كاشف ضوئي سيليكوني ثوري (كاشف ضوئي سيليكوني)

ثوريكاشف ضوئي من السيليكون(كاشف ضوئي من السيليكون)

كاشف ضوئي ثوري مصنوع بالكامل من السيليكون (كاشف ضوئي من السيليكون) أداء يتجاوز الأداء التقليدي

مع تزايد تعقيد نماذج الذكاء الاصطناعي والشبكات العصبية العميقة، تفرض مجموعات الحوسبة متطلبات أعلى على الاتصال الشبكي بين المعالجات والذاكرة ووحدات الحوسبة. إلا أن الشبكات التقليدية داخل الرقاقة وبين الرقاقات، القائمة على التوصيلات الكهربائية، عاجزة عن تلبية الطلب المتزايد على عرض النطاق الترددي وزمن الاستجابة واستهلاك الطاقة. ولحل هذه المعضلة، أصبحت تقنية الربط البصري، بما تتميز به من مسافة نقل طويلة وسرعة عالية وكفاءة طاقة فائقة، أملًا واعدًا للتطوير المستقبلي. ومن بين هذه التقنيات، تُظهر تقنية الفوتونات السيليكونية القائمة على عملية CMOS إمكانات هائلة نظرًا لتكاملها العالي وتكلفتها المنخفضة ودقة تصنيعها. مع ذلك، لا يزال تحقيق كاشفات ضوئية عالية الأداء يواجه العديد من التحديات. ففي العادة، تتطلب الكاشفات الضوئية دمج مواد ذات فجوة نطاق ضيقة، مثل الجرمانيوم (Ge)، لتحسين أداء الكشف، لكن هذا يؤدي أيضًا إلى عمليات تصنيع أكثر تعقيدًا وتكاليف أعلى وإنتاجية غير منتظمة. حقق كاشف الضوء المصنوع بالكامل من السيليكون والذي طوره فريق البحث سرعة نقل بيانات تبلغ 160 جيجابت/ثانية لكل قناة دون استخدام الجرمانيوم، مع عرض نطاق نقل إجمالي يبلغ 1.28 تيرابت/ثانية، من خلال تصميم مبتكر لرنان مزدوج الحلقة الدقيقة.

نشر فريق بحثي مشترك في الولايات المتحدة مؤخراً دراسة مبتكرة، أعلن فيها عن نجاحه في تطوير ثنائي ضوئي انهياري مصنوع بالكامل من السيليكون (كاشف ضوئي APD) شريحة. تتميز هذه الشريحة بوظيفة واجهة كهروضوئية فائقة السرعة ومنخفضة التكلفة، ومن المتوقع أن تحقق نقل بيانات يزيد عن 3.2 تيرابايت في الثانية في الشبكات الضوئية المستقبلية.

إنجاز تقني: تصميم رنان حلقي مزدوج

غالباً ما تعاني أجهزة الكشف الضوئي التقليدية من تناقضات يصعب حلها بين عرض النطاق الترددي وسرعة الاستجابة. وقد نجح فريق البحث في التخفيف من هذا التناقض باستخدام تصميم رنان حلقي مزدوج، مما أدى إلى كبح التداخل بين القنوات بشكل فعال. وتُظهر النتائج التجريبية أنكاشف ضوئي مصنوع بالكامل من السيليكونيتميز هذا الجهاز باستجابة تيار تبلغ 0.4 أمبير/واط، وتيار مظلم منخفض يصل إلى 1 نانو أمبير، ونطاق ترددي عالٍ يبلغ 40 جيجاهرتز، وتشويش كهربائي منخفض للغاية أقل من -50 ديسيبل. ويُضاهي هذا الأداء أداء أجهزة الكشف الضوئي التجارية الحالية القائمة على السيليكون والجرمانيوم ومواد المجموعة الثالثة-الخامسة.

استشراف المستقبل: الطريق إلى الابتكار في الشبكات الضوئية

لم يقتصر نجاح تطوير كاشف ضوئي مصنوع بالكامل من السيليكون على تجاوز الحلول التقليدية تقنيًا فحسب، بل حقق أيضًا وفورات في التكلفة تصل إلى 40% تقريبًا، مما يمهد الطريق لإنشاء شبكات ضوئية عالية السرعة ومنخفضة التكلفة في المستقبل. تتوافق هذه التقنية تمامًا مع عمليات CMOS الحالية، وتتميز بإنتاجية عالية للغاية، ومن المتوقع أن تصبح مكونًا أساسيًا في مجال تقنية الفوتونيات السيليكونية مستقبلًا. يخطط فريق البحث لمواصلة تحسين التصميم لزيادة معدل الامتصاص وعرض النطاق الترددي للكاشف الضوئي من خلال تقليل تركيزات التطعيم وتحسين ظروف الزرع. في الوقت نفسه، سيبحث البحث أيضًا في كيفية تطبيق هذه التقنية المصنوعة بالكامل من السيليكون على الشبكات الضوئية في مجموعات الذكاء الاصطناعي من الجيل التالي لتحقيق عرض نطاق ترددي أعلى، وقابلية للتوسع، وكفاءة طاقة أكبر.