Siliziumphotonik für KI-Rechenzentren
Imec erreicht 400 Gbit/s mit 100-GHz-Photodiode
Imec hat eine Ge/Si-Avalanche-Photodiode mit 100 GHz Bandbreite und nur 5 V Betriebsspannung entwickelt. Zusammen mit einem Elektroabsorptionsmodulator überträgt sie netto 400 Gbit/s. Entscheidend ist dabei ein ungewöhnlich dünner Multiplikationsbereich.
Die neue Ge/Si-Avalanche-Photodiode von imec entsteht auf einer 300-mm-Siliziumphotonik-Plattform und erreicht 100 GHz Bandbreite bei 5 V Betriebsspannung. In einer optischen Verbindung demonstrierte imec damit netto 400 Gbit/s.
Imec
Imec hat eine Avalanche-Photodiode auf Germanium-Silizium-Basis entwickelt, die eine Bandbreite von 100 GHz mit einer Betriebsspannung von 5 V verbindet. Nach Angaben des Forschungszentrums erreicht die Ge/Si-APD eine Empfindlichkeit von 1,8 A/W und arbeitet sowohl im O- als auch im C-Band. Gefertigt wird das Bauelement auf der 300-mm-Siliziumphotonik-Plattform iSiPP300 von imec.
Gemeinsam mit einem bereits entwickelten Ge/Si-Elektroabsorptionsmodulator mit mehr als 110 GHz Bandbreite demonstrierte imec damit eine optische Verbindung mit einer Netto-Datenrate von 400 Gbit/s. Nach Angaben des Forschungszentrums handelt es sich um die erste Demonstration dieser Datenrate mit einem APD-Empfänger.
Die Technologie richtet sich vor allem an optische Verbindungen in KI-Rechenzentren. Dort steigen sowohl die Datenraten pro Kanal als auch die Anforderungen an Energieverbrauch und Reichweite der optischen Übertragung.
Warum sind Avalanche-Photodioden interessant?
Avalanche-Photodioden verstärken das empfangene optische Signal bereits innerhalb des Detektors. Dadurch lässt sich die Empfängerempfindlichkeit erhöhen. Bei bisherigen APD-Konzepten war diese Verstärkung häufig mit geringerer Bandbreite oder höheren Betriebsspannungen verbunden.
Imec gibt für die neue APD eine Verbesserung der Empfängerempfindlichkeit um 3 dB gegenüber einer herkömmlichen Fotodiode an. Die zusätzliche Leistungsreserve kann beispielsweise genutzt werden, um die erforderliche Laserleistung zu reduzieren oder höhere Verluste im optischen Übertragungspfad auszugleichen.
Die interne Verstärkung liegt laut imec ungefähr beim Faktor zwei. Gleichzeitig erreicht der Detektor seine 100 GHz Bandbreite bei einer Betriebsspannung von 5 V.
Dünnere Multiplikationsschicht ermöglicht 100 GHz
Grundlage des Bauelements ist eine sogenannte SACM-Architektur, kurz für Separate Absorption, Charge and Multiplication. Imec hat diesen Aufbau für die neue APD deutlich verändert.
Die Forscher reduzierten die Dicke der Multiplikationsschicht auf weniger als 100 nm. Dafür kommt eine tief eingebettete Germanium-in-Silizium-Struktur zum Einsatz. Zudem verzichteten sie auf die bei klassischen SACM-Strukturen verwendete separate Ladungsschicht.
„Durch die Reduzierung der Multiplikationsschichtbreite auf unter 100 nm und die Eliminierung der Ladungsschicht konnten wir gleichzeitig eine Bandbreite von 100 GHz, einen 5-V-Betrieb und eine Empfindlichkeit von 1,8 A/W erreichen“, erklärt Joris Van Campenhout, Vice President R&D Optical I/O bei imec.
Nach Angaben von imec zeigt der Detektor im O-Band und im C-Band vergleichbare Eigenschaften. Damit lässt sich die APD für unterschiedliche Wellenlängenbereiche optischer Verbindungen einsetzen.
400 Gbit/s im Zusammenspiel mit Ge/Si-Modulator
Für die Demonstration einer vollständigen optischen Verbindung kombinierte imec die APD mit einem Ge/Si-Elektroabsorptionsmodulator im C-Band. Diesen hatte das Forschungszentrum bereits 2025 mit einer Bandbreite von mehr als 110 GHz vorgestellt.
Mit beiden Bauelementen erreichte der Versuchsaufbau eine Netto-Datenrate von 400 Gbit/s. Damit zeigt imec die Leistungsfähigkeit der Komponenten nicht nur auf Bauelementebene, sondern auch innerhalb einer optischen Übertragungsstrecke.
Die Kombination aus hoher Bandbreite, integrierter Signalverstärkung und vergleichsweise niedriger Versorgungsspannung soll insbesondere für skalierbare optische Verbindungen zwischen Servern, Racks und Rechenbeschleunigern interessant sein.
Im nächsten Schritt will imec unter anderem die Zuverlässigkeit der APD bei unterschiedlichen Temperaturen und optischen Eingangsleistungen untersuchen. Zudem soll der Detektor mit Hochgeschwindigkeits-Empfängerelektronik integriert werden.
Die Ergebnisse stellt imec am 24. September 2026 auf der European Conference on Optical Communication, ECOC 2026, vor.
