Revolutionärer Silizium-Fotodetektor (Si-Fotodetektor)

RevolutionärSilizium-Fotodetektor(Si-Photodetektor)

Revolutionärer Ganzsilizium-Fotodetektor (Si-Photodetektor), Leistung, die über die traditionellen hinausgeht

Mit der zunehmenden Komplexität von Modellen der künstlichen Intelligenz und tiefen neuronalen Netzen steigen die Anforderungen an die Netzwerkkommunikation zwischen Prozessoren, Speicher und Rechenknoten in Computerclustern. Herkömmliche On-Chip- und Inter-Chip-Netzwerke auf Basis elektrischer Verbindungen können den wachsenden Bedarf an Bandbreite, Latenz und Energieverbrauch jedoch nicht mehr decken. Um diesen Engpass zu überwinden, rücken optische Verbindungstechnologien mit ihren Vorteilen wie großer Übertragungsdistanz, hoher Geschwindigkeit und Energieeffizienz zunehmend in den Fokus der zukünftigen Entwicklung. Die auf CMOS-Prozessen basierende Siliziumphotonik zeigt dabei aufgrund ihrer hohen Integration, geringen Kosten und Verarbeitungsgenauigkeit großes Potenzial. Die Realisierung leistungsstarker Fotodetektoren steht jedoch weiterhin vor zahlreichen Herausforderungen. Typischerweise müssen Fotodetektoren Materialien mit schmaler Bandlücke, wie beispielsweise Germanium (Ge), integrieren, um die Detektionsleistung zu verbessern. Dies führt jedoch zu komplexeren Herstellungsprozessen, höheren Kosten und schwankenden Ausbeuten. Der vom Forschungsteam entwickelte, vollständig aus Silizium bestehende Fotodetektor erreichte ohne Verwendung von Germanium eine Datenübertragungsgeschwindigkeit von 160 Gbit/s pro Kanal und eine Gesamtübertragungsbandbreite von 1,28 Tbit/s durch ein innovatives Doppel-Mikroringresonator-Design.

Kürzlich veröffentlichte ein gemeinsames Forschungsteam in den Vereinigten Staaten eine innovative Studie, in der es die erfolgreiche Entwicklung einer vollständig aus Silizium bestehenden Lawinenfotodiode bekannt gab.APD-FotodetektorDieser Chip verfügt über eine ultraschnelle und kostengünstige photoelektrische Schnittstellenfunktion, die in zukünftigen optischen Netzwerken voraussichtlich Datenübertragungsraten von mehr als 3,2 Terabit pro Sekunde ermöglichen wird.

Technischer Durchbruch: Doppel-Mikroringresonator-Design

Herkömmliche Fotodetektoren weisen oft einen unauflöslichen Widerspruch zwischen Bandbreite und Ansprechverhalten auf. Dem Forschungsteam gelang es, diesen Widerspruch durch den Einsatz eines Doppel-Mikroringresonators zu beheben und das Übersprechen zwischen den Kanälen effektiv zu unterdrücken. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass…Ganz-Silizium-FotodetektorEr weist eine Ansprechrate von 0,4 A/W, einen Dunkelstrom von nur 1 nA, eine hohe Bandbreite von 40 GHz und ein extrem niedriges elektrisches Übersprechen von unter −50 dB auf. Diese Leistung ist vergleichbar mit der von aktuellen kommerziellen Fotodetektoren auf Basis von Silizium-Germanium- und III-V-Materialien.

Blick in die Zukunft: Der Weg zur Innovation in optischen Netzwerken

Die erfolgreiche Entwicklung des vollständig aus Silizium gefertigten Photodetektors übertraf nicht nur die bisherige Technologie, sondern ermöglichte auch eine Kostenersparnis von rund 40 % und ebnete damit den Weg für die Realisierung zukünftiger, kostengünstiger optischer Hochgeschwindigkeitsnetze. Die Technologie ist vollständig kompatibel mit bestehenden CMOS-Prozessen, zeichnet sich durch extrem hohe Ausbeute und Effizienz aus und dürfte sich zukünftig als Standardkomponente in der Siliziumphotonik etablieren. Das Forschungsteam plant, das Design weiter zu optimieren, um die Absorptionsrate und Bandbreite des Photodetektors durch Reduzierung der Dotierungskonzentrationen und Verbesserung der Implantationsbedingungen weiter zu steigern. Gleichzeitig wird erforscht, wie diese Siliziumtechnologie in optischen Netzen von KI-Clustern der nächsten Generation eingesetzt werden kann, um höhere Bandbreite, Skalierbarkeit und Energieeffizienz zu erzielen.