Kleine "zwarte gaten" op een siliciumwafel zorgen voor een nieuw type fotodetector die meer gegevens tegen lagere kosten over de hele wereld of door een datacenter kan verplaatsen. De technologie, ontwikkeld door elektrotechnici aan de Universiteit van Californië, Davis, en W&WSens-apparaten, Inc. van Los Altos, Californië, een startup in Silicon Valley, wordt beschreven in een artikel dat op 3 april in het tijdschrift is gepubliceerd Natuurfotonica .

"We proberen te profiteren van silicium voor iets dat silicium gewoonlijk niet kan, " zei Saif Islam, hoogleraar elektrische en computertechniek aan UC Davis, die samen met de medewerkers van W&WSens Devices het project leiden, Inc. Bestaande fotodetectoren met hoge snelheid gebruiken materialen zoals galliumarsenide. "Als we geen niet-siliciumcomponenten hoeven toe te voegen en monolithisch kunnen integreren met elektronica in een enkele siliciumchip, de ontvangers worden veel goedkoper."

De nieuwe detector maakt gebruik van taps toelopende gaten in een siliciumwafel om fotonen zijwaarts af te leiden, behoud van de snelheid van dunne laag silicium en de efficiëntie van een dikkere laag. Tot dusver, Islam's groep heeft een experimentele fotodetector en zonnecel gebouwd met behulp van de nieuwe technologie. De fotodetector kan gegevens omzetten van optisch naar elektronica met 20 gigabyte per seconde (of 25 miljard bits per seconde, meer dan 200 keer sneller dan uw kabelmodem) met een kwantumefficiëntie van 50 procent, de snelste die tot nu toe is gerapporteerd voor een apparaat met deze efficiëntie.

Datacenters hebben snelle verbindingen nodig

De groei van datacenters die de internet "cloud" van stroom voorzien, heeft geleid tot een vraag naar apparaten om grote hoeveelheden gegevens te verplaatsen, erg snel, over korte afstanden van enkele meters tot honderden meters. Dergelijke verbindingen kunnen ook worden gebruikt voor snelle thuisverbindingen, zei de islam.

Wanneer computertechnici grote hoeveelheden gegevens zeer snel willen verplaatsen, of het nu over de hele wereld is of over een datacenter, ze gebruiken glasvezelkabels die gegevens verzenden als lichtpulsen. Maar deze signalen moeten door een fotodetector worden omgezet in elektronische pulsen aan de ontvangende kant. Je kunt silicium als fotodetector gebruiken - binnenkomende fotonen genereren een stroom van elektronen. Maar er is een afweging tussen snelheid en efficiëntie. Om de meeste fotonen vast te leggen, het stuk silicium moet dik zijn, en dat maakt het relatief traag. Maak het silicium dunner zodat het sneller werkt, en er gaan te veel fotonen verloren.

In plaats daarvan, circuitontwerpers hebben materialen zoals galliumarsenide en indiumfosfide gebruikt om met hoge snelheid, zeer efficiënte fotodetectoren. Galliumarsenide, bijvoorbeeld, is ongeveer tien keer zo efficiënt als silicium op dezelfde schaal en golflengte. Maar het is aanzienlijk duurder en kan niet monolithisch worden geïntegreerd met siliciumelektronica.

Taps toelopende gaten als lichtvallen

Islam's groep begon door te experimenteren met manieren om de efficiëntie van silicium te verhogen door kleine pilaren of kolommen toe te voegen, vervolgens gaten naar de siliciumwafel. Na twee jaar experimenteren, ze vestigden zich op een patroon van gaten die taps toelopen naar de bodem.

"We kwamen met een technologie die het binnenkomende licht zijdelings buigt door dun silicium, ' zei de islam.

Het idee is dat fotonen de gaten binnendringen en zijwaarts in het silicium worden getrokken. De wafel zelf is ongeveer twee micron dik, maar omdat ze zijwaarts bewegen, de fotonen reizen door 30 tot 40 micron silicium, als de rimpeling van golven op een vijver wanneer een kiezelsteen in het water valt.

Het op gaten gebaseerde apparaat kan mogelijk ook werken met een breder scala aan golflengten van licht dan de huidige technologie, zei de islam.