IBM изобрела нанофотонный лавинный фотодиод

Ученые IBM создали устройство, которое использует световые импульсы для связи между компьютерными чипами. Новое решение, получившее название "нанофотонный лавинный фотодиод" (nanophotonic avalanche photodetector), является самым быстродействующим в своем роде.

Устройство IBM использует эффект "лавинного умножения" (т.н. лавина Таунсенда), свойственный германию, полупроводниковому материалу, который в настоящее время широко применяется в производстве микропроцессорных кристаллов. Этот эффект действует подобно снежной лавине на крутом горном склоне – входной световой импульс в первый момент освобождает лишь малое число носителей электрического заряда, которые, в свою очередь, освобождают других; таким образом, исходный сигнал многократно усиливается.

Обычные лавинные фотодиоды не могут детектировать быстрые оптические сигналы, поскольку лавина формируется относительно медленно. Продемонстрированный IBM лавинный фотодиод способен получать информационные сигналы со скоростью 40 Гбит/с (40 млрд. бит в секунду) и одновременно десятикратно их усиливать.

Устройство работает при напряжении питания всего 1,5 В, что в 20 раз меньше, чем у подобных устройств, демонстрировавшихся ранее. Таким образом, множество этих миниатюрных коммуникационных устройств потенциально смогут питаться от маленькой батарейки типоразмера AA, тогда как для питания обычных лавинных фотодиодов требуется напряжение 20-30 В.

"Это впечатляющее улучшение в производительности является результатом умелого манипулирования оптическими и электрическими свойствами на уровне всего нескольких десятков атомов, чтобы позволило достичь показателей производительности, значительно выходящих за традиционные рамки, — отметил доктор Соломон Ассефа (Solomon Assefa), основной автор статьи об изобретении IBM, опубликованной в журнале Nature. — Эти крошечные устройства способны улавливать очень слабые импульсы света и многократно усиливать их, обеспечивая беспрецедентную пропускную способность каналов обмена данными при минимальных паразитных шумах".

В устройстве IBM эффект лавинного умножения реализован на уровне всего нескольких десятков нанометров, и протекает он очень быстро. Кроме того, благодаря столь миниатюрным размерам, шумы, порождаемые усилением оптического сигнала, подавляются на 50-70% по сравнению с обычными лавинными фотодиодами.

Устройство IBM создано с помощью стандартных процессов, используемых в полупроводниковой промышленности при изготовлении микросхем. Таким образом, одновременно с кремниевыми транзисторами можно производить тысячи элементов, подобных продемонстрированному, для построения внутрипроцессорных оптических каналов обмена данными с высокой пропускной способностью.

"Это изобретение делает концепцию оптических межсоединений в кристалле намного ближе к практической реальности, — подчеркнул доктор Т. Ч. Чен (T.C. Chen), вице-президент подразделения IBM Research по науке и технологиям. — С оптическими линиями связи, встроенными в процессорные чипы, создание энергетически эффективных компьютерных систем с производительностью экзафлопного уровня будет не слишком отдаленной перспективой".