變得更加困難。
因果關系的結晶
除了負責控制光調制器操作的微電子電路外，典型的收發器還包含更多由于電子而起作用的電路，例如糾錯、資料包處理、信号放大等。在大多數情況下，盡管形式上的矽光子學允許在單個空白晶圓上對電子和光學元件進行聯合光刻，但這兩種電路是在單獨的晶片上執行的，并且根據明顯不同的技術流程進行，并且已經組合成一個工作解決方案——收發器本身——已經處于釋出的最後階段。原因是平庸的，并且已經不止一次提到：如果在 2000 年代初期，仍然有相當嚴肅的讨論，即相對較快（在 15 年左右的時間裡）用光子電路取代計算機内部的電子邏輯電路，那麼到 21 世紀的第二個十年結束時，技術發展在這個方向上的徒勞變得顯而易見。經典超大規模內建電路的小型化以如此驚人的速度發生（這要歸功于摩爾的自我實作預言），以至于光子電路在每機關占用面積的條件半導體（基本邏輯門）數量方面無可救藥地落後于電子電路——而且這種滞後根本不是另一個技術飛躍可以克服的。
KOIS的各種光學元件（不是單一尺度）：外部雷射器、輸入耦合器、光調制器、波導、定向耦合器、光環諧振器、光電二極管和光子晶體（來源：Comsol）
“3nm”制造技術允許在 1 mm² 上放置平面晶片表面（我們甚至沒有在這裡開始談論 VLSI 垂直封裝的可能性！大約3億個半導體。是的，為了正确連接配接它們，形成邏輯輪廓，最多需要十幾層金屬輪胎，但由于每個後續層都是根據比較低的技術标準更大的技術标準制造的，是以不會造成嚴重的生産問題。同時，SiPh晶片的典型元件，即使是相同的調制器，其特性尺寸也不能小于通過該元件傳播的至少幾個波長的光;對于近紅外範圍 - 具有多個微分尺的微米。這不是經驗法則，而是自然法則：技術領域的任何進步都不會将紅外光子的波長減少到幾納米。而且，如果您嘗試使用波長明顯更短的輻射而不是紅外線和可見光，那麼問題就已經開始于選擇能夠充分感覺硬紫外線和X射線輻照的材料，這與我們之前考慮的從DUV到EUV光刻的過渡大緻相同。
總的來說，混合SiPh晶片上的單個調制器将有條件地占用10×10 μm（10−4 mm²）。如果按照“3-nm”技術标準制造這樣的晶片，則同一區域将放置30,000個半導體。但是，粗略地說，調制器隻是一個簡單的閥門，能夠允許或禁止光通過，就像半導體控制電流通過其通道一樣。換句話說，當試圖建立純光子計算電路時，設計人員将犧牲VLSI每機關面積邏輯元件數量的四到五個十進制數量級。我們不要忘記，與金屬載流母線相比，光子波導的長度更長;并且需要平滑地圓角，以便全内反射的效果繼續在改變方向的波導内部起作用——所有這些都可以使純光子邏輯電路所占據的面積增加另一個數量級，甚至兩個數量級。順便說一句，盡管矽具有所有優點，但作為紅外輻射傳播的媒體并不是很好 - 通道中的損耗（輸出端的光子數除以輸入端的光子數）即使在微米距離下也可以達到90%。
對于初學者來說，光子晶體非常漂亮（來源：LaserFocusWorld）
幾乎所有現代計算機（模拟計算機和量子計算機可能除外）的馮·諾依曼架構對純光學計算機的發展施加了另一個限制，這意味着在擷取-執行周期中進行處理操作。在這個邏輯中，微處理器從存儲器中接收（選擇）指令，在考慮從輸入裝置接收的資料的情況下執行該指令，并将結果傳輸到存儲器或輸出裝置，之後循環重複。另一方面，光子在靜止狀态下不存在，是以很難建立一個專門在這些粒子上運作并且功能類似于DRAM和NAND晶片的存儲子系統。然而，光子晶體的方向最近一直在積極發展，這種組織純光學（非電子）計算的方法很可能被證明是有希望的。
光子晶體在自然界中具有相當廣泛的代表性：它們特别負責蛋白石的彩虹光澤或熱帶蝴蝶的翅膀。定義為光子晶體的媒體的實體基礎是具有可變介電常數值的周期性結構（提醒一下，光的折射率值取決于它），是以在這種媒體的不同區域形成區域，允許和禁止某些能量（或波長）的光子通過。從某種意義上說，用于光量子的光子晶體是用于電子的半導體的功能類似物，它适用于組織邏輯門，正是因為它包含允許和禁止放置電荷的區域。根據媒體中可變介電常數區域的排序方式，光子晶體分為一維、二維和三維。就應用光子學而言，現階段最相關的是二維（平面）光子晶體，例如，在普通基闆上通過光刻方法生産光刻方法并不比梳狀FinFET結構更難。
