IHP präsentiert weltweit erste SiGe-Photonikplattform mit 140-GHz-Elektroabsorptionsmodulatoren und 200-GHz-Fotodioden

Ein großer Fortschritt in der photonischen Integration, der Modulatoren und Fotodioden mit Rekordgeschwindigkeit auf einer einzigen SiGe-Plattform ermöglicht.

Frankfurt (Oder). Das stetige Wachstum datenintensiver KI-Rechencluster treibt die Entwicklung von Silizium-Photonik für schnelle optische Verbindungen voran. Allerdings stoßen heutige Plattformen oft an Bandbreitengrenzen, weil sie auf Mach-Zehnder- oder Ringmodulatoren basieren. Forscher am IHP – Leibniz Institut für innovative Mikroelektronik – haben jetzt die weltweit erste Silizium-Germanium (SiGe)-Photonikplattform vorgestellt, die diese Engpässe überwindet.

Das IHP hat eine neue SiGe-Photonik-Plattform entwickelt, die optoelektronische Geräte mit Bandbreiten ermöglicht, die weit über die der aktuellen Silizium-Photonik-Lösungen hinausgehen. Die Arbeit zeigt Elektroabsorptionsmodulatoren mit einer extrapolierten 3-dB-Grenzfrequenz von 140 GHz und Fin-Photodioden mit extrapolierten Bandbreiten von bis zu 200 GHz. Die Ergebnisse wurden in Nature Communications veröffentlicht, mit Daniel Steckler als Erstautor. Der Open-Access-Artikel kann über die Website von Nature Communications abgerufen werden.

„Lange Zeit war die vollständige Plattformkompatibilität das Hauptproblem“, sagt Daniel Steckler. „Demonstrationen von Hochgeschwindigkeitsmodulatoren und -detektoren als eigenständige Komponenten sind gang und gäbe. Unsere SiGe-Photonikplattform ermöglicht es uns, Elektroabsorptionsmodulatoren und Photodioden mit Grenzfrequenzen von weit über 100 GHz in einem einzigen Prozessablauf herzustellen – eine Grundvoraussetzung für die Kommunikation mit mehr als 200 Gbaud und eine echte Massenproduktion.“

Das IHP hält bereits den Weltrekord in der Photodiodenleistung, indem es das Konzept der Germanium-Fin-Detektoren nutzt, über das erstmals 2021 in Nature Photonics berichtet wurde. Durch die Ausweitung dieses Fin-Konzepts auf SiGe-Strukturen realisieren die Forscher nun Hochgeschwindigkeits-Optoelektronik für die Modulation und Detektion im C-Band. Dies erfordert einen neuen Ansatz für das SiGe-Epitaxiewachstum, der am IHP entwickelt wurde.

„Unser Epitaxie-Team hat eine fortschrittliche SiGe-Wachstumstechnologie entwickelt, bei der genau die richtige Menge Silizium in Germanium eingebaut wird, um die Absorptionskante in den gewünschten Wellenlängenbereich zu verschieben und gleichzeitig die Loading-Effekte zu vermeiden, die typischerweise bei integrierten SiGe-Bauelementen auftreten“, erklärt Steckler. „Dies wird durch eine Silizium-Delta-Epitaxie erreicht.“

Auf der Modulatorseite hat das IHP einen kompakten, energieeffizienten und schnellen, in einen Wellenleiter integrierten SiGe-Elektroabsorptionsmodulator (EAM) entwickelt. Da die derzeit am IHP verfügbaren Messgeräte die optoelektronische Bandbreitenmessung auf 110 GHz beschränken, wird die 3-dB-Grenzfrequenz dieser Bauelemente auf etwa 140 GHz extrapoliert. Auf der Empfängerseite kann die Bandbreite der Fin-Photodioden entsprechend den Systemspezifikationen skaliert werden: Photodioden können extrapolierte Bandbreiten von 160 GHz mit einer Responsivität von 0,8 A/W bei 1550 nm oder 200 GHz mit einer Responsivität von 0,5 A/W erreichen.

„Der wahre Test für unsere Plattform war eine Hochgeschwindigkeits-Übertragung, bei dem wir EAMs und Photodioden verwendeten, die auf demselben Wafer hergestellt wurden“, sagt Steckler. „Diese hervorragenden Ergebnisse sind das Ergebnis einer langfristigen teamübergreifenden Zusammenarbeit am IHP – von Reinraumoperationen und Prozessforschung bis hin zu Prozessintegration und Siliziumphotonik.“

Die Forscher des IHP arbeiten weiter daran, die SiGe-Plattform und ihre Geräte zu verbessern. Als Nächstes plant das Team, die weltweit erste SiGe-Photonik-Plattform mit den modernsten BiCMOS-Technologien des IHP zu kombinieren und SiGe-Plattformdienste für Kunden auf der ganzen Welt anzubieten, um ultraschnelle und energieeffiziente optische Verbindungen für zukünftige KI- und Hochleistungsrechnersysteme zu ermöglichen.