Imec představuje 100 GHz Ge/Si avalanche photodiodu (APD), která umožňuje čistou přenosovou rychlost 400 Gbit/s při pouhých 5 V

Obrázek 1: Ge/Si avalanche fotodioda, vyrobená na 300mm platformě silikonové fotoniky od imec

– Imec představilo nejrychlejší na světě GE/Si-avalanchovou fotodiodu (APD), která kombinuje šířku pásma 100 GHz, nízkonapěťový provoz (5 V) a citlivost 1,8 A/W jak v O, tak v C pásmu.
– Ve spojení s již představeným elektroabsorpčním modulátorem (EAM) na Ge/Si pro frekvence přesahující 110 GHz se tímto prvkem podařilo realizovat první optické spojení s čistou přenosovou rychlostí 400 Gbit/s pomocí APD.
– Čip vyrobený na 300mm platformě silikonové fotoniky od imec tvoří základ pro budoucí optická vysokorychlostní spojení v AI datových centrech.

Imec – globálně přední výzkumné a inovační centrum pro pokročilé polovodičové technologie – představil na Evropské konferenci o optické komunikaci (ECOC) nejrychlejší na světě avalanche fotodiodu (APD) na bázi Ge/Si, která kombinuje šířku pásma 100 GHz, nízkonapěťový provoz (5 V) a citlivost 1,8 A/W jak v O, tak v C pásmu. Tento prvek, který umožňuje zlepšení citlivosti přijímače o 3 dB, byl použit k demonstraci prvního optického spojení s čistou přenosovou rychlostí 400 Gbit/s pomocí APD přijímače. Tento průlom představuje důležitý krok směrem k optickým spojům příští generace pro AI datová centra, kde je třeba přenášet obrovské objemy dat s stále vyšší rychlostí a energetickou účinností.

Jak se zatížení AI úlohami dále zvyšuje, datová centra potřebují optická spojení, která dokážou přenášet obrovské objemy dat mezi skříněmi a blade servery s nízkou latencí a rostoucí přenosovou rychlostí na kanál. Imec reaguje vývojem klíčových komponentů silikonové fotoniky, včetně vysokorychlostních modulátorů a fotodetektorů, pro optická spojení příští generace.

Na ECOC minulý rok demonstrovalo imec elektroabsorpční modulátor (EAM) na Ge/Si v C pásmu s frekvencí přes 110 GHz, který posiluje vysílací stranu budoucích optických spojení s krátkým dosahem a vysokou škálovatelností. Na přijímací straně těchto spojení však výzvy nejsou méně náročné, protože přijímače musí současně udržovat vysokou citlivost a pracovat při stále vyšších šířkách pásma. Avalanche fotodioda nabízí atraktivní řešení, protože její integrované zesílení signálu zlepšuje citlivost přijímače. Dosud však dosažení tohoto zesílení často znamenalo kompromis v šířce pásma, vyšším provozním napětí nebo obojím.

První na světě Ge/Si-APD, která kombinuje šířku pásma 100 GHz, nízkonapěťový provoz a významné zesílení

„Tým vycházel z osvědčené architektury SACM-APD (Separate Absorption, Charge and Multiplication), avšak základně přepracoval její jádro,“ vysvětlil Joris Van Campenhout, viceprezident pro výzkum a vývoj v oblasti optických spojení ve společnosti imec. „Zmenšením šířky zesilovací vrstvy na méně než 100 nm – využitím silně zanořené germanium-in-silicon struktury – a eliminací náboje vrstvy jsme současně dosáhli šířky pásma 100 GHz, provozu při 5 V a citlivosti 1,8 A/W, což odpovídá přibližně dvojnásobnému internímu zesílení.“

„Další výhodou je, že prvek poskytuje srovnatelný výkon jak v O, tak v C pásmu, což systémovým architektům poskytuje větší flexibilitu při vývoji budoucích optických spojení.“

První důkaz optického spojení s čistou přenosovou rychlostí 400 Gbit/s pomocí APD

Aby demonstrovalo potenciál technologie na úrovni systému, spojilo imec svůj APD s Ge/Si EAM v C pásmu s frekvencemi přes 110 GHz, které společnost představila na ECOC minulý rok. Společně byly tyto komponenty použity k demonstraci prvního optického spojení s čistou přenosovou rychlostí 400 Gbit/s pomocí APD.

Joris Van Campenhout pokračuje: „S vylepšením citlivosti přijímače o 3 dB nabízí APD oproti běžné fotodiodě dodatečnou rezervu spojení. Podle požadavků systému může být tato rezerva využita buď ke snížení výkonu laseru, nebo k kompenzaci vyšších optických ztrát. Ve spojení s vysokou šířkou pásma a nízkým provozním napětím činí tento prvek obzvlášť atraktivním pro budoucí škálovatelná optická spojení.“

V budoucnu se výzkumníci z imec zaměří na další zlepšení spolehlivosti APD v širším teplotním rozsahu a za různých podmínek optického vstupního výkonu. Další práce budou směřovat k integraci APD do vysokorychlostní přijímací elektroniky jako součást komplexnějších řešení optických spojení. Současně bude tým nadále využívat platformu 300mm silikonové fotoniky (iSiPP300) od imec k zajištění technologického dozrání a urychlení zavádění optických spojovacích technologií, které pomohou řešit výzvy v oblasti šířky pásma a energetické účinnosti, jimž čelí budoucí infrastruktura AI.