400Gbps בקישור אופטי: imec מציגה גלאי חדש ברוחב פס של 100GHz

גלאי ‎Ge/Si‎ מסוג ‎Avalanche Photodiode‎ שפותח ב-‎imec‎ משלב הגבר פנימי של האות החשמלי, רוחב פס גבוה ומתח הפעלה של ‎5V‎. הפיתוח הודגם בקליטת נתונים בקצב נטו של ‎400Gbps‎, ומציע כיוון לשיפור רגישות המקלטים האופטיים במרכזי נתונים ל-‎AI‎.

הגידול המהיר בהיקף מערכות הבינה המלאכותית מציב דרישות חדשות בפני תשתיות התקשורת במרכזי נתונים. ככל שמספר המאיצים והמעבדים במערכת גדל, נדרשת העברה של כמויות מידע גדולות יותר בין שרתים, מתגים ומערכות חישוב. הקישורים האופטיים נדרשים לפעול בקצבים הולכים וגדלים, בלי להגדיל באותה מידה את צריכת האנרגיה ואת מורכבות המערכת.

אחד האתגרים נמצא דווקא בצד הקליטה. הגדלת קצב הנתונים מחייבת גלאים המסוגלים להגיב לשינויים מהירים מאוד באות האופטי, אך במקביל לשמור על רגישות מספקת גם כאשר עוצמת האור המגיעה אליהם נמוכה. רוחב פס גבוה לבדו אינו מספיק: ככל שהאות מהיר יותר, כך גדלה חשיבותם של רעש המקלט, הפסדי האות ומאפייני מעגלי ההגברה.

בספטמבר ‎2026‎ הציג מכון המחקר הבלגי ‎imec‎ גלאי אופטי חדש מסוג ‎Germanium/Silicon Avalanche Photodiode‎, או ‎Ge/Si APD‎, בעל רוחב פס של ‎100GHz‎. הגלאי פועל במתח של ‎5V‎ ומציג ‎Responsivity‎ של ‎1.8A/W‎, המבטאת את היחס בין הזרם החשמלי המתקבל לבין ההספק האופטי הנקלט. בהדגמה שבה שולב הגלאי בקישור אופטי הושגה קליטת נתונים בקצב נטו של ‎400Gbps‎. לפי ‎imec‎, השימוש בגלאי אפשר שיפור של ‎3dB‎ ברגישות המקלט בהשוואה לגלאי רגיל.

החידוש אינו מתמצה במהירות הגלאי. הוא נוגע לאפשרות לשלב רוחב פס גבוה עם הגבר חשמלי בתוך הרכיב עצמו, שילוב הכרוך בפשרות בין מהירות, רגישות ומתח הפעלה.

הגבר פנימי של האות החשמלי

במקלט אופטי רגיל, פוטודיודה ממירה את האור המגיע אליה לזרם חשמלי. כאשר פוטון נבלע בחומר מוליך למחצה, הוא עשוי ליצור זוג אלקטרון וחור. השדה החשמלי מפריד בין נושאי המטען ומוביל אותם למגעים החשמליים. בגלאי ‎PIN Photodiode‎, הנפוץ בתקשורת אופטית, מתבצעת ההמרה ללא הגבר פנימי משמעותי. כאשר ההספק האופטי נמוך, גם הזרם קטן ומעגלי הקליטה נדרשים להתמודד עם אות חלש.

בגלאי ‎Avalanche Photodiode‎ נוסף מנגנון הכפלה: שדה חשמלי חזק מאיץ את נושאי המטען, והם עשויים ליצור נושאי מטען נוספים בתהליך ‎Impact Ionization‎. כך גדל הזרם לפני הגעתו למגבר הקליטה, ובכך מצטמצמת ההשפעה היחסית של הרעש שמקורו באלקטרוניקה. הגלאי אינו מבטל את הצורך במגבר ‎Transimpedance Amplifier‎, הממיר זרם למתח.

אלא שתהליך ההכפלה מוסיף גם רעש משלו. מספר נושאי המטען שנוצרים משתנה באופן סטטיסטי, תופעה המכונה ‎Excess Noise‎. נוסף על כך, ההכפלה דורשת זמן, והגבר גבוה עלול להגביל את מהירות התגובה. היחס בין ההגבר לרוחב הפס, המתואר באמצעות ‎Gain-Bandwidth Product‎, הוא לכן שיקול מרכזי בתכנון ‎APD‎. גם זרמי זליגה, מתח הפריצה וקיבול הגלאי משפיעים על נקודת העבודה הרצויה.

היתרון של גרמניום על סיליקון

הבחירה בשילוב ‎Germanium‎ ו-‎Silicon‎ אינה מקרית. סיליקון הוא הבסיס לתהליכי הייצור המקובלים בתעשיית המוליכים למחצה, אך יכולתו לבלוע אור באורכי הגל המשמשים לתקשורת אופטית מוגבלת. גרמניום מתאים לקליטת אור בתחום התת-אדום הקרוב, ובכלל זה בתחומי ‎O-band‎ ו-‎C-band‎.

