在生成式人工智能、數(shù)據(jù)中心及Beyond 5G/6G等前沿領(lǐng)域，高速光通信與互連技術(shù)的需求正呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。面對光設(shè)備領(lǐng)域的技術(shù)革新需求，TDK與日本大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的"自旋光電探測器"取得重大突破——這是全球首款基于磁性設(shè)備的高速光探測元件。這項(xiàng)顛覆性技術(shù)與傳統(tǒng)半導(dǎo)體光電探測器截然不同，基本擺脫了對半導(dǎo)體材料的依賴。在光通信與互連技術(shù)將發(fā)揮關(guān)鍵作用的生成式人工智能及Beyond 5G/6G時(shí)代，該技術(shù)有望成為核心賦能引擎。

生成式人工智能與Beyond 5G/6G時(shí)代的光通信技術(shù)挑戰(zhàn)

自2022年ChatGPT掀起浪潮以來，生成式人工智能(能夠自主生成文本、圖像和音頻的AI技術(shù)統(tǒng)稱)的發(fā)展勢不可擋。科技巨頭與初創(chuàng)企業(yè)競相投入生成式AI工具的研發(fā)，引發(fā)全球創(chuàng)新競賽，并推動該技術(shù)在社會各領(lǐng)域的快速普及。

這場技術(shù)變革的核心在于光通信(包括無線與有線)的進(jìn)步。目前，生成式人工智能主要依賴圖形處理器(GPU 1 )運(yùn)行，而GPU最初是為高性能圖像處理設(shè)計(jì)的專用處理器。為高速連接龐大的GPU網(wǎng)絡(luò)，高性能光通信變得不可或缺，傳統(tǒng)電氣布線方式亟待革新。

光通信對Beyond 5G/6G(下一代通信標(biāo)準(zhǔn))同樣至關(guān)重要。自20世紀(jì)80年代起，光纖傳輸技術(shù)2已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，并經(jīng)歷了顯著升級，支持超高速、大容量通信。如今，單根光纖的實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)10至20Tbps。然而，6G時(shí)代需要單根光纖超過100 Tbps的速度，只有通過進(jìn)一步的技術(shù)突破才能實(shí)現(xiàn)。

在無線通信領(lǐng)域，傳統(tǒng)技術(shù)依賴?yán)迕撞ê秃撩撞ǖ葻o線電波。而光信號理論上可實(shí)現(xiàn)超過1 Tbps的超大容量、低延時(shí)通信，在數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用中取得巨大進(jìn)步，例如在使用生成式人工智能時(shí)將個人設(shè)備與數(shù)據(jù)中心連接，并為支持人工智能的智能眼鏡供電。因此，無論有線還是無線光通信，都需持續(xù)推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新。

光集成電路市場展望

來源：IDTechEx, “Silicon Photonics and Photonic Integrated Circuits 2025-2035: Technologies, Market, Forecasts”, 2025, p. 33

利用光處理和傳輸信號的光集成電路的市場規(guī)模，預(yù)計(jì)到2035年將達(dá)到545億美元。

隨著光通信技術(shù)的進(jìn)步，光電探測器 3 (通過將光信號轉(zhuǎn)換為電信號實(shí)現(xiàn)光探測的基礎(chǔ)設(shè)備)備受關(guān)注。作為光通信接收端的核心設(shè)備，光電探測器需在極緊湊的結(jié)構(gòu)中快速、精準(zhǔn)地完成光電轉(zhuǎn)換。然而，基于傳統(tǒng)半導(dǎo)體二極管的光電探測器存在固有矛盾：提高速度需縮小設(shè)備尺寸，但會犧牲靈敏度。

此外，傳統(tǒng)半導(dǎo)體光電探測器對短波長光的靈敏度顯著下降。雖然在紅外波段(1300至1600 nm)表現(xiàn)良好，但在可見光范圍(400至700 nm)性能大幅下降。這意味著通過縮小設(shè)備尺寸提高速度的方法在可見光領(lǐng)域難以實(shí)現(xiàn)。受限于此類物理特性，短波長光的高速通信與互連技術(shù)長期停滯。

更嚴(yán)峻的是，半導(dǎo)體二極管探測器需依賴單晶襯底，這嚴(yán)重限制了其系統(tǒng)集成靈活性。從工程角度看，這阻礙了共封裝光學(xué)(CPO)等緊湊型光通信和互聯(lián)的發(fā)展，而CPO正是光電轉(zhuǎn)換技術(shù)崛起的關(guān)鍵。

