近日，密歇根大学和惠普的联合研究团队，发表了一项创新研究，宣布他们成功研发出一款全硅雪崩光电二极管（APD）芯片。这种芯片具备超高的速度和低成本的光电接口功能，有望在未来的光网络中实现每秒超过3.2 Tb的数据传输。这项研究以“An 8 × 160 Gb s−1 all-silicon avalanche photodiode chip”为题，发表在《Nature Photonics》上。
革命性全硅光电探测器：性能超越传统
随着人工智能模型和深度神经网络的日益复杂，计算集群对处理器、存储器和计算节点之间的网络通信提出了更高的要求。然而，传统的基于电连接的芯片内和芯片间网络已难以满足日益增长的带宽、延迟和能耗需求。为了解决这一瓶颈，光互连技术凭借其传输距离长、速度快、能效高等优势，逐渐成为未来发展的希望。其中，基于CMOS工艺的硅光子技术因其高集成度、低成本和加工精度，展现出巨大潜力。
然而，实现高性能的光电探测器仍面临诸多挑战。通常，光电探测器需要集成带隙较窄的材料，如锗（Ge），以提升探测性能，但这也导致制造工艺更加复杂，成本上升，且产率不稳定。此次研究团队开发的全硅光电探测器，通过创新的双微环谐振器设计，在不使用锗的情况下，实现了每通道160 Gb/s的数据传输速度，总传输带宽达到1.28 Tb/s。
技术突破：双微环谐振器设计
传统的光电探测器在带宽与响应度之间往往存在无法调和的矛盾。研究团队通过采用双微环谐振器设计，成功缓解了这一矛盾，并有效抑制了通道间的串扰。实验结果显示，该全硅光电探测器具有0.4 A/W的响应度，低至1 nA的暗电流，40 GHz的高带宽，以及小于−50 dB的极低电气串扰。这一性能足以媲美目前商用的基于硅锗和III-V族材料的光电探测器。
图1：器件结构示意图。
展望未来：光网络的革新之路
此次全硅光电探测器的成功开发，不仅在技术上超越了传统方案，还在成本上实现了约40%的节约，为未来高速、低成本光网络的实现铺平了道路。该技术完全兼容现有的CMOS工艺，具有极高的产率和良品率，预计将成为未来硅光子技术领域的标准组件。未来，研究团队计划继续优化该设计，通过降低掺杂浓度和改进植入条件，进一步提升光电探测器的吸收率和带宽性能。同时，研究还将探索如何将这一全硅技术应用于下一代人工智能集群中的光网络，以实现更高的带宽、可扩展性和能效。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41566-024-01495-y
