工程師們設計出用於下一代通信的激光驅動半導體開關

勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的工程師們設計了一種新型的激光驅動半導體開關，理論上可以在更高的電壓下實現比現有光導器件更高的速度。 據研究小組稱，這種裝置的開發可以使下一代衞星通信系統能夠以更快的速度和更遠的距離傳輸更多數據。

LLNL和伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校（UIUC）的科學家們在發表在IEEE電子器件協會雜誌上的一篇論文中報告了這種新型光電導裝置的設計和模擬。該裝置利用高功率激光器在極端電場下，可以從基礎材料氮化鎵中產生電子電荷雲。

與普通半導體不同的是，電子在應用電場增加時移動得更快，氮化鎵表現出一種被稱為負差動性的現象，即生成的電子雲並不分散，而是在電子雲的前端才變慢了。研究人員説，這使得該設備在暴露於電磁輻射時，能夠在接近一太赫茲的頻率下產生極快的脈衝和高電壓信號。

“這個項目的目標是建立一個比現有技術強大得多的裝置，但也能在非常高的頻率下工作，“LLNL工程師和項目主要研究人員Lars Voss説。“它以一種獨特的模式工作，輸出脈衝實際上可以比激光器的輸入脈衝在時間上更短--幾乎像一個壓縮裝置。你可以將光學輸入壓縮成電輸出，所以它讓你有可能產生極高速和極高功率的無線電頻率波形。“如果論文中建模的光電導開關能夠實現，它可以被小型化並納入衞星，以實現5G頻率以外的通信系統，有可能以更快的速度和更遠的距離傳輸更多數據。

Voss補充説，大功率和高頻率技術是固態設備尚未取代真空管的最後一個領域。它們能夠在超過300千兆赫（GHz）的頻率下工作，同時提供一瓦或更高的輸出功率的新的緊湊型半導體技術在此類應用中需求量很大，雖然一些高電子遷移率晶體管可以達到高於300GHz的頻率，但它們的能量輸出通常是有限的。

“這種新開關的建模和模擬將為實驗提供指導，降低測試結構的成本，通過防止試錯來提高實驗室測試的週轉率和成功率，並能夠正確解釋實驗數據，“主要作者Shaloo Rakheja説，他是電子和計算機工程系的助理教授和UIUC的Holonyak微觀和納米技術實驗室的常駐教員。

研究人員正在LLNL建造這些開關，並正在探索其他材料，如砷化鎵，以優化性能。“與氮化鎵相比，砷化鎵在較低的電場下表現出負的差動性，所以它是一個很好的模型，可以通過更多的測試來了解該效應的權衡，“LLNL博士後研究員和共同作者Karen Dowling説。