Piccoli "buchi neri" su un wafer di silicio costituiscono un nuovo tipo di fotorilevatore che potrebbe spostare più dati a costi inferiori in tutto il mondo o in un data center. La tecnologia, sviluppato da ingegneri elettrici presso l'Università della California, Davis, e dispositivi W&WSens, Inc. di Los Altos, California, una startup della Silicon Valley, è descritto in un articolo pubblicato il 3 aprile sulla rivista Fotonica della natura .

"Stiamo cercando di sfruttare il silicio per qualcosa che il silicio di solito non può fare, "ha detto Saif Islam, professore di ingegneria elettrica e informatica alla UC Davis, che co-conducono il progetto insieme ai collaboratori di W&WSens Devices, Inc. I dispositivi fotorilevatori ad alta velocità esistenti utilizzano materiali come l'arseniuro di gallio. "Se non abbiamo bisogno di aggiungere componenti non in silicio e possiamo integrarci monoliticamente con l'elettronica in un singolo chip di silicio, i ricevitori diventano molto più economici."

Il nuovo rivelatore utilizza fori rastremati in un wafer di silicio per deviare i fotoni lateralmente, preservando la velocità del silicio a strato sottile e l'efficienza di uno strato più spesso. Finora, Il gruppo di Islam ha costruito un fotorilevatore sperimentale e una cella solare utilizzando la nuova tecnologia. Il fotorilevatore può convertire i dati dall'ottica all'elettronica a 20 gigabyte al secondo (o 25 miliardi di bit al secondo, più di 200 volte più veloce del modem via cavo) con un'efficienza quantica del 50 percento, il più veloce mai segnalato per un dispositivo di questa efficienza.

I datacenter hanno bisogno di connessioni veloci

La crescita dei data center che alimentano il "cloud" di Internet ha creato una domanda di dispositivi per spostare grandi quantità di dati, molto veloce, su brevi distanze da poche iarde a centinaia di iarde. Tali connessioni potrebbero essere utilizzate anche per connessioni domestiche ad alta velocità, ha detto l'Islam.

Quando gli ingegneri informatici vogliono spostare grandi quantità di dati molto velocemente, in tutto il mondo o in un data center, utilizzano cavi in ​​fibra ottica che trasmettono dati come impulsi di luce. Ma questi segnali devono essere convertiti in impulsi elettronici all'estremità ricevente da un fotorilevatore. Puoi usare il silicio come fotorilevatore:i fotoni in ingresso generano un flusso di elettroni. Ma c'è un compromesso tra velocità ed efficienza. Per catturare la maggior parte dei fotoni, il pezzo di silicio deve essere spesso, e questo lo rende relativamente lento. Rendi il silicone più sottile in modo che funzioni più velocemente, e troppi fotoni si perdono.

Anziché, i progettisti di circuiti hanno utilizzato materiali come l'arseniuro di gallio e il fosfuro di indio per realizzare prodotti ad alta velocità, fotorivelatori ad alta efficienza. Arseniuro di gallio, Per esempio, è circa dieci volte più efficiente di un silicio alla stessa scala e lunghezza d'onda. Ma è significativamente più costoso e non può essere integrato monoliticamente con l'elettronica al silicio.

Fori rastremati come trappole luminose

Il gruppo di Islam ha iniziato sperimentando modi per aumentare l'efficienza del silicio aggiungendo minuscoli pilastri o colonne, poi fori al wafer di silicio. Dopo due anni di esperimenti, si sono posati su uno schema di fori che si assottigliano verso il basso.

"Abbiamo ideato una tecnologia che piega lateralmente la luce in ingresso attraverso un sottile silicio, "ha detto l'Islam.

L'idea è che i fotoni entrino nei fori e vengano tirati lateralmente nel silicio. Il wafer stesso ha uno spessore di circa due micron, ma perché si muovono di lato, i fotoni viaggiano attraverso 30-40 micron di silicio, come l'increspatura delle onde su uno stagno quando un sassolino viene lasciato cadere nell'acqua.

Il dispositivo basato sui fori può anche potenzialmente funzionare con una gamma più ampia di lunghezze d'onda della luce rispetto alla tecnologia attuale, ha detto l'Islam.