Imec presenta un fotodiodo de avalancha de Ge/Si de 100 GHz (APD), que permite una recepción de datos neta de 400 Gbit/s con solo 5 V

Figura 1: Fotodiodo de avalancha Ge/Si, fabricado en la plataforma de fotónica de silicio de 300 mm de imec

– Imec presenta el primer fotodiodo de avalancha (APD) de Ge/Si en el mundo, que combina una ancho de banda de 100 GHz, funcionamiento a baja tensión (5 V) y una sensibilidad de 1,8 A/W tanto en la banda O como en la banda C.
– En combinación con el modulador electroabsorptivo (EAM) de Ge/Si ya presentado por imec para frecuencias superiores a 110 GHz, se ha logrado con este componente realizar la primera conexión óptica con una tasa de transmisión neta de 400 Gbit/s utilizando un APD.
– El componente fabricado en la plataforma de fotónica de silicio de 300 mm de imec sienta las bases para futuras conexiones ópticas de alta velocidad en centros de datos de IA.

Imec – un centro de investigación e innovación líder mundial en tecnologías avanzadas de semiconductores – presentó en la Conferencia Europea de Comunicación Óptica (ECOC) el primer fotodiodo de avalancha (APD) de Ge/Si en el mundo, que combina una ancho de banda de 100 GHz, funcionamiento a baja tensión (5 V) y una sensibilidad de 1,8 A/W tanto en la banda O como en la banda C. La pieza, que permite una mejora de 3 dB en la sensibilidad del receptor, fue utilizada para demostrar la primera conexión óptica con una tasa de transmisión neta de 400 Gbit/s usando un receptor APD. Este avance representa un paso importante hacia conexiones ópticas de próxima generación para centros de datos de IA, donde se deben intercambiar grandes volúmenes de datos con velocidades y eficiencia energética cada vez mayores.

Debido al aumento continuo de las cargas de trabajo de IA, los centros de datos necesitan conexiones ópticas que puedan transmitir enormes cantidades de datos entre racks y servidores blade con baja latencia y tasas de datos crecientes por canal. En respuesta a esta demanda, imec desarrolla componentes clave de la fotónica de silicio, incluyendo moduladores de alta velocidad y fotodetectores, para las conexiones ópticas de próxima generación.

En la ECOC del año pasado, imec demostró un modulador electroabsorptivo (EAM) de Ge/Si en la banda C con una frecuencia superior a 110 GHz, que fortalece la transmisión en el lado de envío de futuras conexiones ópticas de alcance corto y alta escalabilidad. Sin embargo, en el lado de recepción de estas conexiones, el desafío no es menor, ya que los receptores deben mantener una alta sensibilidad y operar a velocidades cada vez mayores. Los fotodiodos de avalancha ofrecen una solución atractiva, ya que su amplificación de señal integrada mejora la sensibilidad del receptor. Hasta ahora, lograr esta amplificación siempre implicaba un compromiso entre ancho de banda, voltaje de operación o ambos.

El primer fotodiodo de avalancha (APD) de Ge/Si en el mundo que combina un ancho de banda de 100 GHz, funcionamiento a baja tensión y una amplificación significativa

“El equipo partió de la arquitectura comprobada SACM-APD (Absorción Separada, Carga y Multiplicación), pero rediseñó fundamentalmente el componente en su núcleo”, explicó Joris Van Campenhout, vicepresidente de Investigación y Desarrollo en Conexiones Ópticas en imec. “Al reducir el grosor de la capa de multiplicación a menos de 100 nm —utilizando una estructura de germanio en silicio altamente profundizada— y eliminar la capa de carga, logramos simultáneamente una ancho de banda de 100 GHz, un funcionamiento a 5 V y una sensibilidad de 1,8 A/W, lo que equivale a aproximadamente el doble de amplificación interna.”

“Otra ventaja es que el componente ofrece un rendimiento comparable en la banda O y en la banda C, lo que proporciona mayor flexibilidad a los arquitectos de sistemas en el desarrollo de futuras conexiones ópticas.”

La primera demostración de una conexión óptica con una tasa de transmisión neta de 400 Gbit/s usando un APD

Para demostrar el potencial de la tecnología a nivel de sistema, imec combinó su APD con el Ge/Si-EAM en la banda C con frecuencias superiores a 110 GHz, que presentó en la ECOC del año pasado. Se usaron conjuntamente estos componentes para demostrar la primera conexión óptica con una tasa de transmisión neta de 400 Gbit/s usando un receptor APD.

Joris Van Campenhout continúa: “Con una mejora de 3 dB en la sensibilidad del receptor, el APD ofrece una reserva adicional de conexión en comparación con un fotodiodo convencional. Dependiendo de los requisitos del sistema, esta reserva puede usarse para reducir la potencia del láser o para compensar mayores pérdidas ópticas. Combinado con su alta ancho de banda y bajo voltaje de operación, esto hace que el componente sea especialmente atractivo para conexiones ópticas escalables de próxima generación.”

De cara al futuro, los investigadores de imec se centrarán en mejorar la fiabilidad del APD en un rango de temperaturas más amplio y bajo diferentes condiciones de potencia de entrada óptica. Los trabajos futuros también abordarán la integración del APD en electrónica de recepción de alta velocidad como parte de soluciones de conexión óptica más completas. Paralelamente, el equipo continuará utilizando la plataforma de fotónica de silicio de 300 mm (iSiPP300) de imec para madurar la tecnología y acelerar la adopción de tecnologías de conexión óptica que ayuden a afrontar los desafíos de ancho de banda y eficiencia energética que enfrentará la infraestructura de IA del futuro.