Revolutsiooniline ränifotodetektor (Si-fotodetektor)

Revolutsioonilineräni fotodetektor(Si fotodetektor)

Revolutsiooniline täisränist fotodetektor (Si fotodetektor), traditsioonilisest kaugemale ulatuv jõudlus

Tehisintellekti mudelite ja sügavate närvivõrkude üha suureneva keerukusega esitavad arvutusklastrid protsessorite, mälu ja arvutussõlmede vahelisele võrgusuhtlusele suuremaid nõudmisi. Traditsioonilised elektriühendustel põhinevad kiibil olevad ja kiipidevahelised võrgud ei ole aga suutnud rahuldada kasvavat nõudlust ribalaiuse, latentsuse ja energiatarbimise järele. Selle kitsaskoha lahendamiseks on tulevikulootuseks saanud optiline ühendustehnoloogia, millel on pikk edastuskaugus, kiire kiirus ja kõrge energiatõhusus. Nende hulgas on CMOS-protsessil põhinev ränifotooniline tehnoloogia, millel on suur potentsiaal tänu oma kõrgele integreeritavusele, madalale hinnale ja töötlemistäpsusele. Suure jõudlusega fotodetektorite realiseerimine seisab aga silmitsi paljude väljakutsetega. Tavaliselt peavad fotodetektorid integreerima kitsa keelutsooniga materjale, näiteks germaaniumi (Ge), et parandada tuvastusvõimet, kuid see toob kaasa ka keerukamad tootmisprotsessid, kõrgemad kulud ja ebaühtlase saagikuse. Uurimisrühma väljatöötatud täisränist fotodetektor saavutas andmeedastuskiiruse 160 Gb/s kanali kohta ilma germaaniumi kasutamata, kogu edastusribalaiusega 1,28 Tb/s, kasutades uuenduslikku kahemikrorõngasresonaatori disaini.

Hiljuti avaldas Ameerika Ühendriikide ühine uurimisrühm uuendusliku uuringu, milles teatati, et nad on edukalt välja töötanud täisränist laviinfotodioodi (APD fotodetektor) kiip. Sellel kiibil on ülikiire ja odav fotoelektrilise liidese funktsioon, mis eeldatavasti saavutab tulevastes optilistes võrkudes andmeedastuse kiiruse üle 3,2 Tb sekundis.

Tehniline läbimurre: kahekordse mikrorõnga resonaatori disain

Traditsioonilistel fotodetektoritel on ribalaiuse ja reageerimisvõime vahel sageli ületamatud vastuolud. Uurimisrühm leevendas seda vastuolu edukalt, kasutades kahekordse mikrorõngaga resonaatori disaini ja summutades tõhusalt kanalitevahelist ristmüra. Eksperimentaalsed tulemused näitavad, ettäisräni fotodetektorselle A-karakteristik on 0,4 A/W, tumevool vaid 1 nA, ribalaius 40 GHz ja äärmiselt madal elektriline läbikoste alla −50 dB. See jõudlus on võrreldav praeguste kaubanduslike räni-germaaniumi ja III-V materjalidel põhinevate fotodetektoritega.

Tulevikuvaade: tee optiliste võrkude innovatsioonini

Täisränist fotodetektori edukas väljatöötamine mitte ainult ei ületanud traditsioonilist tehnoloogilist lahendust, vaid saavutas ka umbes 40% kulude kokkuhoiu, sillutades teed tulevikus kiirete ja odavate optiliste võrkude realiseerimiseks. Tehnoloogia on täielikult ühilduv olemasolevate CMOS-protsessidega, sellel on äärmiselt kõrge saagikus ja tootlikkus ning eeldatavasti saab sellest tulevikus ränifotoonika tehnoloogia valdkonnas standardkomponent. Tulevikus plaanib uurimisrühm jätkata disaini optimeerimist, et veelgi parandada fotodetektori neeldumiskiirust ja ribalaiuse jõudlust, vähendades dopeerimiskontsentratsiooni ja parandades implanteerimistingimusi. Samal ajal uuritakse uuringus ka seda, kuidas seda täisränist tehnoloogiat saab rakendada järgmise põlvkonna tehisintellekti klastrite optilistes võrkudes, et saavutada suurem ribalaius, skaleeritavus ja energiatõhusus.