שילוב גרמניום על גבי פלטפורמת ‎Silicon Photonics‎ מאפשר לייצר גלאים המחוברים למוליכי גל אופטיים ולשלבם לצד מודולטורים ורכיבים פוטוניים נוספים. בגלאי ‎APD‎ אפשר לנצל גם את התכונות החשמליות השונות של שני החומרים: הגרמניום משמש אזור בליעה והסיליקון אזור הכפלה. ההפרדה מאפשרת להתאים את המבנה לשתי פעולות בעלות דרישות שונות.

מבנה מקובל נקרא ‎SACM‎, ראשי תיבות של ‎Separate Absorption‎, ‎Charge and Multiplication‎. הוא כולל אזור בליעה, שכבה לשליטה בחלוקת השדה החשמלי ואזור הכפלה נפרד. בפיתוח החדש שינו חוקרי ‎imec‎ את המבנה: אזור ההכפלה צומצם לעובי של פחות מ-‎100‎ ננומטר, ושכבת ה-‎Charge‎ הנפרדת בוטלה. המבנה מבוסס על גרמניום שקוע בתוך הסיליקון, ‎Deeply Recessed Germanium-in-Silicon‎.

הקטנת עובי אזור ההכפלה מקצרת את זמן מעבר נושאי המטען ואת משך תהליך ה-‎Avalanche‎. לפי ‎imec‎, הארכיטקטורה מאפשרת רוחב פס של ‎100GHz‎ תוך שמירה על הגבר פנימי של פי שניים בקירוב במתח של ‎5V‎. עם זאת, אזור דק מחייב שליטה מדויקת בשדה החשמלי. סטיות קטנות בעובי השכבות, בגיאומטריה או בריכוזי הסימום עלולות להשפיע על ההגבר ועל מתח הפריצה.

רוחב פס של ‎100GHz‎ אינו קצב נתונים של ‎400Gbps‎

רוחב פס של ‎100GHz‎ מתייחס לתדר שבו עוצמת התגובה החשמלית של הגלאי יורדת ב-‎3dB‎ ביחס לתגובה בתדרים נמוכים. קצב הנתונים של הקישור תלוי גם בשיטת האפנון, בקצב הסימבולים, באיכות האות ובמעגלי השידור והקליטה.

בשיטות אפנון מרובות רמות, כגון ‎PAM4‎, כל סימבול מייצג שני ביטים באמצעות ארבע רמות משרעת. כך אפשר להגדיל את קצב הנתונים ללא הגדלה זהה של קצב הסימבולים, אך המרווח בין רמות האות קטן והרגישות לרעש ולעיוותים גדלה.

כדי להדגים את יכולת הגלאי ברמת המערכת, שילבה ‎imec‎ את ה-‎APD‎ עם מודולטור ‎Ge/Si‎ מסוג ‎Electro-Absorption Modulator‎, או ‎EAM‎, שהוצג בכנס ‎ECOC‎ בשנת ‎2025‎. המודולטור פועל בתחום ‎C-band‎ ומציג רוחב פס העולה על ‎110GHz‎. שילוב הרכיבים אפשר להדגים קישור אופטי בקצב נטו של ‎400Gbps‎. לדברי ‎imec‎, זו ההדגמה הראשונה של קישור בקצב זה המשתמש במקלט ‎APD‎.

הדגמת קישור אינה שקולה להצגת מקלט מסחרי שלם. ביצועי המערכת תלויים גם במגבר הקליטה, בחיבורים החשמליים, בעיבוד האות ובשיטת תיקון השגיאות. בהודעת ‎imec‎ לא פורסמו כל פרטי המדידה, ובהם שיעור שגיאות הביטים וההספק הכולל של המקלט. ההבחנה חשובה כאשר בוחנים מערכות שבהן נדרשת פעולה רציפה של קישורים רבים במקביל.

מה מעניק שיפור של ‎3dB‎ ברגישות?

לצד קצב הנתונים, ‎imec‎ מדווחת על שיפור של ‎3dB‎ ברגישות המקלט בהשוואה לגלאי ללא הגבר פנימי. בתנאי מדידה זהים, שיפור כזה פירושו שניתן להגיע לאיכות קליטה נתונה באמצעות הספק אופטי נמוך בכמחצית.

במערכת תקשורת אופטית, השיפור מתורגם למרווח נוסף בתקציב הקישור, ‎Link Margin‎. מתכנני המערכת יכולים לנצל אותו להפחתת הספק הלייזר או להתמודדות עם הפסדים גדולים יותר במוליכי גל, במחברים וברכיבים אופטיים אחרים.

