TDK自旋光电探测器推动光探测技术变革

在生成式人工智能、数据中心及Beyond 5G/6G等前沿领域，高速光通信与互连技术的需求正呈现爆发式增长。面对光设备领域的技术革新需求，TDK与日本大学联合研发的"自旋光电探测器"取得重大突破——这是全球首款基于磁性设备的高速光探测元件。这项颠覆性技术与传统半导体光电探测器截然不同，基本摆脱了对半导体材料的依赖。在光通信与互连技术将发挥关键作用的生成式人工智能及Beyond 5G/6G时代，该技术有望成为核心赋能引擎。

生成式人工智能与Beyond 5G/6G时代的光通信技术挑战

自2022年ChatGPT掀起浪潮以来，生成式人工智能(能够自主生成文本、图像和音频的AI技术统称)的发展势不可挡。科技巨头与初创企业竞相投入生成式AI工具的研发，引发全球创新竞赛，并推动该技术在社会各领域的快速普及。

这场技术变革的核心在于光通信(包括无线与有线)的进步。目前，生成式人工智能主要依赖图形处理器(GPU 1 )运行，而GPU最初是为高性能图像处理设计的专用处理器。为高速连接庞大的GPU网络，高性能光通信变得不可或缺，传统电气布线方式亟待革新。

光通信对Beyond 5G/6G(下一代通信标准)同样至关重要。自20世纪80年代起，光纤传输技术2已实现大规模应用，并经历了显著升级，支持超高速、大容量通信。如今，单根光纤的实际数据传输速率可达10至20Tbps。然而，6G时代需要单根光纤超过100 Tbps的速度，只有通过进一步的技术突破才能实现。

在无线通信领域，传统技术依赖厘米波和毫米波等无线电波。而光信号理论上可实现超过1 Tbps的超大容量、低延时通信，在数据密集型应用中取得巨大进步，例如在使用生成式人工智能时将个人设备与数据中心连接，并为支持人工智能的智能眼镜供电。因此，无论有线还是无线光通信，都需持续推进技术创新。

光集成电路市场展望

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

利用光处理和传输信号的光集成电路的市场规模，预计到2035年将达到545亿美元。

随着光通信技术的进步，光电探测器 3 (通过将光信号转换为电信号实现光探测的基础设备)备受关注。作为光通信接收端的核心设备，光电探测器需在极紧凑的结构中快速、精准地完成光电转换。然而，基于传统半导体二极管的光电探测器存在固有矛盾：提高速度需缩小设备尺寸，但会牺牲灵敏度。

此外，传统半导体光电探测器对短波长光的灵敏度显著下降。虽然在红外波段(1300至1600 nm)表现良好，但在可见光范围(400至700 nm)性能大幅下降。这意味着通过缩小设备尺寸提高速度的方法在可见光领域难以实现。受限于此类物理特性，短波长光的高速通信与互连技术长期停滞。

更严峻的是，半导体二极管探测器需依赖单晶衬底，这严重限制了其系统集成灵活性。从工程角度看，这阻碍了共封装光学(CPO)等紧凑型光通信和互联的发展，而CPO正是光电转换技术崛起的关键。

自旋光电探测器：基于磁性元件的全新光探测技术

为应对上述挑战，TDK开发了自旋光电探测器。这款变革性的产品利用磁性元件(而非传统半导体)实现了超高速光传感。其核心技术磁隧道结(MTJ 4 )源自TDK在HDD磁头与TMR磁性传感器领域的积累，支持从红外到可见光的宽光谱超高速探测——这是半导体技术难以企及的突破。

另一显著优势是其紧凑尺寸与多场景集成能力。不同于需衬底的传统半导体探测器，自旋光电探测器可直接集成于光集成电路(PIC 5 )或多种衬底上，为需要超高速探测的光设备提供优质性能。

旋转摄影探测器应用HDD磁头技术

由于自旋光电探测器兼具无线与有线应用能力，且光谱覆盖范围广，其潜在应用场景不仅限于生成式人工智能和Beyond 5G/6G领域，更可扩展至智能眼镜、超高速图像传感器及光谱样本分析仪等广泛前沿设备。该设备在宇宙辐射环境下仍能稳定工作的特性，更为技术创新开辟了全新疆域。

半导体光电探测器和自旋光电探测器的比较

相较传统半导体光电探测器，自旋光电探测器响应速度更快，可探测到包括可见光在内的更宽波长范围的光。

自旋光电探测器的内部结构

从半导体到磁性：光电探测器的未来

TDK株式会社技术?知识产权本部应用产品开发中心负责人柴田哲也先生也对自旋光电探测器的发展前景作出如下评价："这款自旋光电探测器是一项颠覆性的技术突破，它摒弃了传统半导体材料，转而基于磁学原理构建全新的工作机制。我们彻底颠覆了行业传统认知。在当前全球半导体短缺的背景下，这项技术甚至有望缓解供应链压力。由于采用了TDK在HDD磁头领域积累的晶圆工艺技术，我们已经具备了完整的量产基础，这将使我们能够快速响应客户需求。"

作为TDK联合研究合作伙伴的日本大学塚本新教授对此发表了专业见解："从科学原理到技术应用，自旋光电探测器都展现出非凡潜力。其核心技术根基在于磁性起源的固体内部电子所具有的'自旋'特性，通过磁隧道结(MTJ)结构实现了光信号的超快响应与电转换。这种基于光、磁、电三重相互作用的新型光电转换设备，必将开创技术新范式，推动突破性创新。"

TDK将通过提供自旋光电探测器，持续赋能下一代光通信技术，加速Beyond 5G/6G、生成式人工智能及数字化转型的进程。

自旋光电探测器

自旋光电探测器是全球首款基于磁性设备的高速光探测元件。

术语

GPU：图形处理单元(Graphics Processing Unit)的缩写。最初为图像处理和计算机图形加速而设计的专用电子电路。

光纤：由玻璃或塑料制成的光传输路径，轻量化、抗电磁干扰，支持长距离高速信号传输。

光电探测器：也称为光电二极管。

MTJ：磁隧道结的缩写。一种利用隧道磁阻(TMR)效应的元件。

PIC：光子集成电路(Photonic Integrated Circuit)的缩写，同时利用光与电进行信号传输。