TDK展示世界首臺可為下一代AI提供10倍數(shù)據(jù)處理速度的“自旋光電探測器”

●   通過利用波長為800納米的光，將響應速度提高至20皮秒的光自旋電子轉換元件，速度比傳統(tǒng)的半導體光電探測器快10 倍

●   由TDK構思與開發(fā)的這款磁性器件可探測近紅外和可見光

●   與以基礎物理學研究聞名的日本大學強強聯(lián)手，成功完成該器件的運行演示

●   該器件可應用于光電轉換技術，有望提高數(shù)據(jù)處理速度并減少能耗，而這對進一步實現(xiàn)人工智能演進而言至關重要

TDK株式會社近日宣布其已成功研發(fā)出世界首臺“自旋光電探測器”，一款集成光、電子和磁性元件的光自旋電子轉換元件——通過利用波長為800納米^[1]的光，將響應速度提高至20皮秒（20 × 10?12 秒），比傳統(tǒng)基于半導體的光電探測器快10倍以上。新器件有望成為實現(xiàn)光電轉換技術的關鍵驅動因素，在提高（尤其是在AI應用中）數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理速度的同時降低能耗。

以更高的速度、更低的能耗實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)傳輸，是人工智能技術演進的必由之路。為了進行數(shù)據(jù)處理和計算，需要通過電信號在CPU/GPU芯片之間進行數(shù)據(jù)傳輸以及將數(shù)據(jù)傳輸出/入存儲器。因此，對光通信和光互連的需求不斷增加，因其能夠實現(xiàn)不受互連距離影響的高速度。此外，作為緊密融合光元件和電子元件的技術，光電轉換技術在全球市場上的受關注度也越來越廣。

為了解決諸如此類的挑戰(zhàn)，TDK將其目前應用于數(shù)十億個HDD磁頭的磁隧道結（MTJ）技術應用于光子學領域的硬盤磁頭。該技術的主要優(yōu)勢之一在于使用了單晶基板，因此不涉及晶體生長，且該器件的成型與基板材料無關。相較而言，傳統(tǒng)基于半導體的光電探測器在波長較短的情況下存在物理限制。由于自旋光電探測器的工作原理完全不同，且利用了電子加熱現(xiàn)象，因此即使波長縮短，也能以超高速度運行^[1]。此外，運行波長范圍較廣，目前已確認的運行波長范圍為從可見光到近紅外光。TDK已與磁性材料超快現(xiàn)象測量領域的研究先驅日本大學聯(lián)手，成功完成了自旋光電探測器的運行演示。

不僅如此，得益于其能夠高速探測可見光的優(yōu)勢，這款自旋光電探測器對未來預計將不斷發(fā)展壯大的應用領域而言將大有用處，如用于AR/VR智能眼鏡器件^[2-3]和高速圖像傳感器等。與抗宇宙射線能力較弱的傳統(tǒng)半導體光感設備相比，MTJ元件具備很強的抗宇宙射線能力，預計將被用作航空航天應用領域的光探測元件。在上述成果的基礎之上，TDK未來將繼續(xù)完善其高速光探測元件，進一步提高其有用性。

* 截至2025年4月，來源：TDK調研

[1] J.Phys.D: Appl.Phys.58 06LT01 (2025), “Spin photo detector by using a CoFeB magnetic tunnel junction”（利用CoFeB磁隧道結的自旋光電探測器）

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6463/ad9284/meta

[2] https://www.tdk.com/en/news_center/press/20221013_01.html

[3] https://www.tdk.com/en/news_center/press/20241009_01.html

術語

●   AI：人工智能

●   光電轉換：一項融合了光和電子元件的技術

●   光自旋電子轉換：TDK自創(chuàng)的術語，融合了光、電子和磁性元件

●   HDD：硬盤

●   CPU：中央處理器

●   GPU：圖形處理器

●   自旋：描述粒子（如電子）內稟旋轉的一種基本屬性

●   MTJ：磁隧道結

●   AR：增強現(xiàn)實

●   VR：虛擬現(xiàn)實

主要應用

●   面向數(shù)據(jù)中心和生成式AI應用的光通信、光互連用光電探測器

●   AR/VR用光電探測器

主要特點與優(yōu)勢

●   利用磁隧道結（MTJ）元件（屬于磁性元件）實現(xiàn)光探測，而傳統(tǒng)光探測元件屬于半導體元件

●   超快速光探測

●   在從近紅外光到可見光的廣泛波長范圍內實現(xiàn)超快速光探測

●   可在任何板材和多種類型的器件上制備

●   可應用于數(shù)據(jù)中心、面向生成式AI應用的光通信和光互連、以及和AR/VR等領域