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.