帶有穿孔壁的波導允許您控制穿過它的光束的特性 - 就像任何巧妙的東西一樣簡單（來源：intechopen）
組織二維光子晶體的最簡單方法是形成更寬的波導而不是窄的矽波導，并且沒有通常意義上的側壁。在主線的兩側，光量子流将沿着該線傳播，使用選擇性蝕刻的标準光刻方法進行穿孔。是以，沿着光子束的路徑，出現兩排有序的不規則性，它們的尺寸和它們之間的距離都遠小于工作輻射的波長，是以它們不會顯着幹擾來自波導邊界的完整内部反射。更準确地說，通過選擇周期性定位的空腔的幾何尺寸以及它們之間的距離，可以确定允許和禁止的頻率：前者的光波将自由地穿過光子晶體，而後者将由于相消幹涉而熄滅。此外，如果現在将某些違規行為引入空腔的周期性，則具有以前禁止頻率的光束将再次能夠通過這樣的波導傳播，但以一種更狡猾的方式傳播。結果，具有周期性變化折射率的光子晶體被證明是半導體的類似物，其條帶禁止電子進入，類似于晶格某些區域的 X 射線布拉格衍射（我們也在 EUV 光刻的文章中詳細讨論了這種現象）。
如前所述，基本半導體器件（二極管、半導體）非常适合組織邏輯電路，正是因為它們具有非線性（在響應值電平與提供給電路的信号電平不成比例的意義上）。另一方面，光學系統是線性的，或者更确切地說，在雷射出現之前，它們在地面實驗室中僅表現為線性。高強度的雷射輻射，由其形成的電場與将電子保持在原子核附近的鍵進行功率競争，導緻光學媒體以非線性方式響應通過它們的高能量子流。特别是，高諧波在電磁波偏振結構中的作用正在增加：光學克爾效應開始顯現出來，其本質是媒體中的強光束本身可以産生調制電場，而無需施加外部電場。是以，足夠強的雷射輻射通過的光子晶體不需要外部微電子電路來進行自身調制——隻需要仔細選擇形成波導的晶格的幾何參數，并安排其中的不均勻性，以便在輸出端獲得所需的結果。
光子晶體上門“邏輯HE”的組織：（a） — 在圖和相應的真值表上指定該節點;（b）是半導體中栅極的實際實施方式;請參閱正文中的解釋（來源：IntechOpen）
而這個結果究竟是什麼，取決于形成光子晶體的材料是什麼樣的。當與強度為 I 的高功率雷射輻射互相作用時，折射率 n 開始根據公式直接取決于它
n （I） = n0 + n2 I，
其中 n0 是經典的線性折射率，n2 是其二階非線性分量，這是由于光學克爾效應。是以，根據為光子晶體選擇的材料，n2 可以取正值或負值。在這方面，純矽并不是最傑出的媒體，因為它的n2指數既為正又極小，是以研究人員現在正在積極研究許多其他适合光子學的材料，這些材料通常非常奇特。
不管怎樣，光子晶體已經使建立功能齊全的邏輯門成為可能——“NOT”、“AND”、“OR”等等。例如，“HE”門需要基于負值為n2的材料的晶體 - 一個例子是基于硒化鉛PbSe的量子點。在這種情況下，形成光子晶體的空腔結構受到幹擾，因為引入了如此大小的納米空腔，并且與波導的距離如此之遠，以至于在沒有調制脈沖的情況下，恒定的光子流将自由地通過晶體（輸入端的邏輯“0”，輸出端的邏輯“1”），而這種脈沖的激活将導緻輸出光通量消失，因為折射率的瞬時變化（在輸入端，“1”）。 輸出為“0”）。甚至可以形成類似于半導體随機存取存儲器（RAM）的結構，但應該記住，純光子晶片的實體尺寸在任何情況下都會比完全意識形态對應的半導體晶片的實體尺寸大幾個數量級。
這就是為什麼光子學發展最可取的領域仍然位于馮·諾依曼計算機已經成功解決任務的邊界之外。模拟、量子計算、用于加速 AI 計算的特殊節點，我們在上一篇文章中談到過，但不是用光子晶體平庸地替換半導體電路。幸運的是，在可預見的未來，這些任務對于經典計算系統來說并非微不足道，而且顯然将與人類最相關。