在生成式人工智能、數據中心及Beyond 5G/6G等前沿領域，高速光通信與互連技術的需求正呈現爆發式增長。面對光設備領域的技術革新需求，TDK與日本大學聯合研發的"自旋光電探測器"取得重大突破——這是全球首款基于磁性設備的高速光探測元件。這項顛覆性技術與傳統半導體光電探測器截然不同，基本擺脫了對半導體材料的依賴。在光通信與互連技術將發揮關鍵作用的生成式人工智能及Beyond 5G/6G時代，該技術有望成為核心賦能引擎。

生成式人工智能與Beyond 5G/6G時代的光通信技術挑戰

自2022年ChatGPT掀起浪潮以來，生成式人工智能(能夠自主生成文本、圖像和音頻的AI技術統稱)的發展勢不可擋。科技巨頭與初創企業競相投入生成式AI工具的研發，引發全球創新競賽，并推動該技術在社會各領域的快速普及。

這場技術變革的核心在于光通信(包括無線與有線)的進步。目前，生成式人工智能主要依賴圖形處理器(GPU 1 )運行，而GPU最初是為高性能圖像處理設計的專用處理器。為高速連接龐大的GPU網絡，高性能光通信變得不可或缺，傳統電氣布線方式亟待革新。

光通信對Beyond 5G/6G(下一代通信標準)同樣至關重要。自20世紀80年代起，光纖傳輸技術2已實現大規模應用，并經歷了顯著升級，支持超高速、大容量通信。如今，單根光纖的實際數據傳輸速率可達10至20Tbps。然而，6G時代需要單根光纖超過100 Tbps的速度，只有通過進一步的技術突破才能實現。

在無線通信領域，傳統技術依賴厘米波和毫米波等無線電波。而光信號理論上可實現超過1 Tbps的超大容量、低延時通信，在數據密集型應用中取得巨大進步，例如在使用生成式人工智能時將個人設備與數據中心連接，并為支持人工智能的智能眼鏡供電。因此，無論有線還是無線光通信，都需持續推進技術創新。

光集成電路市場展望

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

利用光處理和傳輸信號的光集成電路的市場規模，預計到2035年將達到545億美元。

隨著光通信技術的進步，光電探測器 3 (通過將光信號轉換為電信號實現光探測的基礎設備)備受關注。作為光通信接收端的核心設備，光電探測器需在極緊湊的結構中快速、精準地完成光電轉換。然而，基于傳統半導體二極管的光電探測器存在固有矛盾：提高速度需縮小設備尺寸，但會犧牲靈敏度。

此外，傳統半導體光電探測器對短波長光的靈敏度顯著下降。雖然在紅外波段(1300至1600 nm)表現良好，但在可見光范圍(400至700 nm)性能大幅下降。這意味著通過縮小設備尺寸提高速度的方法在可見光領域難以實現。受限于此類物理特性，短波長光的高速通信與互連技術長期停滯。

更嚴峻的是，半導體二極管探測器需依賴單晶襯底，這嚴重限制了其系統集成靈活性。從工程角度看，這阻礙了共封裝光學(CPO)等緊湊型光通信和互聯的發展，而CPO正是光電轉換技術崛起的關鍵。

自旋光電探測器：基于磁性元件的全新光探測技術

為應對上述挑戰，TDK開發了自旋光電探測器。這款變革性的產品利用磁性元件(而非傳統半導體)實現了超高速光傳感。其核心技術磁隧道結(MTJ 4 )源自TDK在HDD磁頭與TMR磁性傳感器領域的積累，支持從紅外到可見光的寬光譜超高速探測——這是半導體技術難以企及的突破。

另一顯著優勢是其緊湊尺寸與多場景集成能力。不同于需襯底的傳統半導體探測器，自旋光電探測器可直接集成于光集成電路(PIC 5 )或多種襯底上，為需要超高速探測的光設備提供優質性能。

旋轉攝影探測器應用HDD磁頭技術

由于自旋光電探測器兼具無線與有線應用能力，且光譜覆蓋范圍廣，其潛在應用場景不僅限于生成式人工智能和Beyond 5G/6G領域，更可擴展至智能眼鏡、超高速圖像傳感器及光譜樣本分析儀等廣泛前沿設備。該設備在宇宙輻射環境下仍能穩定工作的特性，更為技術創新開辟了全新疆域。

半導體光電探測器和自旋光電探測器的比較

相較傳統半導體光電探測器，自旋光電探測器響應速度更快，可探測到包括可見光在內的更寬波長范圍的光。

自旋光電探測器的內部結構

從半導體到磁性：光電探測器的未來

TDK株式會社技術?知識產權本部應用產品開發中心負責人柴田哲也先生也對自旋光電探測器的發展前景作出如下評價："這款自旋光電探測器是一項顛覆性的技術突破，它摒棄了傳統半導體材料，轉而基于磁學原理構建全新的工作機制。我們徹底顛覆了行業傳統認知。在當前全球半導體短缺的背景下，這項技術甚至有望緩解供應鏈壓力。由于采用了TDK在HDD磁頭領域積累的晶圓工藝技術，我們已經具備了完整的量產基礎，這將使我們能夠快速響應客戶需求。"

作為TDK聯合研究合作伙伴的日本大學塚本新教授對此發表了專業見解："從科學原理到技術應用，自旋光電探測器都展現出非凡潛力。其核心技術根基在于磁性起源的固體內部電子所具有的'自旋'特性，通過磁隧道結(MTJ)結構實現了光信號的超快響應與電轉換。這種基于光、磁、電三重相互作用的新型光電轉換設備，必將開創技術新范式，推動突破性創新。"

TDK將通過提供自旋光電探測器，持續賦能下一代光通信技術，加速Beyond 5G/6G、生成式人工智能及數字化轉型的進程。

自旋光電探測器

自旋光電探測器是全球首款基于磁性設備的高速光探測元件。

術語

GPU：圖形處理單元(Graphics Processing Unit)的縮寫。最初為圖像處理和計算機圖形加速而設計的專用電子電路。

光纖：由玻璃或塑料制成的光傳輸路徑，輕量化、抗電磁干擾，支持長距離高速信號傳輸。

光電探測器：也稱為光電二極管。

MTJ：磁隧道結的縮寫。一種利用隧道磁阻(TMR)效應的元件。

PIC：光子集成電路(Photonic Integrated Circuit)的縮寫，同時利用光與電進行信號傳輸。