Små "svarta hål" på en kiselskiva ger en ny typ av fotodetektor som kan flytta mer data till lägre kostnad runt om i världen eller över ett datacenter. Teknologin, utvecklad av elektriska ingenjörer vid University of California, Davis, och W&WSens-enheter, Inc. i Los Altos, Kalifornien, en start av Silicon Valley, beskrivs i ett papper publicerat 3 april i tidningen Nature Photonics .

"Vi försöker dra nytta av kisel för något kisel vanligtvis inte kan göra, sa Saif Islam, professor i el- och datateknik vid UC Davis, som leder projektet tillsammans med medarbetarna på W &WSens Devices, Inc. Befintliga höghastighetsfotodetektorenheter använder material som galliumarsenid. "Om vi ​​inte behöver lägga till icke-kiselkomponenter och kan monolitiskt integreras med elektronik i ett enda kiselchip, mottagarna blir mycket billigare."

Den nya detektorn använder avsmalnande hål i en kiselskiva för att avleda fotoner i sidled, att bevara hastigheten hos tunnskiktskisel och effektiviteten hos ett tjockare skikt. Än så länge, Islams grupp har byggt en experimentell fotodetektor och solceller med hjälp av den nya tekniken. Fotodetektorn kan konvertera data från optisk till elektronik med 20 gigabyte per sekund (eller 25 miljarder bitar per sekund, mer än 200 gånger snabbare än ditt kabelmodem) med en kvanteffektivitet på 50 procent, den snabbaste som rapporterats för en enhet med denna effektivitet.

Datacenter behöver snabba anslutningar

Tillväxten av datacenter som driver internet-"molnet" har skapat en efterfrågan på enheter för att flytta stora mängder data, väldigt snabbt, över korta sträckor på några yards till hundratals yards. Sådana anslutningar kan också användas för höghastighets hemförbindelser, sa islam.

När datoringenjörer vill flytta stora mängder data mycket snabbt, oavsett om det är över hela världen eller i ett datacenter, de använder fiberoptiska kablar som överför data som ljuspulser. Men dessa signaler måste konverteras till elektroniska pulser i den mottagande änden av en fotodetektor. Du kan använda kisel som fotodetektor - inkommande fotoner genererar ett flöde av elektroner. Men det finns en avvägning mellan hastighet och effektivitet. För att fånga de flesta fotonerna, kiselbiten måste vara tjock, och det gör det relativt långsamt. Gör kislet tunnare så det fungerar snabbare, och för många fotoner går vilse.

Istället, kretsdesigners har använt material som galliumarsenid och indiumfosfid för att göra höghastighets-, högeffektiva fotodetektorer. Galliumarsenid, till exempel, är ungefär tio gånger så effektivt som ett kisel i samma skala och våglängd. Men det är betydligt dyrare och kan inte monolitiskt integreras med kiselektronik.

Avsmalnande hål som ljusfällor

Islams grupp började med att experimentera med sätt att öka kiseleffektiviteten genom att lägga till små pelare eller kolumner, sedan hål till kiselskivan. Efter två års experiment, de bosatte sig på ett mönster av hål som avsmalnar mot botten.

"Vi kom på en teknik som böjer det inkommande ljuset i sidled genom tunt kisel, "Sa islam.

Tanken är att fotoner kommer in i hålen och dras i sidled in i kislet. Själva skivan är ungefär två mikron tjock, men för att de rör sig i sidled, fotonerna färdas genom 30 till 40 mikron kisel, som vågornas krusning på en damm när en sten rullas ner i vattnet.

Den hålbaserade enheten kan också potentiellt fungera med ett bredare spektrum av ljusvåglängder än nuvarande teknik, sa islam.