Revolutionärkiselfotodetektor(Si-fotodetektor)
Revolutionerande fotodetektor helt i kisel (Si-fotodetektor）, prestanda utöver det traditionella
Med den ökande komplexiteten hos modeller för artificiell intelligens och djupa neurala nätverk ställer datorkluster högre krav på nätverkskommunikation mellan processorer, minne och beräkningsnoder. Traditionella nätverk på och mellan chip, baserade på elektriska anslutningar, har dock inte kunnat möta den växande efterfrågan på bandbredd, latens och strömförbrukning. För att lösa denna flaskhals har optisk sammankopplingsteknik, med sina långa överföringsavstånd, snabba hastigheter och fördelar med hög energieffektivitet, gradvis blivit ett hopp för framtida utveckling. Bland dessa visar kiselfotonteknik baserad på CMOS-processen stor potential tack vare sin höga integration, låga kostnad och bearbetningsnoggrannhet. Realiseringen av högpresterande fotodetektorer står dock fortfarande inför många utmaningar. Vanligtvis behöver fotodetektorer integrera material med ett smalt bandgap, såsom germanium (Ge), för att förbättra detekteringsprestanda, men detta leder också till mer komplexa tillverkningsprocesser, högre kostnader och oregelbundna utbyten. Den helkiselfotodetektor som forskargruppen utvecklat uppnådde en dataöverföringshastighet på 160 Gb/s per kanal utan användning av germanium, med en total överföringsbandbredd på 1,28 Tb/s, genom en innovativ design med dubbla mikroringar i resonatorn.
Nyligen har ett gemensamt forskarteam i USA publicerat en innovativ studie där de meddelar att de framgångsrikt har utvecklat en lavinfotodiod helt i kisel (APD-fotodetektor)-chip. Detta chip har en ultrasnabb och billig fotoelektrisk gränssnittsfunktion, vilket förväntas uppnå en dataöverföring på mer än 3,2 Tb per sekund i framtida optiska nätverk.
Tekniskt genombrott: design med dubbel mikroringresonator
Traditionella fotodetektorer har ofta oförenliga motsättningar mellan bandbredd och responsivitet. Forskargruppen lyckades mildra denna motsättning genom att använda en dubbelmikroringsresonatordesign och effektivt undertrycka överhörning mellan kanaler. Experimentella resultat visar atthelkiselfotodetektorhar ett svar på 0,4 A/W, en mörkström så låg som 1 nA, en hög bandbredd på 40 GHz och en extremt låg elektrisk överhörning på mindre än −50 dB. Denna prestanda är jämförbar med nuvarande kommersiella fotodetektorer baserade på kisel-germanium och III-V-material.
En blick mot framtiden: Vägen till innovation inom optiska nätverk
Den framgångsrika utvecklingen av helkiselfotodetektorn överträffade inte bara den traditionella tekniklösningen, utan uppnådde också en kostnadsbesparing på cirka 40 %, vilket banade väg för framtida snabba och lågkostnadsoptiska nätverk. Tekniken är helt kompatibel med befintliga CMOS-processer, har extremt hög avkastning och förväntas bli en standardkomponent inom kiselfotonikteknik i framtiden. I framtiden planerar forskargruppen att fortsätta optimera designen för att ytterligare förbättra fotodetektorns absorptionshastighet och bandbreddsprestanda genom att minska dopkoncentrationer och förbättra implantationsförhållandena. Samtidigt kommer forskningen också att undersöka hur denna helkiselteknik kan tillämpas på optiska nätverk i nästa generations AI-kluster för att uppnå högre bandbredd, skalbarhet och energieffektivitet.
Publiceringstid: 31 mars 2025