การปฏิวัติโฟโตดีเทคเตอร์ซิลิคอน(โฟโตดีเทคเตอร์ซิลิคอน)
โฟโตดีเทคเตอร์ซิลิคอนทั้งหมดที่ปฏิวัติวงการ (โฟโตดีเทคเตอร์ Si) ประสิทธิภาพที่เหนือกว่าแบบดั้งเดิม
ด้วยความซับซ้อนที่เพิ่มขึ้นของแบบจำลองปัญญาประดิษฐ์และโครงข่ายประสาทเทียมเชิงลึก กลุ่มคอมพิวเตอร์จึงต้องการการสื่อสารเครือข่ายระหว่างโปรเซสเซอร์ หน่วยความจำ และโหนดประมวลผลที่สูงขึ้น อย่างไรก็ตาม เครือข่ายแบบดั้งเดิมบนชิปและระหว่างชิปที่ใช้การเชื่อมต่อทางไฟฟ้าไม่สามารถตอบสนองความต้องการแบนด์วิดท์ ความหน่วง และการใช้พลังงานที่เพิ่มขึ้นได้ เพื่อแก้ปัญหาคอขวดนี้ เทคโนโลยีการเชื่อมต่อด้วยแสงซึ่งมีข้อดีคือระยะการส่งสัญญาณไกล ความเร็วสูง และประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูง จึงค่อยๆ กลายเป็นความหวังของการพัฒนาในอนาคต ในบรรดาเทคโนโลยีเหล่านี้ เทคโนโลยีซิลิคอนโฟโตนิกส์ที่ใช้กระบวนการ CMOS แสดงให้เห็นถึงศักยภาพที่ยอดเยี่ยมเนื่องจากมีการรวมวงจรสูง ต้นทุนต่ำ และความแม่นยำในการประมวลผล อย่างไรก็ตาม การสร้างโฟโตดีเทคเตอร์ประสิทธิภาพสูงยังคงเผชิญกับความท้าทายมากมาย โดยทั่วไป โฟโตดีเทคเตอร์จำเป็นต้องรวมวัสดุที่มีช่องว่างแถบพลังงานแคบ เช่น เจอร์มาเนียม (Ge) เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการตรวจจับ แต่สิ่งนี้ก็ทำให้กระบวนการผลิตซับซ้อนมากขึ้น ต้นทุนสูงขึ้น และผลผลิตไม่แน่นอน โฟโตดีเทคเตอร์ที่ทำจากซิลิคอนทั้งหมดซึ่งพัฒนาโดยทีมวิจัยนี้ สามารถส่งข้อมูลได้ด้วยความเร็ว 160 Gb/s ต่อช่องสัญญาณ โดยไม่ต้องใช้เจอร์มาเนียม และมีแบนด์วิดท์การส่งข้อมูลรวม 1.28 Tb/s ผ่านการออกแบบตัวเรโซเนเตอร์แบบไมโครริงคู่ที่เป็นนวัตกรรมใหม่
เมื่อเร็วๆ นี้ ทีมวิจัยร่วมในสหรัฐอเมริกาได้เผยแพร่การศึกษาเชิงนวัตกรรม โดยประกาศว่าพวกเขาประสบความสำเร็จในการพัฒนาโฟโตไดโอดแบบอะวาแลนซ์ที่ทำจากซิลิคอนทั้งหมด (โฟโตดีเทคเตอร์ APDชิปนี้มีฟังก์ชันอินเทอร์เฟซโฟโตอิเล็กทริกความเร็วสูงและต้นทุนต่ำเป็นพิเศษ ซึ่งคาดว่าจะสามารถถ่ายโอนข้อมูลได้มากกว่า 3.2 เทราไบต์ต่อวินาทีในเครือข่ายใยแก้วนำแสงในอนาคต
ความก้าวหน้าทางเทคนิค: การออกแบบตัวเรโซเนเตอร์แบบไมโครริงคู่
โฟโตดีเทคเตอร์แบบดั้งเดิมมักมีความขัดแย้งที่แก้ไขไม่ได้ระหว่างแบนด์วิดท์และการตอบสนอง ทีมวิจัยประสบความสำเร็จในการแก้ไขความขัดแย้งนี้โดยใช้การออกแบบตัวเรโซเนเตอร์แบบไมโครริงคู่ และลดการรบกวนระหว่างช่องสัญญาณได้อย่างมีประสิทธิภาพ ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าโฟโตดีเทคเตอร์ที่ทำจากซิลิคอนทั้งหมดมีค่าการตอบสนอง A อยู่ที่ 0.4 A/W กระแสไฟฟ้ามืดต่ำเพียง 1 nA แบนด์วิดท์สูงถึง 40 GHz และการรบกวนทางไฟฟ้าต่ำมาก น้อยกว่า −50 dB ประสิทธิภาพนี้เทียบได้กับโฟโตดีเทคเตอร์เชิงพาณิชย์ในปัจจุบันที่ใช้ซิลิคอน-เจอร์มาเนียมและวัสดุ III-V
มองสู่อนาคต: เส้นทางสู่นวัตกรรมในเครือข่ายใยแก้วนำแสง
การพัฒนาโฟโตดีเทคเตอร์ที่ทำจากซิลิคอนทั้งหมดประสบความสำเร็จไม่เพียงแต่เหนือกว่าโซลูชันแบบดั้งเดิมในด้านเทคโนโลยีเท่านั้น แต่ยังช่วยประหยัดต้นทุนได้ประมาณ 40% ซึ่งเป็นการปูทางไปสู่การสร้างเครือข่ายใยแก้วนำแสงความเร็วสูงและต้นทุนต่ำในอนาคต เทคโนโลยีนี้เข้ากันได้กับกระบวนการ CMOS ที่มีอยู่ มีผลผลิตสูงมาก และคาดว่าจะกลายเป็นส่วนประกอบมาตรฐานในด้านเทคโนโลยีโฟโตนิกส์ซิลิคอนในอนาคต ในอนาคต ทีมวิจัยวางแผนที่จะปรับปรุงการออกแบบอย่างต่อเนื่องเพื่อเพิ่มอัตราการดูดซับและประสิทธิภาพแบนด์วิดท์ของโฟโตดีเทคเตอร์ให้ดียิ่งขึ้น โดยการลดความเข้มข้นของการเจือปนและปรับปรุงสภาวะการฝังตัว ในขณะเดียวกัน การวิจัยจะสำรวจว่าเทคโนโลยีซิลิคอนทั้งหมดนี้สามารถนำไปใช้กับเครือข่ายใยแก้วนำแสงในคลัสเตอร์ AI รุ่นต่อไปได้อย่างไร เพื่อให้ได้แบนด์วิดท์ ความสามารถในการขยายขนาด และประสิทธิภาพด้านพลังงานที่สูงขึ้น
วันที่เผยแพร่: 31 มีนาคม 2568