Imec présente une photodiode avalanche en gé/Si de 100 GHz (APD), capable de recevoir un débit net de 400 Gbit/s avec seulement 5 V

Figure 1 : Photodiode avalanche Ge/Si, fabriquée sur la plateforme photonique en silicium de 300 mm d'imec

– Imec présente la première photodiode à avalanche (APD) en Ge/Si au monde, combinant une bande passante de 100 GHz, une alimentation en basse tension (5 V) et une sensibilité de 1,8 A/W à la fois dans la bande O et la bande C.
– En combinaison avec le modulateur électroabsorption (EAM) en Ge/Si déjà présenté par imec pour des fréquences supérieures à 110 GHz, cette composante a permis de réaliser la première liaison optique avec un débit net de 400 Gbit/s en utilisant une APD.
– La pièce fabriquée sur la plateforme photonique en silicium de 300 mm d’imec constitue la base pour les futures connexions optiques à haute vitesse dans les centres de données d’IA.

Imec – un centre mondial de recherche et d’innovation pour les technologies avancées de semi-conducteurs – a présenté lors de la Conférence européenne sur la communication optique (ECOC) la première photodiode à avalanche (APD) en Ge/Si au monde, qui combine une bande passante de 100 GHz, une alimentation en basse tension (5 V) et une sensibilité de 1,8 A/W à la fois dans la bande O et la bande C. Ce composant, qui permet une amélioration de 3 dB de la sensibilité du récepteur, a été utilisé pour démontrer la première liaison optique avec un débit net de 400 Gbit/s utilisant un récepteur à APD. Cette avancée constitue une étape importante vers la prochaine génération de connexions optiques pour les centres de données d’IA, où d’énormes volumes de données doivent être échangés à des vitesses et une efficacité énergétique toujours accrues.

Alors que la charge de travail en IA continue de croître, les centres de données ont besoin de connexions optiques capables de transmettre d’énormes quantités de données entre racks et serveurs blade avec une faible latence et des débits par canal en augmentation. Imec répond à ce besoin par le développement de composants clés de la photonique en silicium, notamment des modulateurs à haute vitesse et des photodétecteurs, pour les connexions optiques de prochaine génération.

Lors de l’ECOC l’année dernière, imec a démontré un modulateur électroabsorption (EAM) en Ge/Si dans la bande C avec une fréquence supérieure à 110 GHz, renforçant ainsi la partie émission des futures connexions optiques à courte portée et à haute scalabilité. Sur le côté réception de ces connexions, le défi est toutefois tout aussi exigeant, car les récepteurs doivent maintenir une haute sensibilité tout en fonctionnant à des débits toujours plus élevés. Les photodiodes à avalanche offrent une solution attrayante, car leur amplification intégrée du signal améliore la sensibilité du récepteur. Jusqu’à présent, atteindre cette amplification se faisait souvent au prix de la bande passante, de tensions de fonctionnement plus élevées ou des deux.

La première photodiode à avalanche (APD) en Ge/Si au monde combinant une bande passante de 100 GHz, une alimentation en basse tension et une amplification notable

« L’équipe s’est basée sur l’architecture éprouvée SACM (Absorption séparée, Charge et Multiplication) pour la APD, mais a repensé fondamentalement le composant dans son noyau », explique Joris Van Campenhout, vice-président de la recherche et du développement en connexions optiques chez imec. « En réduisant la largeur de la couche de multiplication à moins de 100 nm — en utilisant une structure fortement approfondie de germanium dans le silicium — et en éliminant la couche de charge, nous avons pu atteindre simultanément une bande passante de 100 GHz, une tension de fonctionnement de 5 V et une sensibilité de 1,8 A/W, ce qui correspond à un gain interne d’environ deux fois supérieur. »

« Un autre avantage est que le composant offre des performances comparables dans la bande O et la bande C, ce qui donne plus de flexibilité aux architectes système lors du développement des futures connexions optiques. »

La première démonstration d’une liaison optique avec un débit net de 400 Gbit/s utilisant une APD

Pour illustrer le potentiel de la technologie à l’échelle du système, imec a combiné sa APD avec l’EAM Ge/Si dans la bande C, avec des fréquences supérieures à 110 GHz, présenté l’année dernière lors de l’ECOC. Ensemble, ces composants ont été utilisés pour démontrer la première liaison optique avec un débit net de 400 Gbit/s en utilisant une APD.

Joris Van Campenhout poursuit : « Avec une amélioration de 3 dB de la sensibilité du récepteur, l’APD offre une réserve supplémentaire par rapport à une photodiode classique. Selon les exigences du système, cette réserve peut être utilisée pour réduire la puissance du laser ou compenser des pertes optiques plus élevées. Associé à sa haute bande passante et à sa faible tension de fonctionnement, cela rend le composant particulièrement attrayant pour les connexions optiques scalables de demain. »

Pour l’avenir, les chercheurs d’imec se concentreront sur l’amélioration de la fiabilité de l’APD sur une plage de températures plus large et dans diverses conditions de puissance d’entrée optique. Les travaux futurs porteront également sur l’intégration de l’APD dans l’électronique de réception à haute vitesse dans le cadre de solutions de connectivité optique plus globales. Parallèlement, l’équipe continuera à exploiter la plateforme photonique en silicium de 300 mm d’imec (iSiPP300) pour faire évoluer la technologie et accélérer l’adoption de technologies de connectivité optique, afin de relever les défis de bande passante et d’efficacité énergétique auxquels la future infrastructure d’IA sera confrontée.