Свет теперь напрямую управляет электронными переходами в кремнии, открывая путь к полностью интегрированной фотонике. «Диагональные» переходы в непрямозонных материалах создают новый канал рекомбинации с минимальным нагревом. Метод управления импульсом фотонов (momentum-engineered photonic states) экономичнее изменения геометрии кристалла или создания сложных двумерных структур.
Дорого, громоздко и долго — главные барьеры для фотонных вычислителей. Пока «чистые» источники изучаются в лабораториях, серийные устройства с внешней подсветкой совершенствуются.
Группа доктора Носкова нанесла на кремний металлические частицы размером менее 2 нм. Зазоры между ними образуют квантовые ловушки, где импульс фотонов получает вероятностный разброс. Под обычным светом поверхность интенсивно излучает в видимом и ближнем ИК-диапазоне. Эффективность сравнялась с уровнями прямозонных полупроводников — невероятный результат для объёмного кремния!
Взаимодействие света и материи теперь организуется через управление импульсом квантов, а не фиксированной электронной структурой.
Основная проблема кремния — непрямозонность. Переход электрона с испусканием фотона вызывает потери энергии и времени. Ранее для интегральных микросхем требовалась гибридная технология: волноводы из кремния, лазеры из других материалов. Это делало схемы крупнее и дороже электронных аналогов.
Гибридные схемы проигрывают монолитным. Инвестиции в прямозонные материалы требуют огромных средств, недоступных даже супердержавам.
В США консорциум OCI MSA объединил AMD, Broadcom, Microsoft и Nvidia для создания экосистемы высокоскоростных межсоединений (до 800 Гбит/с). Цель — масштабируемая цепочка поставок для сетей ИИ. В Китае пилотные линии работают в Ухане, Пекине и Шанхае. КОИС без норм менее 90 нм станут привлекательными для КНР, где освоение передовых производств затруднено.
Фотоника перспективна, но размеры волноводов превышают электронные контуры. Для обучения больших языковых моделей это минус: работа нейросетей сводится к матричному умножению триллионов операндов.
Сегмент мирового ИТ-рынка достиг $2,62 млрд в 2025 году и вырастет до $34,34 млрд к 2035-му (рост ~30% в год). Бурное развитие обусловлено обменом данными (1,6 Тбит/с) и вычислениями на КОИС. К середине следующего десятилетия передача данных и вычисления сойдутся в одной точке.
Естественное ограничение на импульс фотона ослабляется при локализации света в нанометровых масштабах. Принцип неопределённости Гейзенберга запрещает одновременное точное определение координат и импульса. В «наноловушке» распределение импульса расширяется, позволяя фотонам сравняться с электронами кремния.
Imec и NLM Photonics предлагают оптические линии связи со скоростью 400 Гбит/с на основе кремния. Imec использует кремний-германиевый модулятор (448 Гбит/с), а NLM Photonics — гибридную конструкцию с органическими материалами (224 Гбит/с). Органическая схемотехника повышает эффективность модуляторов на порядок, экономя энергию в дата-центрах.
Группа профессора Михаль Липсон (Колумбийский университет) создала источник частотной гребёнки высокой мощности, интегрированный на кремниевый чип. Это избавляет от необходимости использовать несколько лазеров. Многомодовый диод стабилизирован прохождением через кремниевые структуры на подложке.
Непримозонность кремния снижает эффективность излучения: разница импульсов электрона и фотона порождает фонон, возбуждая колебания решётки и нагрев образца.
Исследователи из UC Irvine доказали, что объёмный кремний способен эффективно излучать свет без масштабных тепловых потерь. Для этого не нужно менять состав или структуру материала. Команда доктора Алексея Носкова заставила обычный объёмный кремний с кубической структурой излучать широкополосный свет.