自旋光電探測器：基于磁性元件的全新光探測技術(shù)

為應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，TDK開發(fā)了自旋光電探測器。這款變革性的產(chǎn)品利用磁性元件(而非傳統(tǒng)半導(dǎo)體)實(shí)現(xiàn)了超高速光傳感。其核心技術(shù)磁隧道結(jié)(MTJ 4 )源自TDK在HDD磁頭與TMR磁性傳感器領(lǐng)域的積累，支持從紅外到可見光的寬光譜超高速探測——這是半導(dǎo)體技術(shù)難以企及的突破。

另一顯著優(yōu)勢是其緊湊尺寸與多場景集成能力。不同于需襯底的傳統(tǒng)半導(dǎo)體探測器，自旋光電探測器可直接集成于光集成電路(PIC 5 )或多種襯底上，為需要超高速探測的光設(shè)備提供優(yōu)質(zhì)性能。

旋轉(zhuǎn)攝影探測器應(yīng)用HDD磁頭技術(shù)

由于自旋光電探測器兼具無線與有線應(yīng)用能力，且光譜覆蓋范圍廣，其潛在應(yīng)用場景不僅限于生成式人工智能和Beyond 5G/6G領(lǐng)域，更可擴(kuò)展至智能眼鏡、超高速圖像傳感器及光譜樣本分析儀等廣泛前沿設(shè)備。該設(shè)備在宇宙輻射環(huán)境下仍能穩(wěn)定工作的特性，更為技術(shù)創(chuàng)新開辟了全新疆域。

半導(dǎo)體光電探測器和自旋光電探測器的比較

相較傳統(tǒng)半導(dǎo)體光電探測器，自旋光電探測器響應(yīng)速度更快，可探測到包括可見光在內(nèi)的更寬波長范圍的光。

自旋光電探測器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

從半導(dǎo)體到磁性：光電探測器的未來

TDK株式會社技術(shù)?知識產(chǎn)權(quán)本部應(yīng)用產(chǎn)品開發(fā)中心負(fù)責(zé)人柴田哲也先生也對自旋光電探測器的發(fā)展前景作出如下評價(jià)："這款自旋光電探測器是一項(xiàng)顛覆性的技術(shù)突破，它摒棄了傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料，轉(zhuǎn)而基于磁學(xué)原理構(gòu)建全新的工作機(jī)制。我們徹底顛覆了行業(yè)傳統(tǒng)認(rèn)知。在當(dāng)前全球半導(dǎo)體短缺的背景下，這項(xiàng)技術(shù)甚至有望緩解供應(yīng)鏈壓力。由于采用了TDK在HDD磁頭領(lǐng)域積累的晶圓工藝技術(shù)，我們已經(jīng)具備了完整的量產(chǎn)基礎(chǔ)，這將使我們能夠快速響應(yīng)客戶需求。"

作為TDK聯(lián)合研究合作伙伴的日本大學(xué)塚本新教授對此發(fā)表了專業(yè)見解："從科學(xué)原理到技術(shù)應(yīng)用，自旋光電探測器都展現(xiàn)出非凡潛力。其核心技術(shù)根基在于磁性起源的固體內(nèi)部電子所具有的'自旋'特性，通過磁隧道結(jié)(MTJ)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了光信號的超快響應(yīng)與電轉(zhuǎn)換。這種基于光、磁、電三重相互作用的新型光電轉(zhuǎn)換設(shè)備，必將開創(chuàng)技術(shù)新范式，推動突破性創(chuàng)新。"

TDK將通過提供自旋光電探測器，持續(xù)賦能下一代光通信技術(shù)，加速Beyond 5G/6G、生成式人工智能及數(shù)字化轉(zhuǎn)型的進(jìn)程。

自旋光電探測器

自旋光電探測器是全球首款基于磁性設(shè)備的高速光探測元件。

術(shù)語

GPU：圖形處理單元(Graphics Processing Unit)的縮寫。最初為圖像處理和計(jì)算機(jī)圖形加速而設(shè)計(jì)的專用電子電路。

光纖：由玻璃或塑料制成的光傳輸路徑，輕量化、抗電磁干擾，支持長距離高速信號傳輸。

光電探測器：也稱為光電二極管。

MTJ：磁隧道結(jié)的縮寫。一種利用隧道磁阻(TMR)效應(yīng)的元件。

PIC：光子集成電路(Photonic Integrated Circuit)的縮寫，同時(shí)利用光與電進(jìn)行信號傳輸。