صمام ضوئي متكاثر Si‑Ge عالي السرعة بمنتج كسب‑عرض نطاق ترددي يبلغ 7564 جيجاهرتز

لماذا تهم الحساسات البصرية الأسرع

تسير كل صورة أو مكالمة فيديو أو طلب ذكاء اصطناعي ترسله عبر شبكات ضخمة من الألياف الزجاجية على شكل ومضات ضوئية دقيقة. عند نهاية كل ليف، يجب على حساس ضوئي تحويل تلك الومضات إلى إشارات كهربائية تفهمها الرقائق. مع دفع مراكز البيانات والحوسبة السحابية نحو سرعات أعلى باستمرار، أصبحت الحساسات الضوئية الحالية عنق زجاجة. تعرض هذه الورقة صمامًا ضوئيًا متسلسليًا جديدًا من سيليكون‑جيرمانيوم—مكشّف ضوئي شديد الحساسية—يكسر أرقام السرعة القياسية مع بقائه متوافقًا مع تكنولوجيا تصنيع الرقائق القياسية، ما يشير إلى طريق نحو إنترنت وأجهزة حوسبة أسرع وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة.

تحويل الضوء الخافت إلى إشارات قوية

الصمامات الضوئية المتسلسلية هي حساسات ضوئية خاصة لا تكتفي برصد الضوء فحسب—بل تضخم الإشارة الكهربائية الناتجة داخل الجهاز نفسه. يتيح هذا التكبير المدمج لمستقبلات الإشارة العمل مع ضوء ضعيف جدًا، وهو أمر حاسم لروابط الألياف الطويلة ولتقليل الطاقة المستخدمة لكل بت من البيانات. يركز المؤلفون على معيار أداء رئيسي يُدعى منتج الكسب‑عرض النطاق الترددي، الذي يجمع بين مقدار التضخيم وسرعة استجابة الجهاز. رفع هذا الرقم يعني القدرة على كشف تدفقات بيانات فائقة السرعة دون أن تغمرها الضوضاء. المواد التقليدية المستخدمة في مكاشف الاتصالات، مثل بعض أشباه الموصلات المركبة أو الجيرمانيوم النقي، إما تولد ضوضاء زائدة أو يصعب دمجها بكثافة على رقائق السيليكون. يستغل هذا العمل بدلًا من ذلك مزيجًا مصممًا بعناية من السيليكون والجيرمانيوم للحصول على أفضل ما في العالمين.

تقسيم العمل بين مادتين

يستخدم الجهاز الجديد تخطيطًا يُسمى هيكل الامتصاص‑الشحنة‑الضرب الجانبي المنفصل. ببساطة، تحصل طبقات السيليكون والجيرمانيوم كل منها على مهمة محددة. يعمل الجيرمانيوم، الذي يمتص الضوء بكفاءة عند الأطوال الموجية المستخدمة في اتصالات البيانات، كمنطقة التقاط الضوء. أما السيليكون، الذي يدعم تضخيم إلكتروني أقل ضوضاءً، فيعمل كمكبر مدمج. تشكل الفريق الحقل الكهربائي الداخلي بحيث يكون قويًا حيث يريدون حدوث الانهيار الكهربائي للإلكترونات في السيليكون، لكن أبضع بكثير في الجيرمانيوم. يقلل هذا «هندسة الحقل» الدقيقة بشكل كبير من التيارات المتسربة والضوضاء غير المرغوب فيها، مع استمرار جمع الحاملات الضوئية بسرعة كافية للحفاظ على سرعة الجهاز. كما يتجنبون توصيلات معدنية مباشرة فوق الجيرمانيوم، مما يقلل العيوب ويكبح التيار المظلم أكثر.

