Imec presenteert een 100-GHz Ge/Si-Avalanche-Photodiode (APD), die een netto gegevensontvangst van 400 Gbit/s mogelijk maakt bij slechts 5 V

Afbeelding 1: Ge/Si-avalanche-fotodiode, vervaardigd op het 300-mm siliciumfotonica-platform van imec

– Imec presenteert de wereldwijde eerste GE/Si-Avalanche-Fotodiode (APD), die een bandbreedte van 100 GHz, laagspanningsbediening (5 V) en een gevoeligheid van 1,8 A/W combineert in zowel het O- als het C-band.
– In combinatie met de door imec reeds gepresenteerde Ge/Si-elektroabsorptiemodule (EAM) voor frequenties boven de 110 GHz is het met dit component gelukt om de eerste optische verbinding met een netto-overdrachtsnelheid van 400 Gbit/s te realiseren met behulp van een APD.
– Het op de 300-mm siliciumfotonicaplatform van imec vervaardigde onderdeel vormt de basis voor toekomstige optische hogesnelheidsverbindingen in AI-datacenters.

Imec – een wereldwijd toonaangevend onderzoeks- en innovatiecentrum voor geavanceerde halfgeleidertechnologieën – presenteerde op de European Conference on Optical Communications (ECOC) de wereldwijde eerste Avalanche-fotodiode (APD) op basis van Ge/Si, die een bandbreedte van 100 GHz, laagspanningsbediening (5 V) en een gevoeligheid van 1,8 A/W combineert in zowel het O- als het C-band. Het component, dat een verbetering van de ontvangergevoeligheid met 3 dB mogelijk maakt, werd gebruikt om de eerste optische verbinding met een netto-overdrachtsnelheid van 400 Gbit/s te demonstreren met behulp van een APD-ontvanger. Deze doorbraak vormt een belangrijke stap richting volgende generatie optische verbindingen voor AI-datacenters, waar enorme hoeveelheden data met steeds hogere snelheid en energie-efficiëntie uitgewisseld moeten worden.

Omdat AI-werkbelastingen blijven toenemen, hebben datacenters optische verbindingen nodig die enorme datastromen tussen racks en blade-servers met lage latentie en toenemende datarates per kanaal kunnen overbrengen. Imec reageert hierop door belangrijke bouwstenen van siliciumfotonicatechnologie te ontwikkelen, waaronder hogesnelheidsmodulators en fotodetectors, voor de volgende generatie optische verbindingen.

Op ECOC vorig jaar demonstreerde imec een Ge/Si-elektroabsorptiemodule (EAM) in het C-band met een frequentie van meer dan 110 GHz, wat de zendzijde van toekomstige korte-afstand optische verbindingen versterkt. Aan de ontvangzijde van deze verbindingen is de uitdaging echter niet minder veeleisend, omdat ontvangers tegelijkertijd een hoge gevoeligheid moeten behouden en bij steeds hogere bandbreedtes moeten werken. Avalanche-fotodiodes bieden een aantrekkelijke oplossing, omdat hun geïntegreerde signaalversterking de ontvangergevoeligheid verbetert. Tot nu toe ging het bereiken van deze versterking echter ten koste van de bandbreedte, hogere bedrijfsspanningen of beide.

De wereldwijde eerste Ge/Si-APD die een bandbreedte van 100 GHz, laagspanningsbediening en een significante versterking combineert

“Het team ging uit van de beproefde SACM-APD-architectuur (Separate Absorption, Charge and Multiplication), maar heeft het component in zijn kern fundamenteel herontworpen,” verklaarde Joris Van Campenhout, Vice President voor Onderzoek en Ontwikkeling op het gebied van Optische Verbindingen bij imec. “Door de multiplikatieschichtbreedte te verkleinen tot onder de 100 nm – gebruikmakend van een sterk verdiept germanium-in-siliciummateriaalstructuur – en de ladingschicht te elimineren, konden we tegelijkertijd een bandbreedte van 100 GHz, een 5 V-bedrijf en een gevoeligheid van 1,8 A/W bereiken, wat neerkomt op ongeveer een verdubbeling van de interne versterking.”

“Een ander voordeel is dat het component zowel in het O-band als in het C-band vergelijkbare prestaties levert, wat systeemarchitecten meer flexibiliteit biedt bij het ontwikkelen van toekomstige optische verbindingen.”

Het eerste bewijs van een optische verbinding met een netto-overdrachtsnelheid van 400 Gbit/s met behulp van een APD

Om het potentieel van de technologie op systeemniveau te demonstreren, combineerde imec haar APD met de Ge/Si-EAM in het C-band met frequenties boven de 110 GHz, die het bedrijf vorig jaar op ECOC presenteerde. Samen werden de componenten ingezet om de eerste optische verbinding met een netto-overdrachtsnelheid van 400 Gbit/s met behulp van een APD te demonstreren.

Joris Van Campenhout vervolgt: “Met een verbetering van de ontvangergevoeligheid met 3 dB biedt de APD, vergeleken met een conventionele fotodiode, een extra verbindingsreserve. Afhankelijk van de systeemvereisten kan deze reserve worden gebruikt om de laservermogenbehoefte te verminderen of om hogere optische verliezen te compenseren. In combinatie met de hoge bandbreedte en de lage bedrijfsspanning maakt dit het component bijzonder aantrekkelijk voor toekomstige, schaalbare optische verbindingen.”

Met het oog op de toekomst zullen de onderzoekers van imec zich richten op het verder verbeteren van de betrouwbaarheid van de APD over een breder temperatuurbereik en onder verschillende condities van de optische ingangssignalen. Toekomstig werk zal ook gericht zijn op de integratie van de APD in hogesnelheids-ontvangerelektronica als onderdeel van uitgebreidere optische verbindingsoplossingen. Tegelijkertijd zal het team blijven gebruikmaken van het 300-mm siliciumfotonicaplatform (iSiPP300) van imec om de technologie verder te ontwikkelen en de introductie van optische verbindingsoplossingen te versnellen die helpen de uitdagingen op het gebied van bandbreedte en energie-efficiëntie aan te pakken waarmee de toekomstige AI-infrastructuur geconfronteerd wordt.