増幅帯域積が7564 GHzの高速Si-Geアバランシェフォトダイオード

なぜより高速の光センサーが重要なのか

写真やビデオ通話、AIへのクエリはすべて、ガラスファイバーという広大なネットワークを微小な光の閃光として駆け抜けます。各ファイバーの末端では、光センサーがその閃光をチップが理解できる電気信号に変換しなければなりません。データセンターやクラウドコンピューティングがさらに高速化を追求する中、現在の光センサーはボトルネックになりつつあります。本論文は、新しいシリコン–ゲルマニウム（Si‑Ge）アバランシェフォトダイオードを報告します。これは標準的なチップ製造技術と互換性を保ちながら速度記録を破る高感度検出器であり、より高速かつエネルギー効率の高いインターネットや計算ハードウェアの方向性を示します。

微弱な光を強い信号に変える仕組み

アバランシェフォトダイオードは単に光を検出するだけでなく、デバイス内部で生じた電気信号を自己増幅する特別な光センサーです。その内蔵ゲインにより、受信機は非常に弱い光でも動作でき、長距離ファイバー伝送やビットあたりの消費電力低減に重要です。著者らはゲイン‑帯域積という性能指標に注目しています。これは増幅の大きさと応答速度を組み合わせた指標で、この値を高めることは非常に高速なデータストリームをノイズに埋もれさせずに検出できることを意味します。従来、通信向け光検出器に用いられてきた化合物半導体や純ゲルマニウムは、雑音が多いかシリコンチップ上へ密に集積するのが難しいという問題がありました。本研究では代わりに、慎重に設計されたシリコンとゲルマニウムの組み合わせを利用し、両者の長所を引き出しています。

二つの材料で役割を分担する設計

新しいデバイスは横方向別吸収‑電荷‑倍増（lateral separate‑absorption‑charge‑multiplication）構造を採用しています。簡単に言えば、シリコン層とゲルマニウム層がそれぞれ特定の役割を担います。通信で使われる波長で光を効率よく吸収するゲルマニウムが光捕捉領域を担い、より静かな電子倍増を支えるシリコンが内蔵増幅器として機能します。内部電界を意図した場所で強く、ゲルマニウム領域では弱くなるように設計することで、電子がシリコンでアバランシェを起こす一方でゲルマニウム内の漏れ電流や雑音を大幅に低減しています。さらに、ゲルマニウム上への直接金属接触を避けることで欠陥を減らし、暗電流をさらに抑制しています。

光を再利用して効率を高める工夫

内部増幅以外にも、研究チームは入射光をいかに効率よく集めつつデバイス速度を落とさないかという課題に取り組んでいます。単にゲルマニウム領域を大きくすれば吸収は向上しますが、キャリアの移動時間が長くなり速度が制限されます。そこでチームは、光を小さな活性領域に穏やかに導くテーパ状入力導波路と、背面に分布ブラッグ反射鏡（DBR）を配置しました。ゲルマニウムを一度すり抜けた光を反射して再吸収の機会を与えることで、光取り込みを増やします。シミュレーションと測定は、この戦略によりゲルマニウム層内の光閉じ込めが強まり、感度（レスポンシビティ）が約3割向上することを示しており、構造をコンパクトかつ高速に保ちながら効率改善を実現しています。

テラビット級データレートでの記録更新

実際の性能を評価するために、チームは高速度光信号に対する応答を測定しました。適度な光強度かつ逆電圧12.5ボルトで、フォトダイオードは信号を200倍以上に増幅しつつ、約31ギガヘルツの電気的帯域幅を維持することが分かりました。低電力照射下では、この組み合わせが従来のSi‑Ge設計をはるかに凌駕する7564ギガヘルツという記録的なゲイン‑帯域積を生み出しました。アイダイアグラムとビット誤り試験といった通信工学の標準的手法により、デバイスは外部電子増幅器を追加せずとも100ギガビット毎秒の従来信号や200ギガビット毎秒の多値信号を直接受信でき、実用的な誤り訂正方式に適合する感度を示しました。さらに、わずかに異なる波長に調整した8チャンネルのアレイも構築し、波長分割多重リンクで各チャンネルごとにクリーンな200ギガビット毎秒動作を実証しています。

将来のネットワークにとっての意義

一般的な観点からの主な結論は、著者らが非常に弱い信号を見通せるうえに極めて速いデータストリームに追随できる小型の光センサーを、既存のシリコンチップ生態系に適合した技術で実現したことです。ゲルマニウムとシリコンに光吸収と増幅の役割を慎重に割り当て、雑音を最小化するよう電界を成形し、微小な鏡で光を再利用することで、コンパクトなデバイスでこれまでにない性能を達成しました。このような高速かつ低雑音のフォトダイオードは、将来のデータセンターが各ファイバーあたりの情報量を増やし、ビットあたりの消費電力を下げ、量子通信や高性能LiDARなどの新しい応用を支える一助になり得ます。また、現代のマイクロエレクトロニクスで使われている製造インフラを活用できる点も重要です。

引用: 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

キーワード: アバランシェフォトダイオード, シリコンフォトニクス, 光通信, 高速検出器, 波長分割多重