Imec stellt eine 100-GHz-Ge/Si-Avalanche-Photodiode (APD) vor, die einen Netto-Datenempfang von 400 Gbit/s bei nur 5 V ermöglicht

Abbildung 1: Ge/Si-Avalanche-Fotodiode, gefertigt auf der 300-mm-Siliziumphotonik-Plattform von imec

– Imec präsentiert die weltweit erste GE/Si-Avalanche-Fotodiode (APD), die eine Bandbreite von 100 GHz, Niederspannungsbetrieb (5 V) und eine Empfindlichkeit von 1,8 A/W sowohl im O- als auch im C-Band vereint.
– In Kombination mit dem von imec bereits vorgestellten Ge/Si-Elektroabsorptionsmodulator (EAM) für Frequenzen jenseits von 110 GHz ist es mit diesem Bauelement gelungen, die erste optische Verbindung mit einer Nettoübertragungsrate von 400 Gbit/s unter Verwendung einer APD zu realisieren.
– Das auf der 300-mm-Siliziumphotonik-Plattform von imec gefertigte Bauteil bildet die Grundlage für zukünftige optische Hochgeschwindigkeitsverbindungen in KI-Rechenzentren.

Imec – ein weltweit führendes Forschungs- und Innovationszentrum für fortschrittliche Halbleitertechnologien – stellte auf der Europäischen Konferenz für Optische Kommunikation (ECOC) die weltweit erste Avalanche-Photodiode (APD) auf Ge/Si-Basis vor, die eine Bandbreite von 100 GHz, einen Niederspannungsbetrieb (5 V) und eine Empfindlichkeit von 1,8 A/W sowohl im O- als auch im C-Band vereint. Das Bauteil, das eine Verbesserung der Empfängerempfindlichkeit um 3 dB ermöglicht, wurde eingesetzt, um die erste optische Verbindung mit einer Nettoübertragungsrate von 400 Gbit/s unter Verwendung eines APD-Empfängers zu demonstrieren. Dieser Durchbruch stellt einen wichtigen Schritt in Richtung optischer Verbindungen der nächsten Generation für KI-Rechenzentren dar, in denen riesige Datenmengen mit immer höherer Geschwindigkeit und Energieeffizienz ausgetauscht werden müssen.

Da KI-Workloads weiter zunehmen, benötigen Rechenzentren optische Verbindungen, die riesige Datenmengen zwischen Racks und Blade-Servern mit geringer Latenz und steigenden Datenraten pro Kanal übertragen können. Imec reagiert durch die Entwicklung wichtiger Bausteine der Siliziumphotonik, darunter Hochgeschwindigkeitsmodulatoren und Fotodetektoren, für optische Verbindungen der nächsten Generation, auf diesen Bedarf.

Auf der ECOC im vergangenen Jahr demonstrierte imec einen Ge/Si-Elektroabsorptionsmodulator (EAM) im C-Band mit einer Frequenz von über 110 GHz, der die Sendeseite zukünftiger optischer Verbindungen mit kurzer Reichweite und hoher Skalierbarkeit stärkt. Auf der Empfangsseite dieser Verbindungen ist die Herausforderung jedoch nicht weniger anspruchsvoll, da Empfänger gleichzeitig eine hohe Empfindlichkeit aufrechterhalten und bei immer höheren Bandbreiten arbeiten müssen. Avalanche-Fotodioden bieten eine attraktive Lösung, da ihre integrierte Signalverstärkung die Empfängerempfindlichkeit verbessert. Bislang ging das Erreichen dieser Verstärkung jedoch auf Kosten der Bandbreite, höherer Betriebsspannungen oder beidem.

Die weltweit erste Ge/Si-APD, die eine Bandbreite von 100 GHz, Niederspannungsbetrieb und eine nennenswerte Verstärkung vereint

„Das Team ging von der bewährten SACM-APD-Architektur (Separate Absorption, Charge and Multiplication) aus, hat das Bauelement jedoch in seinem Kern grundlegend neu konzipiert“, erklärte Joris Van Campenhout, Vizepräsident für Forschung und Entwicklung im Bereich Optische Verbindungen bei imec. „Durch die Reduzierung der Multiplikationsschichtbreite auf unter 100 nm – unter Nutzung einer stark vertieften Germanium-in-Silizium-Struktur – und der Eliminierung der Ladungsschicht konnten wir gleichzeitig eine Bandbreite von 100 GHz, einen 5-V-Betrieb und eine Empfindlichkeit von 1,8 A/W erreichen, was einer etwa zweifachen internen Verstärkung entspricht.“

„Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Bauelement sowohl im O-Band als auch im C-Band eine vergleichbare Leistung erbringt, was Systemarchitekten bei der Entwicklung zukünftiger optischer Verbindungen mehr Flexibilität verschafft.“

Der erste Nachweis einer optischen Verbindung mit einer Nettoübertragungsrate von 400 Gbit/s unter Verwendung einer APD

Um das Potenzial der Technologie auf Systemebene zu demonstrieren, kombinierte imec seine APD mit dem Ge/Si-EAM im C-Band mit Frequenzen über 110 GHz, den das Unternehmen auf der ECOC im vergangenen Jahr vorgestellt hatte. Gemeinsam wurden die Bauelemente eingesetzt, um die erste optische Verbindung mit einer Netto-Übertragungsrate von 400 Gbit/s unter Verwendung einer APD zu demonstrieren.

Joris Van Campenhout fährt fort: „Mit einer Verbesserung der Empfängerempfindlichkeit um 3 dB bietet die APD im Vergleich zu einer herkömmlichen Fotodiode eine zusätzliche Verbindungsreserve. Je nach Systemanforderungen kann diese Reserve entweder zur Reduzierung des Laserleistungsbedarfs oder zur Kompensation höherer optischer Verluste genutzt werden. In Kombination mit seiner hohen Bandbreite und der niedrigen Betriebsspannung macht dies das Bauelement besonders attraktiv für zukünftige, skalierbare optische Verbindungen.“

Mit Blick auf die Zukunft werden sich die Forscher von imec darauf konzentrieren, die Zuverlässigkeit der APD über einen breiteren Temperaturbereich und unter verschiedenen Bedingungen der optischen Eingangsleistung weiter zu verbessern. Zukünftige Arbeiten werden sich zudem mit der Integration der APD in Hochgeschwindigkeits-Empfängerelektronik als Teil umfassenderer optischer Verbindungslösungen befassen. Parallel dazu wird das Team weiterhin die 300-mm-Siliziumphotonik-Plattform (iSiPP300) von imec nutzen, um die Technologie ausgereift zu machen und die Einführung optischer Verbindungstechnologien zu beschleunigen, die dazu beitragen, die Herausforderungen hinsichtlich Bandbreite und Energieeffizienz zu bewältigen, denen sich die zukünftige KI-Infrastruktur gegenübersieht.