Лавинные фотодетекторы бьют рекорды скорости
 Фотография массива лавинных детекторов, разработанных IBM. Снимок получен при помощи оптического микроскопа. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Коммуникации между компьютерными процессорами осуществляются посредствам миллионов тончайших медных проводов. Для ускорения коммуникаций вместо электрических сигналов ученые давно пытаются использовать оптические импульсы, т.к. они позволили бы передать намного больше информации за то же время, используя гораздо меньше физических соединений и, конечно же, меньшие мощности. Однако, подобная архитектура требует разработки способов быстрого преобразования оптических сигналов в электрические и наоборот. Текущий уровень развития технологий преобразования, к сожалению, не может обеспечить необходимого уровня качества процесса: все известные методики слишком медленны, достаточно шумны или не совместимы с кремниевыми микрочипами.
Одно из перспективных решений данной технологической проблемы – лавинные фотодатчики, которые позволяют преобразовывать в «хорошие» электрические сигналы даже относительно слабые оптические импульсы. В таком фотодатчике световой сигнал попадает в полупроводник, высвобождая несколько носителей тока. «Выбитые» заряды ускоряются электрическим полем и, в свою очередь, воздействуют на другие атомы (ионизируя их и высвобождая новые электрические заряды). Этот процесс носит название «лавинного»; он выступает в роли усилителя первоначального слабого сигнала. Однако, «лавина» формируется в полупроводнике конечной длинны, поэтому ее мощность подвержена случайным колебаниям количества «выбитых» зарядов. Этот факт известен как «шум усиления», он существенно ухудшает работу фотодатчика.
Германий широко используется для производства лавинных фотодетекторов, потому что, в отличие от кремния, он может «обнаружить» свет даже в инфракрасной части электромагнитного спектра, а это достаточно важный диапазон для оптических коммуникаций. Благодаря своим свойствам, этот материал применяется даже несмотря на проблемы с шумом при усилении.
Но, похоже, благодаря ученым из лаборатории IBM (T J Watson Research Center, Нью-Йорк), шум в скором времени перестанет быть столь значительным препятствием. Ученые предложили новую методику создания детекторов, которая основана на возможности управлять электрическим и оптическим полем в устройствах на коротких расстояниях. Разработанные детекторы выполнены из кремния с волноводами из германия, концентрирующими поступающий свет на германиевых датчиках. Сам датчик имеет толщину всего 30 нм; это означает, что он может испытывать влияние чрезвычайно сильного электрического поля, даже если приложенное напряжение имеет порядок 1 – 2 В. В результате, «лавина» электронов формируется намного быстрее и на гораздо меньших масштабах длины. Это приводит к сокращению шума на 50 – 70% по сравнению с традиционными лавинными фотодетекторами.
Созданное устройство уже признанно самым быстрым в своем классе, т.к. позволяет преобразовывать оптический сигнал со скоростью 40 Гбит/сек (что приблизительно в 4 раза превышает лучший результат «конкурентов»). При этом работает при напряжении всего лишь 1,5 В (в отличие от аналогов, которым необходимы 25 В). Детальное описание своей разработки ученые опубликовали в журнале Nature.
Важно также отметить, что, поскольку разработанные фотодетекторы совместимы с технологиями производства на кремниевом чипе, они могут найти применение в следующих поколениях производительной вычислительной техники.
Также по теме:
Источники: