Высокоскоростной Si‑Ge лавинный фотодиод с произведением усиления и полосы пропускания 7564 ГГц

Почему важны более быстрые светосенсоры

Каждое фото, видеозвонок и запрос к ИИ мчится по гигантским сетям из оптического волокна в виде крошечных вспышек света. На конце каждого волокна световой сенсор должен превратить эти вспышки в электрические сигналы, понятные микросхемам. По мере того как дата‑центры и облачные вычисления стремятся к всё большим скоростям, современные световые приёмники становятся узким местом. В этой работе представлен новый кремний‑германиевый лавинный фотодиод — высокочувствительный приёмник света, который устанавливает рекорды по скорости и при этом совместим со стандартными технологиями производства микросхем, указывая путь к более быстрым и энергоэффективным интернет‑ и вычислительным аппаратам.

Преобразование слабого света в сильные сигналы

Лавинные фотодиоды — это особые световые сенсоры, которые не только фиксируют свет, но и усиливают возникающий в них электрический сигнал внутри самого устройства. Такое встроенное усиление позволяет приёмникам работать с очень слабым светом, что критично для длинных оптических линий и для снижения потребляемой энергии на бит данных. Авторы сосредотачиваются на ключевом показателе производительности — произведении усиления и полосы пропускания, которое объединяет степень усиления и скорость отклика устройства. Увеличение этого показателя позволяет обнаруживать чрезвычайно быстрые потоки данных без излишнего шума. Традиционные материалы для телеком‑фотодетекторов, такие как некоторые составные полупроводники или чистый германий, либо создают слишком много шума, либо трудно интегрируются на кремниевые чипы. В этой работе используется тщательно разработанная комбинация кремния и германия, чтобы получить преимущества обоих материалов.

Разделение задач между двумя материалами

Новое устройство использует конфигурацию, называемую боковой структурой с разнесённым поглощением и умножением заряда. Проще говоря, слои кремния и германия получают разные функции. Германий, эффективно поглощающий свет на длинах волн, используемых в связях передачи данных, служит зоной улавливания света. Кремний, обеспечивающий более тихое умножение электронов, выполняет роль встроенного усилителя. Команда формирует внутреннее электрическое поле так, чтобы оно было сильным там, где нужно инициировать лавину в кремнии, но значительно слабее в германии. Такая аккуратная «инженерия поля» существенно сокращает нежелательные токи утечки и шум, одновременно быстро отводя фото‑сгенерированные носители для сохранения быстродействия. Также избегают прямых металлических контактов на поверхности германия, что уменьшает дефекты и дополнительно подавляет тёмный ток.

Повторное использование света для повышения эффективности

Помимо встроенного усилителя, исследователи решают ещё одну задачу: как собрать как можно больше входящего света, не замедляя при этом устройство. Простое увеличение площади германиевой зоны улучшило бы поглощение, но также замедлило бы время перехода носителей, ограничивая скорость. Вместо этого команда добавляет конический входной волновод, который мягко направляет свет в небольшую активную зону, и распределённый брэгговский отражатель на задней стороне, выполняющий функцию микроскопического зеркала. Свет, прошедший насквозь германия с первого прохода, отражается обратно для второго шанса поглощения. Моделирование и измерения показывают, что такая стратегия усиливает локализацию света в германиевом слое и повышает чувствительность примерно на треть, при этом сохраняя компактность и быстроту структуры.

Побитие рекордов на терабитных скоростях

Для оценки реальной производительности команда измеряет отклик устройства на высокоскоростные оптические сигналы. Они обнаруживают, что при умеренных уровнях освещённости и обратном напряжении 12,5 вольт фотодиод может усиливать сигнал более чем в двести раз при сохранении электрической полосы пропускания около 31 гигагерца. При низкой мощности освещения такая комбинация даёт рекордное произведение усиления и полосы пропускания 7564 гигагерца, что значительно превосходит предыдущие кремний‑германиевые конструкции. Диаграммы «глаз» и тесты на битовые ошибки — стандартные инструменты в инженерии связи — показывают, что устройство способно напрямую принимать традиционные 100‑гигабитные сигналы и 200‑гигабитные многорівневые сигналы с чувствительностью, совместимой с практическими схемами коррекции ошибок, даже без отдельного электронного усилителя. Они также создают массив из восьми каналов, настроенных на немного разные длины волн, демонстрируя чистую работу на 200 гигабит/с на каждом канале для систем с мультиплексированием по длинам волн.

Что это означает для сетей будущего

С точки зрения неспециалиста главный вывод заключается в том, что авторы создали крошечный световой сенсор, который способен видеть очень слабые сигналы и одновременно справляться с исключительно быстрыми потоками данных, используя технологии, совместимые с существующей экосистемой кремниевых чипов. Тщательно разделив роли поглощения света и усиления между германием и кремнием, сформировав электрическое поле для минимизации шума и повторно используя свет с помощью миниатюрного зеркала, они достигли беспрецедентной производительности в компактном устройстве. Такие высокоскоростные, с низким уровнем шума фотодиоды могут помочь будущим дата‑центрам пропускать больше информации через каждое волокно, снижать энергозатраты на бит и поддерживать новые приложения, такие как квантовая связь и продвинутый LiDAR, используя при этом производственную инфраструктуру современной микроэлектроники.

Цитирование: 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

Ключевые слова: лавинный фотодиод, кремнивая фотоника, оптическая связь, высокоскоростные детекторы, мультиплексирование по длинам волн