Nieuwe lichtsensor kan 400 gigabit per seconde verwerken

AI-datacenters moeten in steeds kortere tijd enorme hoeveelheden gegevens tussen chips en computers verplaatsen. Het Belgische onderzoekscentrum Imec heeft daarvoor een nieuwe lichtsensor ontwikkeld die zwakke signalen uit glasvezel razendsnel kan opvangen én versterken. In een testverbinding werd daarmee netto 400 gigabit aan data per seconde ontvangen.

Datacenters gebruiken steeds vaker licht in plaats van elektrische signalen om grote hoeveelheden gegevens te transporteren. Aan de ontvangende kant moet dat licht weer worden omgezet in een elektrisch signaal. Daarvoor worden fotodiodes gebruikt. Imec ontwikkelde een bijzonder snelle variant: een zogeheten avalanche photodiode, of APD. Het voordeel daarvan is dat de sensor het binnenkomende lichtsignaal niet alleen detecteert, maar het signaal intern ook versterkt. Daardoor kan de ontvanger zwakkere lichtsignalen nog betrouwbaar uitlezen.

Snel én gevoelig

Extra versterking ging doorgaans ten koste van de snelheid of vereiste een hogere spanning. Imec zegt die eigenschappen nu voor het eerst te hebben gecombineerd in één component. De nieuwe sensor haalt een bandbreedte van 100 GHz en werkt bij slechts 5 volt, waarbij de interne versterking ongeveer een factor twee is. In een demonstratie verbeterde de gevoeligheid van de ontvanger met 3 decibel ten opzichte van een gewone fotodiode.

Praktisch betekent dit dat een optische verbinding met een zwakker lichtsignaal kan werken. Ontwerpers kunnen die extra marge bijvoorbeeld gebruiken om het vermogen van de laser te verlagen of om grotere verliezen in de verbinding toe te staan. Om te laten zien wat de sensor kan, combineerde Imec hem met een eerder ontwikkelde component die elektrische data omzet in een optisch signaal. Daarmee bouwden de onderzoekers een verbinding die netto 400 gigabit per seconde kon overbrengen. Volgens imec is dit de eerste keer dat die snelheid is aangetoond met een ontvanger van dit type.

100 nanometer

Voor de nieuwe sensor combineert Imec germanium met silicium, waarmee de onderzoekers vooral het deel waarin het elektrische signaal wordt versterkt opnieuw ontworpen hebben. Die laag is teruggebracht tot minder dan 100 nanometer dik. Hierdoor kon de interne versterking behouden blijven zonder de snelheid sterk te beperken. De sensor wordt bovendien geproduceerd op imecs 300 millimeter-platform voor siliciumfotonica. Dat is relevant voor eventuele toekomstige productie, omdat de technologie daarmee aansluit op processen uit de bestaande chipindustrie.