Vallankumouksellinen piifotodetektori (Si-fotodetektori)

Vallankumouksellinenpiivalodetektori(Si-fotodetektori)

Vallankumouksellinen kokonaan piisirunkoinen fotodetektori (Si-fotodetektori), suorituskyky perinteisen ulkopuolella

Tekoälymallien ja syvien neuroverkkojen monimutkaistuessa laskentaklusterit asettavat suurempia vaatimuksia prosessorien, muistin ja laskentayksiköiden väliselle verkkokommunikaatiolle. Perinteiset sähköliitäntöihin perustuvat sirulla olevat ja sirujen väliset verkot eivät kuitenkaan ole kyenneet vastaamaan kasvavaan kaistanleveyden, viiveen ja virrankulutuksen kysyntään. Tämän pullonkaulan ratkaisemiseksi optinen yhteenliitäntätekniikka, jolla on pitkä siirtomatka, nopea nopeus ja korkeat energiatehokkuusedut, on vähitellen noussut tulevaisuuden kehityksen toivoksi. Näistä CMOS-prosessiin perustuva piifotoniikkateknologia osoittaa suurta potentiaalia korkean integrointitehon, alhaisten kustannusten ja prosessointitarkkuuden ansiosta. Korkean suorituskyvyn omaavien fotodetektorien toteuttaminen kohtaa kuitenkin edelleen monia haasteita. Tyypillisesti fotodetektorien on integroitava materiaaleja, joilla on kapea energiaväli, kuten germanium (Ge), havaitsemistehon parantamiseksi, mutta tämä johtaa myös monimutkaisempiin valmistusprosesseihin, korkeampiin kustannuksiin ja epätasaisiin saantoihin. Tutkimusryhmän kehittämä kokonaan piistä valmistettu fotodetektori saavutti 160 Gb/s tiedonsiirtonopeuden kanavaa kohden ilman germaniumia, ja kokonaissiirtokaistanleveys oli 1,28 Tb/s innovatiivisen kaksoismikrorengasresonaattorirakenteen ansiosta.

Yhdysvalloissa toimiva tutkimusryhmä julkaisi hiljattain innovatiivisen tutkimuksen, jossa se ilmoitti kehittäneensä onnistuneesti kokonaan piistä valmistetun lumivyöryfotodiodin (APD-valoilmaisin) siru. Tässä sirussa on erittäin nopea ja edullinen valosähköinen liitäntätoiminto, jonka odotetaan saavuttavan yli 3,2 Tb:n tiedonsiirtonopeuden sekunnissa tulevaisuuden optisissa verkoissa.

Tekninen läpimurto: kaksoismikrorengasresonaattorin suunnittelu

Perinteisissä valoilmaisimissa on usein sovittamattomia ristiriitoja kaistanleveyden ja reagointikyvyn välillä. Tutkimusryhmä onnistui lieventämään tätä ristiriitaa käyttämällä kaksoismikrorengasresonaattorisuunnittelua ja tehokkaasti vaimentamalla kanavien välistä ylikuulumista. Kokeelliset tulokset osoittavat, ettäkokonaan piipitoinen fotodetektorisen A-vaste on 0,4 A/W, pimeävirta niinkin alhainen kuin 1 nA, kaistanleveys 40 GHz ja erittäin alhainen sähköinen ylikuuluminen alle −50 dB. Tämä suorituskyky on verrattavissa nykyisiin kaupallisiin piigermaniumiin ja III-V-materiaaleihin perustuviin fotodetektoreihin.

Tulevaisuudennäkymät: Tie innovaatioihin optisissa verkoissa

Täysin piipohjaisen fotodetektorin onnistunut kehitys ei ainoastaan ​​ylittänyt perinteistä teknologiaratkaisua, vaan saavutti myös noin 40 prosentin kustannussäästöt, mikä tasoittaa tietä nopeiden ja edullisten optisten verkkojen toteuttamiselle tulevaisuudessa. Teknologia on täysin yhteensopiva olemassa olevien CMOS-prosessien kanssa, sillä on erittäin korkea saanto ja tehokkuus, ja sen odotetaan tulevan standardikomponentiksi piifotoniikkateknologian alalla tulevaisuudessa. Tulevaisuudessa tutkimusryhmä aikoo jatkaa suunnittelun optimointia parantaakseen entisestään fotodetektorin absorptionopeutta ja kaistanleveyttä vähentämällä dopingpitoisuuksia ja parantamalla implantaatio-olosuhteita. Samalla tutkimuksessa selvitetään myös, miten tätä täysin piipohjaista teknologiaa voidaan soveltaa seuraavan sukupolven tekoälyklustereiden optisiin verkkoihin suuremman kaistanleveyden, skaalautuvuuden ja energiatehokkuuden saavuttamiseksi.