Imec przedstawia 100-GHzowy Ge/Si-światłowodowy fotodiodę lawinową (APD), która umożliwia netto odbiór danych na poziomie 400 Gbit/s przy zaledwie 5 V

Rysunek 1: Fotodioda lawinowa Ge/Si wyprodukowana na platformie fotoniki krzemowej o rozmiarze 300 mm od imec

– Imec prezentuje na świecie pierwszą Ge/Si-awaryjną fotodiodę (APD), która łączy pasmo 100 GHz, niskonapięciową pracę (5 V) oraz czułość 1,8 A/W zarówno w paśmie O, jak i C.
– W połączeniu z już przedstawionym przez imec elektroabsorpcyjnym modulatorem (EAM) Ge/Si dla częstotliwości powyżej 110 GHz, udało się zrealizować pierwsze optyczne połączenie o nettoprędkości 400 Gbit/s z użyciem APD.
– Element wyprodukowany na platformie fotoniki silikonowej o rozmiarze 300 mm od imec stanowi podstawę dla przyszłych optycznych połączeń wysokiej prędkości w centrach danych AI.

Imec – wiodące na świecie centrum badawczo-innowacyjne w dziedzinie zaawansowanych technologii półprzewodnikowych – zaprezentowało na Europejskiej Konferencji Komunikacji Optycznej (ECOC) na świecie pierwszą Ge/Si-światłowodową fotodiodę (APD), która łączy pasmo 100 GHz, niskonapięciową pracę (5 V) oraz czułość 1,8 A/W zarówno w paśmie O, jak i C. Element ten, umożliwiający poprawę czułości odbiornika o 3 dB, został użyty do demonstracji pierwszego optycznego połączenia o nettoprędkości 400 Gbit/s z użyciem odbiornika APD. Ten przełom stanowi ważny krok w kierunku optycznych połączeń następnej generacji dla centrów danych AI, w których konieczny jest przesył ogromnych ilości danych z coraz wyższą prędkością i efektywnością energetyczną.

W miarę rosnącego obciążenia pracą związanej z AI, centra danych potrzebują optycznych połączeń, które mogą przesyłać ogromne ilości danych między szafami i serwerami blade z niskim opóźnieniem i rosnącymi prędkościami kanałów. Imec odpowiada na te potrzeby, rozwijając kluczowe komponenty fotoniki silikonowej, w tym wysokiej prędkości modulatory i fotodetektory, dla optycznych połączeń następnej generacji.

Na zeszłorocznej konferencji ECOC imec zaprezentowało elektroabsorpcyjny modulator Ge/Si (EAM) w paśmie C z częstotliwością ponad 110 GHz, co wzmacnia stronę nadawczą przyszłych optycznych połączeń krótkiego zasięgu i wysokiej skalowalności. Na stronie odbiorczej tych połączeń wyzwaniem jest jednak nie mniej wymagające utrzymanie wysokiej czułości i obsługa coraz wyższych pasm. Awaryjne fotodiody (APD) stanowią atrakcyjne rozwiązanie, ponieważ ich zintegrowane wzmocnienie sygnału poprawia czułość odbiornika. Dotychczas osiągnięcie tego wzmocnienia wiązało się jednak z kompromisami w zakresie pasma, wyższych napięć operacyjnych lub obu tych parametrów.

Pierwsza na świecie Ge/Si-APD łącząca pasmo 100 GHz, niskonapięciową pracę i znaczące wzmocnienie

„Zespół opierał się na sprawdzonej architekturze SACM-APD (Separate Absorption, Charge and Multiplication), jednakże w jej rdzeniu dokonał zasadniczej przebudowy elementu”, wyjaśnił Joris Van Campenhout, wiceprezes ds. badań i rozwoju w dziedzinie połączeń optycznych w imec. „Poprzez zmniejszenie szerokości warstwy mnożenia do poniżej 100 nm – przy użyciu głęboko zagłębiającej struktury germanowo-silikonowej – oraz eliminację warstwy ładunkowej, udało nam się jednocześnie osiągnąć pasmo 100 GHz, napięcie operacyjne 5 V i czułość 1,8 A/W, co odpowiada około dwukrotnemu wewnętrznemu wzmocnieniu.”

„Kolejną zaletą jest to, że element ten zapewnia porównywalną wydajność zarówno w paśmie O, jak i C, co daje architektom systemów większą elastyczność przy projektowaniu przyszłych optycznych połączeń.”

Pierwszy dowód optycznego połączenia o nettoprędkości 400 Gbit/s z użyciem APD

Aby zademonstrować potencjał technologii na poziomie systemowym, imec połączyło swoją APD z Ge/Si-EAM w paśmie C z częstotliwościami powyżej 110 GHz, które firma zaprezentowała na ECOC w zeszłym roku. Wspólnie te elementy zostały użyte do demonstracji pierwszego optycznego połączenia o nettoprędkości 400 Gbit/s z użyciem APD.

Joris Van Campenhout dodaje: „Dzięki poprawie czułości odbiornika o 3 dB, APD zapewnia w porównaniu do tradycyjnej fotodiody dodatkowy zapas łączeniowy. W zależności od wymagań systemowych, ten zapas może być wykorzystany do zmniejszenia mocy lasera lub zrekompensowania wyższych strat optycznych. W połączeniu z wysoką pasmowością i niskim napięciem operacyjnym, czyni to element szczególnie atrakcyjnym dla przyszłych, skalowalnych optycznych połączeń.”

Patrząc w przyszłość, naukowcy z imec skoncentrują się na dalszym zwiększaniu niezawodności APD w szerszym zakresie temperatur i przy różnych warunkach wejściowej mocy optycznej. Prace przyszłe będą również obejmować integrację APD z wysokoprzepustową elektroniką odbiorczą jako część kompleksowych rozwiązań optycznych. Równocześnie zespół będzie kontynuował wykorzystywanie platformy fotoniki silikonowej o rozmiarze 300 mm (iSiPP300) od imec, aby doprowadzić technologię do dojrzałości i przyspieszyć wdrażanie technologii optycznych połączeń, które pomogą sprostać wyzwaniom związanym z pasmem i efektywnością energetyczną stojącym przed przyszłą infrastrukturą AI.