إعادة تدوير الضوء لتعزيز الكفاءة

بعيدًا عن المضخم الداخلي، يتعامل الباحثون مع تحدٍ آخر: كيفية جمع أكبر قدر ممكن من الضوء الداخل دون إبطاء الجهاز. توسيع منطقة الجيرمانيوم ببساطة سيحسن الامتصاص، لكنه سيطيل أيضًا زمن عبور الحاملات، مما يحد من السرعة. بدلًا من ذلك، يضيف الفريق موجّه إدخال متناقص العرض يسوق الضوء بلطف إلى المنطقة النشطة الصغيرة، وعاكس شبكي ذو تشتت (Distributed Bragg Reflector) في الطرف الخلفي يعمل كمرآة ميكرية. ينعكس الضوء الذي يفلت عبر الجيرمانيوم في المرور الأول ليحصل على فرصة ثانية للامتصاص. تظهر المحاكاة والقياسات أن هذه الاستراتيجية تشد احتجاز الضوء داخل طبقة الجيرمانيوم وتحسن الحساسية بحوالي ثلث، كل ذلك مع الحفاظ على بنية مدمجة وسريعة.

تحطيم الأرقام القياسية عند معدلات تيرابت

للحكم على الأداء في العالم الحقيقي، يقيس الفريق استجابة الجهاز للإشارات البصرية عالية السرعة. يجدون أنه عند مستويات ضوئية معتدلة وجهد معاكس 12.5 فولت، يمكن للصمام الضوئي تضخيم الإشارة بأكثر من مئتي ضعف مع الحفاظ على عرض نطاق كهربائي يقارب 31 جيجاهرتز. تحت إضاءة منخفضة القدرة، ينتج عن هذا المزيج منتج كسب‑عرض نطاق ترددي قياسي يبلغ 7564 جيجاهرتز، وهو أعلى بكثير من تصاميم السيليكون‑جيرمانيوم السابقة. تُظهر اختبارات مخطط العين ومعدلات الأخطاء للبت—وهي أدوات معيارية في هندسة الاتصالات—أن الجهاز يمكنه استقبال إشارات تقليدية بسرعة 100 غيغابت/ث مباشرة وإشارات متعددة المستويات بسرعة 200 غيغابت/ث بحساسيات متوافقة مع مخططات تصحيح الأخطاء العملية، حتى دون إضافة مُضخّم إلكتروني منفصل. كما يبنون مصفوفة ذات ثمانية قنوات مضبوطة لأطوال موجية مختلفة قليلًا، مظهرين تشغيلًا نقيًا بسرعة 200 غيغابت/ث على كل قناة لروابط التقسيم بتعدد الأطوال الموجية.

ماذا يعني هذا لشبكات المستقبل

من منظور غير متخصص، الخلاصة أن المؤلفين بنوا حساسًا ضوئيًا صغيرًا قادرًا على رؤية إشارات ضعيفة جدًا مع مواكبة تدفقات بيانات سريعة للغاية، وفعلوا ذلك باستخدام تكنولوجيا تتناسب مع نظام صناعة رقائق السيليكون الحالي. من خلال تخصيص أدوار امتصاص الضوء والتضخيم للجيرمانيوم والسيليكون على نحو مدروس، وتشكيل الحقل الكهربائي لتقليل الضوضاء، وإعادة تدوير الضوء بمرآة مصغرة، يحققون أداءً غير مسبوق في جهاز مدمج. يمكن أن تساعد مثل هذه الصمامات الضوئية عالية السرعة والمنخفضة الضوضاء مراكز البيانات المستقبلية على نقل معلومات أكثر عبر كل ليف، وتقليل استهلاك الطاقة لكل بت، ودعم تطبيقات ناشئة مثل الاتصالات الكمومية وLiDAR المتقدم، وكل ذلك مع الاستفادة من بنية التصنيع المستخدمة بالفعل في الإلكترونيات الدقيقة الحديثة.

الاستشهاد: Xue, J., Cheng, C., Bao, S. et al. High-speed Si-Ge avalanche photodiode with a gain-bandwidth product of 7564 GHz. Nat Commun 17, 3730 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70461-9

الكلمات المفتاحية: صمام ضوئي متسلسلي (Avalanche photodiode), الفوتونيك على السيليكون, الاتصالات البصرية, مكاشف عالية السرعة, التقسيم بتعدد الأطوال الموجية