TDK展示世界首臺可為下一代AI提供10倍數據處理速度的“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，速度比傳統的半導體光電探測器快10 倍

●   由TDK構思與開發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，有望提高數據處理速度并減少能耗，而這對進一步實現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）數據傳輸和數據處理速度的同時降低能耗。

以更高的速度、更低的能耗實現海量數據傳輸，是人工智能技術演進的必由之路。為了進行數據處理和計算，需要通過電信號在CPU/GPU芯片之間進行數據傳輸以及將數據傳輸出/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，TDK將其目前應用于數十億個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象測量領域的研究先驅日本大學聯手，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勢，這款自旋光電探測器對未來預計將不斷發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：增強現實

●   VR：虛擬現實

主要應用

●   面向數據中心和生成式AI應用的光通信、光互連用光電探測器

●   AR/VR用光電探測器

主要特點與優勢

●   利用磁隧道結（MTJ）元件（屬于磁性元件）實現光探測，而傳統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

●   可應用于數據中心、面向生成式AI應用的光通信和光互連、以及和AR/VR等領域