Snabb Si–Ge avalanche-fotodiod med en vinst-bandbreddsprodukt på 7564 GHz

Varför snabbare ljussensorer spelar roll

Varje foto, videosamtal och AI-förfrågan du skickar rusar genom vidsträckta nätverk av glasfiber som små ljusblixtar. I slutet av varje fiber måste en ljussensor omvandla dessa blixtar till elektriska signaler som kretsarna kan tolka. När datacenter och molntjänster pressar mot allt högre hastigheter blir dagens ljussensorer en flaskhals. Denna artikel beskriver en ny kisel–germanium avalanche-fotodiod — en mycket känslig ljusdetektor — som sätter hastighetsrekord samtidigt som den förblir kompatibel med standardiserad chiptillverkning, och pekar ut vägen mot snabbare och mer energieffektiv internet- och beräkningshårdvara.

Att omvandla svagt ljus till starka signaler

Avalanche-fotodioder är särskilda ljussensorer som inte bara upptäcker ljus — de förstärker också den resulterande elektriska signalen inuti enheten själv. Denna inbyggda förstärkning gör att mottagare kan arbeta med mycket svagt ljus, vilket är avgörande för långa fiberlänkar och för att minska energin per datapunkt. Författarna fokuserar på en viktig prestandamåttstock kallad vinst‑bandbreddsprodukt, som kombinerar hur mycket förstärkning man får med hur snabbt enheten kan reagera. Att höja detta tal innebär att man kan detektera extremt snabba dataströmmar utan att drunkna i brus. Traditionella material som används i telekomdetektorer, som vissa förenade halvledare eller rent germanium, genererar antingen för mycket brus eller är svåra att integrera tätt på kiselsubstrat. Detta arbete utnyttjar istället en noggrant utformad kombination av kisel och germanium för att få det bästa av båda världar.

Att dela upp arbetet mellan två material

Den nya enheten använder en struktur som kallas lateral separate-absorption-charge-multiplication. Enkelt uttryckt får kisel- och germaniumlagren var sin specifika roll. Germanium, som effektivt absorberar ljus vid de våglängder som används i datakommunikation, fungerar som ljusupptagningsregion. Kisel, som stödjer tystare elektronmultiplikation, fungerar som den inbyggda förstärkaren. Teamet formar det interna elektriska fältet så att det är starkt där de vill att elektroner ska avalanche-förstärkas i kisel, men hålls mycket svagare i germanium. Denna noggranna ”fältteknik” minskar avsevärt oönskade läckströmmar och brus, samtidigt som de foto‑genererade bärarna sveps snabbt nog för att hålla enheten snabb. De undviker också direkta metalldon på toppen av germaniumet, vilket minskar defekter och ytterligare dämpar mörkström.

Återvinning av ljus för ökad effektivitet

Utöver den interna förstärkaren tar forskarna itu med ytterligare en utmaning: hur man samlar in så mycket inkommande ljus som möjligt utan att sakta ner enheten. Att helt enkelt göra germaniumregionen större skulle förbättra ljusabsorptionen, men det skulle också göra att bärare tar längre tid att korsa, vilket begränsar hastigheten. Istället lägger teamet till en avsmalnande ingångsvågledare som försiktigt för ljuset in i den lilla aktiva regionen, och en distribuerad Bragg-reflektor i bakänden som fungerar som en mikroskopisk spegel. Ljus som slinker igenom germanium vid första passagen reflekteras tillbaka för en andra chans att absorberas. Simuleringar och mätningar visar att denna strategi stärker ljuskoncentrationen i germaniumlagret och förbättrar responsiviteten med cirka en tredjedel, samtidigt som strukturen hålls kompakt och snabb.

Slår rekord vid terabit‑datahastigheter

För att bedöma verklig prestanda mäter teamet hur enheten reagerar på högfrekventa optiska signaler. De finner att vid måttliga ljusnivåer och en bakspänning på 12,5 volt kan fotodioden förstärka signalen mer än tvåhundrafalt samtidigt som den behåller en elektrisk bandbredd på omkring 31 gigahertz. Under svagbelysning ger denna kombination en rekordstor vinst‑bandbreddsprodukt på 7564 gigahertz, långt utöver tidigare kisel–germaniumdesigner. Eye‑diagram och felbitsmätningar — standardverktyg inom kommunikationsteknik — visar att enheten kan ta emot 100 gigabit per sekund traditionella signaler direkt och 200 gigabit per sekund flernivåsignaler med känsligheter som är kompatibla med praktiska felkorrigeringsscheman, även utan en separat elektronisk förstärkare. De bygger också en åttakanalig matris fininställd på något olika våglängder, och demonstrerar ren 200 gigabit per sekund‑drift på varje kanal för våglängdsdelade länkar.

Vad detta betyder för framtidens nätverk

Ur en lekmannaperspektiv är huvudpoängen att författarna har byggt en liten ljussensor som kan se mycket svaga signaler samtidigt som den hänger med extremt snabba dataströmmar, och de har gjort det med teknik som passar in i den befintliga kiselsubstratsekosystemet. Genom att noggrant fördela ljusabsorptions- och förstärkningsroller till germanium respektive kisel, forma det elektriska fältet för att minimera brus och återanvända ljus med en mikrospegel uppnår de enastående prestanda i en kompakt enhet. Sådana högfrekventa, lågbrusiga fotodioder kan hjälpa framtida datacenter att föra mer information genom varje fiber, minska energiförbrukningen per bit och stödja framväxande tillämpningar som kvantkommunikation och avancerad LiDAR — samtidigt som de utnyttjar den tillverkningsinfrastruktur som redan används för moderna mikroelektronikkomponenter.

Citering: 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

Nyckelord: avalanche-fotodiod, kisel-fotonik, optisk kommunikation, högfrekventa detektorer, våglängdsdelningsmultiplexering