RevolutionärSilizium-Fotodetektor(Si-Fotodetektor)
Revolutionärer Vollsilizium-Fotodetektor (Si-Fotodetektor）, Leistung jenseits der traditionellen
Mit der zunehmenden Komplexität von Modellen künstlicher Intelligenz und tiefen neuronalen Netzwerken stellen Computercluster höhere Anforderungen an die Netzwerkkommunikation zwischen Prozessoren, Speicher und Rechenknoten. Herkömmliche On-Chip- und Inter-Chip-Netzwerke auf Basis elektrischer Verbindungen konnten die steigenden Anforderungen an Bandbreite, Latenz und Stromverbrauch jedoch nicht erfüllen. Um diesen Engpass zu beheben, kristallisieren sich optische Verbindungstechnologien mit ihren Vorteilen großer Übertragungsdistanzen, hoher Geschwindigkeit und hoher Energieeffizienz zunehmend als Hoffnungsträger für zukünftige Entwicklungen heraus. Unter diesen weist die auf CMOS-Prozessen basierende Silizium-Photonik-Technologie aufgrund ihrer hohen Integration, niedrigen Kosten und Verarbeitungsgenauigkeit großes Potenzial auf. Die Realisierung leistungsstarker Fotodetektoren ist jedoch noch mit zahlreichen Herausforderungen verbunden. Typischerweise müssen Fotodetektoren Materialien mit schmaler Bandlücke, wie beispielsweise Germanium (Ge), integrieren, um die Detektionsleistung zu verbessern. Dies führt jedoch auch zu komplexeren Herstellungsprozessen, höheren Kosten und schwankenden Ausbeuten. Der vom Forschungsteam entwickelte Vollsilizium-Fotodetektor erreichte durch ein innovatives Dual-Microring-Resonator-Design eine Datenübertragungsgeschwindigkeit von 160 Gb/s pro Kanal ohne den Einsatz von Germanium bei einer Gesamtübertragungsbandbreite von 1,28 Tb/s.
Kürzlich veröffentlichte ein gemeinsames Forschungsteam in den Vereinigten Staaten eine innovative Studie, in der es die erfolgreiche Entwicklung einer Vollsilizium-Lawinenphotodiode (APD-Fotodetektor)-Chip. Dieser Chip verfügt über eine ultraschnelle und kostengünstige fotoelektrische Schnittstellenfunktion, mit der in zukünftigen optischen Netzwerken eine Datenübertragung von über 3,2 Tb pro Sekunde erreicht werden soll.
Technischer Durchbruch: Doppel-Mikroring-Resonator-Design
Herkömmliche Fotodetektoren weisen oft unvereinbare Widersprüche zwischen Bandbreite und Reaktionsvermögen auf. Das Forschungsteam konnte diesen Widerspruch erfolgreich durch den Einsatz eines Doppel-Mikroring-Resonator-Designs beseitigen und so das Übersprechen zwischen den Kanälen effektiv unterdrücken. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass dieVollsilizium-Fotodetektorhat eine Reaktionszeit von 0,4 A/W, einen Dunkelstrom von nur 1 nA, eine hohe Bandbreite von 40 GHz und ein extrem niedriges elektrisches Übersprechen von weniger als −50 dB. Diese Leistung ist vergleichbar mit 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 Vollsilizium-Fotodetektors übertraf nicht nur die herkömmliche Technologie, sondern ermöglichte auch eine Kostenersparnis von rund 40 % und ebnete damit den Weg für die Realisierung schneller und kostengünstiger optischer Netzwerke in der Zukunft. Die Technologie ist vollständig kompatibel mit bestehenden CMOS-Prozessen, weist eine extrem hohe Ausbeute und Ausbeute auf und dürfte sich künftig als Standardkomponente in der Silizium-Photonik-Technologie etablieren. Das Forschungsteam plant, das Design weiter zu optimieren, um die Absorptionsrate und Bandbreitenleistung des Fotodetektors durch Reduzierung der Dotierungskonzentrationen und Verbesserung der Implantationsbedingungen weiter zu verbessern. Gleichzeitig wird untersucht, wie diese Vollsilizium-Technologie in optischen Netzwerken in KI-Clustern der nächsten Generation eingesetzt werden kann, um eine höhere Bandbreite, Skalierbarkeit und Energieeffizienz zu erreichen.
Veröffentlichungszeit: 31. März 2025