Imec presenta un fotodiodo a valanga Ge/Si da 100 GHz (APD), che consente una ricezione dati netta di 400 Gbit/s a soli 5 V

Figura 1: Fotodiodo a valanga Ge/Si, realizzato sulla piattaforma fotonica in silicio da 300 mm di imec

– Imec presenta il primo fotodiodo a valanga (APD) in Ge/Si al mondo, che combina una larghezza di banda di 100 GHz, funzionamento a bassa tensione (5 V) e una sensibilità di 1,8 A/W sia nel banda O che nel banda C.
– In combinazione con il modulatore elettroassorbente (EAM) in Ge/Si già presentato da imec per frequenze superiori a 110 GHz, è stato possibile realizzare il primo collegamento ottico con una velocità di trasmissione netta di 400 Gbit/s utilizzando un APD.
– Il componente prodotto sulla piattaforma fotonica in silicio da 300 mm di imec costituisce la base per future connessioni ottiche ad alta velocità nei data center di intelligenza artificiale (AI).

Imec – un centro di ricerca e innovazione leader mondiale nelle tecnologie avanzate dei semiconduttori – ha presentato alla Conferenza Europea sulla Comunicazione Ottica (ECOC) il primo fotodiodo a valanga (APD) in Ge/Si al mondo, che combina una larghezza di banda di 100 GHz, un funzionamento a bassa tensione (5 V) e una sensibilità di 1,8 A/W sia nel banda O che nel banda C. Il componente, che permette un miglioramento di 3 dB nella sensibilità del ricevitore, è stato utilizzato per dimostrare il primo collegamento ottico con una velocità di trasmissione netta di 400 Gbit/s impiegando un ricevitore APD. Questo progresso rappresenta un passo importante verso le connessioni ottiche di prossima generazione per i data center di AI, dove grandi quantità di dati devono essere scambiate ad altissima velocità ed efficienza energetica.

Con l’aumento continuo dei carichi di lavoro di AI, i data center necessitano di connessioni ottiche in grado di trasmettere enormi quantità di dati tra rack e server blade con bassa latenza e crescente velocità di canale. Imec risponde a questa esigenza sviluppando componenti chiave della fotonica in silicio, tra cui modulatori ad alta velocità e rivelatori di fotoni, per le connessioni ottiche di prossima generazione.

All’ECOC dello scorso anno, imec ha dimostrato un modulatore elettroassorbente (EAM) in Ge/Si nel banda C con frequenze superiori a 110 GHz, rafforzando il lato trasmittente delle future connessioni ottiche a breve raggio e ad alta scalabilità. Tuttavia, la sfida sul lato ricevente di queste connessioni non è meno impegnativa, poiché i ricevitori devono mantenere alta sensibilità e operare a bande di frequenza sempre più elevate. Le fotodiodi a valanga offrono una soluzione attraente, poiché il loro amplificazione del segnale integrata migliora la sensibilità del ricevitore. Finora, tuttavia, ottenere questa amplificazione ha comportato compromessi tra larghezza di banda, tensione operativa più elevata o entrambi.

Il primo fotodiodo a valanga (APD) in Ge/Si al mondo che combina una larghezza di banda di 100 GHz, funzionamento a bassa tensione e una significativa amplificazione

"Il team si è basato sull’architettura collaudata SACM-APD (Separata Assorbimento, Carica e Moltiplicazione), ma ha riprogettato radicalmente il nucleo del componente", ha spiegato Joris Van Campenhout, vicepresidente per la Ricerca e Sviluppo nel settore delle Connessioni Ottiche di imec. "Riducendo la larghezza dello strato di moltiplicazione a meno di 100 nm – sfruttando una struttura germanio-in-silicio molto profonda – e eliminando lo strato di carica, siamo riusciti a ottenere contemporaneamente una larghezza di banda di 100 GHz, un funzionamento a 5 V e una sensibilità di 1,8 A/W, pari a circa il doppio dell’amplificazione interna."

"Un altro vantaggio è che il componente fornisce prestazioni comparabili sia nel banda O che nel banda C, offrendo maggiore flessibilità agli architetti di sistema nello sviluppo di future connessioni ottiche."

La prima dimostrazione di una connessione ottica con una velocità di trasmissione netta di 400 Gbit/s utilizzando un APD

Per dimostrare il potenziale della tecnologia a livello di sistema, imec ha combinato il suo APD con l’EAM Ge/Si nel banda C con frequenze superiori a 110 GHz, presentato lo scorso anno all’ECOC. I componenti sono stati impiegati insieme per dimostrare il primo collegamento ottico con una velocità di trasmissione netta di 400 Gbit/s utilizzando un APD.

Joris Van Campenhout prosegue: "Con un miglioramento di 3 dB nella sensibilità del ricevitore, l’APD offre un margine di connessione aggiuntivo rispetto a una fotodiodo tradizionale. A seconda delle esigenze del sistema, questa riserva può essere utilizzata per ridurre la potenza del laser o per compensare perdite ottiche più elevate. In combinazione con la sua alta larghezza di banda e la bassa tensione operativa, questo rende il componente particolarmente interessante per connessioni ottiche scalabili di futura generazione."

Guardando al futuro, i ricercatori di imec si concentreranno sul miglioramento della affidabilità dell’APD su un intervallo di temperature più ampio e in condizioni di diversa potenza di ingresso ottica. Future attività si concentreranno anche sull’integrazione dell’APD nell’elettronica ad alta velocità del ricevitore come parte di soluzioni di connessione ottica più ampie. Parallelamente, il team continuerà a utilizzare la piattaforma fotonica in silicio da 300 mm di imec (iSiPP300) per perfezionare la tecnologia e accelerare l’introduzione di tecnologie di connessione ottica che affrontino le sfide di larghezza di banda ed efficienza energetica che il futuro dell’infrastruttura AI dovrà affrontare.