ثوريكاشف ضوئي من السيليكون(كاشف ضوئي Si)
كاشف ضوئي ثوري مصنوع بالكامل من السيليكونكاشف ضوئي للسيليكون）، أداء يتجاوز التقليدي
مع تزايد تعقيد نماذج الذكاء الاصطناعي والشبكات العصبية العميقة، تفرض مجموعات الحوسبة متطلبات أعلى على اتصالات الشبكة بين المعالجات والذاكرة وعقد الحوسبة. ومع ذلك، لم تتمكن الشبكات التقليدية على الشريحة وبين الشرائح، والقائمة على التوصيلات الكهربائية، من تلبية الطلب المتزايد على النطاق الترددي ووقت الاستجابة واستهلاك الطاقة. ولحل هذه المشكلة، أصبحت تقنية الربط البصري، بما تتميز به من مسافة نقل طويلة وسرعة عالية وكفاءة عالية في استخدام الطاقة، أمل التطوير المستقبلي. ومن بين هذه التقنيات، تُظهر تقنية فوتونيات السيليكون القائمة على عملية CMOS إمكانات كبيرة بفضل تكاملها العالي وتكلفتها المنخفضة ودقة معالجتها. ومع ذلك، لا يزال إنتاج أجهزة الكشف الضوئية عالية الأداء يواجه العديد من التحديات. فعادةً ما تحتاج أجهزة الكشف الضوئية إلى دمج مواد ذات فجوة نطاق ضيقة، مثل الجرمانيوم (Ge)، لتحسين أداء الكشف، ولكن هذا يؤدي أيضًا إلى عمليات تصنيع أكثر تعقيدًا وتكاليف أعلى وعوائد غير منتظمة. نجح جهاز الكشف الضوئي المصنوع بالكامل من السيليكون والذي طوره فريق البحث في تحقيق سرعة نقل بيانات تبلغ 160 جيجابايت في الثانية لكل قناة دون استخدام الجرمانيوم، مع نطاق نقل إجمالي يبلغ 1.28 تيرابايت في الثانية، من خلال تصميم مرنان مزدوج الميكرون مبتكر.
في الآونة الأخيرة، نشر فريق بحثي مشترك في الولايات المتحدة دراسة مبتكرة، معلنًا أنهم نجحوا في تطوير ثنائي ضوئي من السيليكون بالكامل (كاشف ضوئي APD) رقاقة. تتميز هذه الرقاقة بوظيفة واجهة ضوئية كهربائية فائقة السرعة ومنخفضة التكلفة، ومن المتوقع أن تحقق نقل بيانات يتجاوز 3.2 تيرابايت في الثانية في الشبكات البصرية المستقبلية.
اختراق تقني: تصميم مرنان ذو حلقة دقيقة مزدوجة
غالبًا ما تُعاني أجهزة الكشف الضوئي التقليدية من تناقضات لا يمكن التوفيق بينها بين عرض النطاق الترددي والاستجابة. وقد نجح فريق البحث في التخفيف من هذا التناقض باستخدام تصميم مرنان مزدوج الميكرون، وقمع التداخل بين القنوات بفعالية. تُظهر النتائج التجريبية أنكاشف ضوئي مصنوع بالكامل من السيليكونيتميز هذا الجهاز باستجابة A تبلغ 0.4 أمبير/وات، وتيار معتم منخفض يصل إلى 1 نانو أمبير، وعرض نطاق ترددي عالٍ يبلغ 40 جيجاهرتز، وتداخل كهربائي منخفض للغاية أقل من -50 ديسيبل. يُضاهي هذا الأداء أجهزة الكشف الضوئي التجارية الحالية القائمة على السيليكون-الجرمانيوم ومواد III-V.
التطلع إلى المستقبل: الطريق نحو الابتكار في الشبكات البصرية
لم يتجاوز التطوير الناجح لكاشف الضوء المصنوع بالكامل من السيليكون الحلول التقليدية في التكنولوجيا فحسب، بل حقق أيضًا توفيرًا في التكلفة بنحو 40%، مما مهد الطريق لإنشاء شبكات بصرية عالية السرعة ومنخفضة التكلفة في المستقبل. تتوافق هذه التقنية تمامًا مع عمليات CMOS الحالية، وتتميز بعائد وإنتاجية عاليين للغاية، ومن المتوقع أن تصبح مكونًا قياسيًا في مجال تكنولوجيا فوتونيات السيليكون في المستقبل. يخطط فريق البحث في المستقبل لمواصلة تحسين التصميم لزيادة معدل الامتصاص وأداء عرض النطاق الترددي لكاشف الضوء من خلال تقليل تركيزات المنشطات وتحسين ظروف الزرع. في الوقت نفسه، سيستكشف البحث أيضًا كيفية تطبيق تقنية السيليكون بالكامل هذه على الشبكات البصرية في مجموعات الذكاء الاصطناعي من الجيل التالي لتحقيق عرض نطاق ترددي أعلى وقابلية للتوسع وكفاءة في استخدام الطاقة.
وقت النشر: ٣١ مارس ٢٠٢٥