Imec bemutat egy 100 GHz-es Ge/Si-árnyékolt fotodiódát (APD), amely mindössze 5 V-nál lehetővé teszi a 400 Gbit/s nettó adatátvitelt

Ábra 1: Ge/Si-árnyék-fotodióda, amely az imec 300 mm-es szilícium fotonikai platformján készült

– Az Imec bemutatta az első világszinten GE/Si-árnyékolt fotodiódát (APD), amely 100 GHz-es sávszélességet, alacsony feszültségű működést (5 V) és 1,8 A/W érzékenységet egyesít mind az O-, mind a C-sávban.
– Az Imec által már bemutatott Ge/Si-elektroabszorpciós modulátorral (EAM) kombinálva, amely túl az 110 GHz-es frekvenciákon működik, ez az alkatrész lehetővé tette az első optikai kapcsolat megvalósítását, amely nettó 400 Gbit/s átviteli sebességet ér el APD használatával.
– Az azonos 300 mm-es szilícium-fotonikai platformon készült alkatrész alapot teremt a jövő optikai nagysebességű összeköttetéseihez az MI-központokban.

Az Imec – egy világszerte vezető kutatási és innovációs központ a fejlett félvezetőtechnológiák terén – a European Conference on Optical Communications (ECOC) rendezvényen mutatta be az első Ge/Si-alapú árnyékolt fotodiódát (APD), amely 100 GHz-es sávszélességet, alacsony feszültségű működést (5 V) és 1,8 A/W érzékenységet egyesít mind az O-, mind a C-sávban. Ez az alkatrész, amely 3 dB-es érzékenységnövekedést tesz lehetővé, az első optikai kapcsolat demonstrálására szolgált, amely nettó 400 Gbit/s átviteli sebességet ér el APD vevővel. Ez a mérföldkő fontos lépés a következő generációs optikai összeköttetések felé az MI-központokban, ahol hatalmas adatmennyiségeket kell gyorsan és energiahatékonyan cserélni.

Ahogy az MI-feladatok tovább növekednek, a központoknak olyan optikai összeköttetésekre van szükségük, amelyek képesek hatalmas adatmennyiségeket átvinni rackek és blade szerverek között alacsony késleltetéssel és egyre növekvő csatornánkénti adatsebességgel. Az Imec ezekre a igényekre reagálva fejleszti a szilíciumfotonika kulcsfontosságú alkatrészeit, többek között nagysebességű modulátorokat és fotodetektorokat a következő generációs optikai kapcsolatokhoz.

A tavalyi ECOC rendezvényen az Imec bemutatott egy Ge/Si-elektroabszorpciós modult (EAM) a C-sávban, amely több mint 110 GHz-es frekvencián működik, ezzel erősítve a jövő optikai kapcsolatok rövid hatótávolságú és magas skálázhatóságú oldalát. Azonban a fogadó oldal kihívásai nem kevésbé összetettek, mivel a vevőknek egyszerre kell magas érzékenységet fenntartaniuk és egyre magasabb sávszélességen működniük. Az árnyékolt fotodiódák vonzó megoldást kínálnak, mivel beépített jelszintnövelésük javítja a vevő érzékenységét. Eddig azonban ennek a növelésnek az eléréséhez vagy a sávszélesség, vagy a magasabb működési feszültség vagy mindkettő feláldozása volt szükséges.

Az első világszinten Ge/Si-APD, amely 100 GHz-es sávszélességet, alacsony feszültségű működést és jelentős erősítést egyesít

„A csapat a bevált SACM-APD architektúrára (Separate Absorption, Charge and Multiplication) alapozott, de alapvetően újratervezte az alkatrész magját” – mondta Joris Van Campenhout, az imec Optikai Kapcsolatok Kutatás és Fejlesztés igazgatóhelyettese. „A multiplikációs réteg szélességét 100 nm alá csökkentettük – egy erősen mélyített germanium-szilícium szerkezet felhasználásával –, és a töltésszintet is kiküszöböltük, így egyidejűleg elértük a 100 GHz-es sávszélességet, az 5 V-os működést és az 1,8 A/W érzékenységet, ami körülbelül kétszeres belső erősítést jelent.”

„Egy másik előny, hogy az alkatrész mind az O-, mind a C-sávban hasonló teljesítményt nyújt, így a rendszertervezők nagyobb rugalmassággal fejleszthetik a jövő optikai kapcsolatait.”

Az első optikai kapcsolat demonstrálása, amely nettó 400 Gbit/s átviteli sebességet ér el APD használatával

Az Imec a rendszer szintű potenciál bemutatása érdekében összekapcsolta APD-ját a tavaly bemutatott, 110 GHz feletti frekvencián működő Ge/Si-EAM-mal a C-sávban, amelyet az ECOC rendezvényen mutattak be. Ezeket az alkatrészeket együttesen alkalmazva sikerült demonstrálni az első optikai kapcsolatot, amely nettó 400 Gbit/s átviteli sebességet ér el APD-vel.

Joris Van Campenhout folytatta: „A vevő érzékenységének 3 dB-es növelésével az APD a hagyományos fotodiódához képest további kapcsolatot biztosít. A rendszer követelményeitől függően ezt a tartalékot vagy a lézer teljesítményének csökkentésére, vagy a magasabb optikai veszteségek kompenzálására lehet felhasználni. Magas sávszélességével és alacsony működési feszültségével ez az alkatrész különösen vonzó a jövőbeli, skálázható optikai kapcsolatok számára.”

A jövőre nézve az Imec kutatói a megbízhatóság további növelésére törekednek az APD esetében szélesebb hőmérsékleti tartományban és különböző optikai bemeneti teljesítmények mellett. A jövőbeli kutatások magukban foglalják az APD integrálását nagysebességű vevő elektronikába, mint része átfogóbb optikai összeköttetési megoldásoknak. Emellett a csapat továbbra is az Imec 300 mm-es szilíciumfotonikai platformját (iSiPP300) fogja használni, hogy a technológiát fejlessze, és felgyorsítsa az optikai összeköttetési technológiák bevezetését, amelyek segítenek megfelelni a jövő MI-infrastruktúrájának kihívásainak, mint például a sávszélesség és az energiahatékonyság növelése.