במרכז נתונים הכולל מספר גדול של קישורים, האפשרות להפחית את ההספק הנדרש בכל ערוץ עשויה להיות משמעותית. עם זאת, שיפור ברגישות אינו מבטיח הפחתה זהה בצריכת החשמל הכוללת: זו תלויה גם בנצילות הלייזר, בצריכת מעגלי הקליטה ובעיבוד האות. גם מתח ההפעלה של ‎5V‎ אינו מאפשר לבדו לקבוע את צריכת ההספק, ללא נתוני זרם בתנאי העבודה.

מהמעבדה לייצור על פרוסות ‎300‎ מ"מ

הגלאי החדש יוצר על פלטפורמת ‎Silicon Photonics‎ של ‎imec‎, המבוססת על פרוסות בקוטר ‎300‎ מ"מ. השימוש בפלטפורמה זו מאפשר לשלב את הגלאי עם רכיבים פוטוניים נוספים בתהליכי ייצור המתאימים לתעשיית המוליכים למחצה.

במרץ ‎2026‎ פרסמו חוקרי ‎imec‎ ואוניברסיטת גנט מאמר ב-‎Journal of Lightwave Technology‎ שתיאר גלאי ‎Ge/Si APD‎ המחוברים למוליכי גל ומיוצרים על פרוסות ‎Silicon-on-Insulator‎ בקוטר ‎300‎ מ"מ. במחקר הקודם כבר דווח על רוחב פס מרבי העולה על ‎100GHz‎. עם זאת, בנקודת עבודה שבה ה-‎Responsivity‎ הגיע ל-‎2A/W‎, רוחב הפס עמד על ‎70GHz‎ במתח של ‎7V‎. ההתקדמות בהדגמה מספטמבר היא בשילוב רוחב פס של ‎100GHz‎, ‎Responsivity‎ של ‎1.8A/W‎ ומתח של ‎5V‎, לצד הדגמת קישור של ‎400Gbps‎, ולא בהגעה הראשונה לרוחב פס של ‎100GHz‎.

ייצור גלאי ‎APD‎ מהיר מציב אתגרים משמעותיים. עובי אזור ההכפלה, פרופיל הסימום ואיכות הממשק בין הגרמניום לסיליקון משפיעים על חלוקת השדה החשמלי ועל ביצועי הרכיב. סטיות קטנות בתהליך עלולות לשנות את ההגבר, את זרמי החושך ואת מתח הפריצה. גם החיבור למגבר הקליטה מחייב תכנון קפדני: בתדרים המתקרבים ל-‎100GHz‎, קיבולים פרזיטיים, התנגדויות וחוסר התאמה בעכבות עלולים לפגוע בתגובה הכוללת.

‎imec‎ מתכננת להרחיב את בדיקות האמינות לטווח גדול יותר של טמפרטורות והספקי אור נכנסים, ולשלב את הגלאי עם אלקטרוניקת קליטה מהירה. הצורך אינו רק להגדיל את קצב הנתונים בערוץ יחיד, אלא להבטיח שהגלאי ישמור על ביצועיו בתנאי פעולה משתנים ולאורך זמן. ככל שמספר הקישורים במערכות ‎AI‎ גדל, דרישות אלה הופכות לחלק בלתי נפרד מתכנון רכיבי התקשורת.


מקורות וקרדיט:

‎1‎. ‎imec‎, הודעה לעיתונות, ספטמבר ‎2026‎: ‎imec Debuts 100 GHz Ge/Si Avalanche Photodiode‎ (‎APD‎), ‎Enabling Net 400 Gbps Data Reception at Just 5 V‎.

‎https‎://‎www.imec-int.com/en/press/imec-debuts-100-ghz-gesi-avalanche-photodiode-apd-enabling-net-400-gbps-data-reception-just-5‎

‎2‎. ‎Amir Shahin et al‎., ‎Towards 100 GHz Waveguide Ge/Si Avalanche Photodiodes for High-Speed Optical Interconnects‎, ‎Journal of Lightwave Technology‎, ‎2026‎.

‎3‎. ‎ECOC 2026‎: ‎100 GHz Ge/Si Avalanche Photodiodes Enabling Net 400 Gbps Data Reception at a Low Voltage of 5 V‎, ‎presentation Th1-C4‎.

כיתוב לתמונה: גלאי ‎Ge/Si Avalanche Photodiode‎ שפותח ב-‎imec‎ על פלטפורמת ‎Silicon Photonics‎ המבוססת על פרוסות ‎300‎ מ"מ. רוחב הפס של הגלאי הוא ‎100GHz‎ ומתח ההפעלה ‎5V‎.

קרדיט תמונה: ‎imec‎. יש להשתמש בתמונה המקורית של החברה בכפוף לתנאי השימוש ואישור הפרסום.

IMEC

תגובות סגורות