Små sorte huller muliggør en ny type fotodetektor til højhastighedsdata

Små "sorte huller" på en siliciumskive skaber en ny type fotodetektor, der kunne flytte flere data til lavere omkostninger rundt om i verden eller på tværs af et datacenter. Teknologien, udviklet af elektriske ingeniører ved University of California, Davis, og W &WSens -enheder, Inc. i Los Altos, Californien, en opstart i Silicon Valley, er beskrevet i et papir, der blev offentliggjort 3. april i tidsskriftet Natur fotonik .

"Vi forsøger at udnytte silicium til noget silicium normalt ikke kan gøre, "sagde Saif Islam, professor i el- og computerteknik ved UC Davis, som leder projektet sammen med samarbejdspartnerne på W &WSens Devices, Inc. Eksisterende højhastighedsfotodetektorudstyr bruger materialer såsom galliumarsenid. "Hvis vi ikke behøver at tilføje ikke-siliciumkomponenter og monolitisk kan integreres med elektronik i en enkelt siliciumchip, modtagerne bliver meget billigere. "

Den nye detektor bruger koniske huller i en siliciumskive til at aflede fotoner sidelæns, bevarer hastigheden af ​​tyndtlags silicium og effektiviteten af ​​et tykkere lag. Indtil nu, Islams gruppe har bygget en eksperimentel fotodetektor og solcelle ved hjælp af den nye teknologi. Fotodetektoren kan konvertere data fra optisk til elektronik med 20 gigabyte pr. Sekund (eller 25 milliarder bits pr. Sekund, mere end 200 gange hurtigere end dit kabelmodem) med en kvanteeffektivitet på 50 procent, den hurtigste nogensinde rapporteret for en enhed med denne effektivitet.

Datacentre har brug for hurtige forbindelser

Væksten i datacentre, der driver internetets "sky", har skabt et behov for enheder til at flytte store mængder data, meget hurtig, over korte afstande på få yards til hundredvis af yards. Sådanne forbindelser kan også bruges til højhastighedsforbindelser til hjemmet, Sagde Islam.

Når computeringeniører vil flytte store mængder data meget hurtigt, uanset om det er i hele verden eller på tværs af et datacenter, de bruger fiberoptiske kabler, der sender data som lyspulser. Men disse signaler skal konverteres til elektroniske pulser i den modtagende ende af en fotodetektor. Du kan bruge silicium som fotodetektor - indgående fotoner genererer en strøm af elektroner. Men der er en afvejning mellem hastighed og effektivitet. For at fange de fleste fotoner, stykket silicium skal være tykt, og det gør det relativt langsomt. Gør siliconen tyndere, så den fungerer hurtigere, og for mange fotoner går tabt.

I stedet, kredsløbsdesignere har brugt materialer som galliumarsenid og indiumphosphid til at lave højhastighedstog, højeffektive fotodetektorer. Gallium arsenid, for eksempel, er cirka ti gange så effektiv som et silicium i samme skala og bølgelængde. Men det er betydeligt dyrere og kan ikke monolitisk integreres med siliciumelektronik.

Koniske huller som lysfælder

Islams gruppe begyndte med at eksperimentere med måder at øge siliciums effektivitet ved at tilføje små søjler eller søjler, derefter huller til siliciumpladen. Efter to års eksperimenter, de slog sig ned på et hulmønster, der tilspidsede mod bunden.

"Vi fandt på en teknologi, der bøjer det indkommende lys sideværts gennem tyndt silicium, "Sagde islam.

Ideen er, at fotoner kommer ind i hullerne og bliver trukket sidelæns ind i silicium. Selve skiven er omkring to mikron tyk, men fordi de bevæger sig sidelæns, fotoner bevæger sig gennem 30 til 40 mikron silicium, som krusningen af ​​bølger på en dam, når en sten rulles ned i vandet.

Den hullebaserede enhed kan også potentielt arbejde med et bredere spektrum af lysbølgelængder end den nuværende teknologi, Sagde Islam.