创纪录！2.75GHz氮化镓微LED问世，面向低功耗数据中心

伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校格兰杰工程学院与圣母大学合作，刷新了量子阱LED的光开关速度世界纪录。这款氮化镓微型LED器件的光调制带宽达2.75吉赫兹，功耗仅25毫瓦。该器件经过设计优化，可为数据中心的通信链路带来更高的速率与能效。

研究团队在《IEEE电子器件快报》上发表论文称，这项成果来自大量理论建模与实测验证工作，为面向光通信的LED器件小型化指明了技术路线。

这款打破纪录的器件，优化尺寸为5微米。团队希望，该设计在速率与能效上能够大幅优于传统有线互连方案，甚至超越短距离通信中基于激光器的光链路。论文第一作者、伊利诺伊大学格兰杰工程学院研究生Abdelghany Abouelnagga表示：“数据中心内90% 的通信都属于短距离传输，传输距离不到10米（33英尺）。这类高频通信通常采用激光器，但激光器功耗很高。如果我们想要控制数据中心的能耗，就需要考虑LED这类低功耗光通信方案，而我们的研究给出了可行路径。”

该研究由伊利诺伊大学格兰杰工程学院电气与计算机工程系教授Can Bayram、Peter Dragic、Milton Feng，以及圣母大学电气工程教授Patrick Fay的课题组共同完成。

速率、尺寸与功耗的平衡

想要提升数据中心的运行速度，就需要采用依靠光脉冲传输信号的光通信链路。和铜线不同，光链路可以在很高的速率、频率下传输信号，且信号衰减很小。想要在保证传输精度的前提下实现高频通信，就必须使用可控性良好的光源。

在此之前，这类场景只能选用激光器，但激光器功耗大、发热高。LED是另一类可控光源，可以作为替代方案。为打造适配数据中心、同时具备高速特性的器件，研究人员系统研究了光调制带宽（衡量微型LED在光强衰减前开关响应快慢的指标）和功耗随器件尺寸变化的规律。

Abouelnagga说：“我们把微型LED的直径从100微米逐步缩小至2微米，这种深度尺寸缩减此前从未实现。我们发现，和普遍认知不同，器件尺寸并非越小越好。本次研究给出一套开发思路，用于系统权衡尺寸、带宽与功耗，最终证明5微米规格的器件综合性能最优。”

为制备这款经过优化的微型LED，研究人员需要精准掌握材料缺陷，这类缺陷会引发器件性能中的寄生效应。Abouelnagga提到，团队需要提前对材料特性和电学特性开展精细建模，以此得到最优设计方案。

低功耗下实现吉赫兹级性能

该器件创下量子阱LED的性能纪录，量子阱也是行业主流的LED结构。部分非标准LED结构虽然可以工作在更高频率，但输出光信号不稳定、光强偏低。研究团队认为，这款5微米量子阱结构更适合数据中心场景：不仅光功率和带宽表现优秀，还具备极低功耗，同时材料平台易于规模化量产。

Abouelnagga表示：“直观对比速率和能效：这款微型LED可以对吉赫兹级电信号做出响应，速度和计算机处理器相当，但功耗仅25毫瓦。”

“当然，处理器和光发射器件功能不同，但这个对比能够体现：这个微型光源可以在低功耗条件下实现高速响应。5微米的直径也方便把大量发光单元集成到紧凑的二维阵列里，每个单元独立传输一路数据。”