Исследователи из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне и Университета Нотр-Дам создали микроскопический светодиод, способный передавать информацию с частотой до 2,75 ГГц при энергопотреблении всего 25 мВт. Разработка может удешевить и ускорить оптическую связь между процессорами и серверами в центрах обработки данных.
В основе технологии лежит синий микросветодиод из нитрида галлия (GaN) диаметром всего 5 микрометров. Устройство меняет интенсивность свечения в соответствии с электрическим сигналом, превращая последовательность изменений яркости в цифровые данные. Исследователи добились рекордной полосы оптической модуляции для светодиодов с квантовыми ямами, которые относятся к наиболее распространённым полупроводниковым конструкциям такого типа.
Полоса модуляции 2,75 ГГц показывает, насколько быстро светодиод способен реагировать на изменения входного сигнала, сохраняя достаточную интенсивность излучения. Показатель нельзя напрямую приравнивать к скорости передачи данных в 2,75 Гбит/с. Реальная пропускная способность зависит также от способа кодирования информации, характеристик приёмника, качества сигнала и других компонентов оптического канала.
Разработка решает одну из растущих проблем современной вычислительной инфраструктуры. По мере распространения искусственного интеллекта и увеличения размеров вычислительных кластеров процессоры и ускорители вынуждены постоянно обмениваться огромными объёмами информации. Передача данных между вычислительными узлами, памятью и другими компонентами требует всё больше энергии, а электрические соединения на основе меди ограничивают пропускную способность и создают дополнительное тепло.
Оптическая связь позволяет передавать информацию световыми импульсами и уже применяется в центрах обработки данных. По оценке ведущего автора исследования Абдельгани Абуэльнагги, около 90% коммуникаций внутри таких объектов приходится на расстояния менее 10 метров. Для подобных соединений используют преимущественно лазерные источники, однако генерация и управление лазерным излучением требуют дополнительной энергии и создают тепловую нагрузку.
Светодиоды могут стать более экономичной альтернативой для коротких оптических соединений. В отличие от лазеров, им не требуется сложный механизм генерации когерентного излучения. Кроме того, микроскопические размеры позволяют размещать множество излучателей на небольшой площади. Исследователи предполагают, что двумерные массивы микросветодиодов смогут одновременно передавать несколько независимых потоков данных, формируя параллельные каналы связи.
Чтобы найти оптимальную конструкцию, команда изготовила и испытала светодиоды диаметром от 2 до 100 микрометров. Эксперименты показали, что уменьшение размеров не всегда повышает производительность. У крупных элементов быстродействие ограничивает паразитная электрическая ёмкость перехода. Она препятствует быстрым изменениям тока и, соответственно, интенсивности свечения. При уменьшении диаметра ниже 20 микрометров влияние ёмкости существенно ослабевает.
Однако при дальнейшем уменьшении размеров начинают преобладать другие ограничения. У светодиодов диаметром менее 5 микрометров возрастает сопротивление электрических контактов и распределения тока внутри устройства. Возникающее несогласование с радиочастотными цепями, рассчитанными на сопротивление 50 Ом, ухудшает передачу электрической энергии к излучателю. Поэтому наиболее удачным компромиссом оказался элемент диаметром 5 микрометров.
Исследователи также проверили стабильность и линейность работы светодиода при высокой плотности тока, достигавшей 15 кА/см². Линейность особенно важна для передачи информации, поскольку позволяет точнее связывать изменения электрического сигнала с интенсивностью света и уменьшать искажения при кодировании данных.
Результаты показывают, что микросветодиоды могут стать основой компактных оптических передатчиков, которые проще объединять с полупроводниковыми компонентами. Однако лабораторный рекорд пока не означает готовности технологии к замене существующих оптических интерфейсов. Учёным предстоит создать полноценные системы с приёмниками, управляющей электроникой и массивами излучателей, а затем сравнить их энергопотребление и пропускную способность с коммерческими решениями.
Следующим направлением работы станет совершенствование электрических контактов и конструкции контактных площадок. Инженеры рассчитывают уменьшить сопротивление при сохранении высокой скорости переключения. Потребуется также проверить долговременную стабильность элементов и оценить стоимость массового производства. Преимущество микросветодиодов будет зависеть не только от характеристик отдельного излучателя, но и от энергозатрат всей системы, включая передатчики, приёмники и схемы управления.
Исследование выполнили специалисты под руководством профессора Кана Байрама из Иллинойсского университета совместно с коллегами из Университета Нотр-Дам. Результаты опубликованы 21 октября 2026 года в журнале IEEE Electron Device Letters в научной работе «Scaling of GaN Micro-LEDs with a 2.75 GHz Bandwidth for High-Speed Optical Links».
