Wellenleiter Fotodioden: Neue Technologie zur Unterstützung der Geschwindigkeit von Rechenzentren

Entwicklung Rechenzentrum und optischen Transceivern

Der Datenverkehr in Rechenzentren nimmt weltweit rasant zu. Dieses Wachstum wird durch die Entwicklung und Implementierung von KI/ML, die Verbreitung von Cloud-Diensten und die wachsende Nutzerbasis für Videostreaming und AR/VR-Inhalte vorangetrieben. Es ist davon auszugehen, dass sich diese Trends fortsetzen werden. Um dieser Situation gerecht zu werden, müssen die Kapazität und Übertragungsgeschwindigkeit optischer Backbone-Kommunikationsnetze weiter verbessert werden.

Um Nutzern stabile optische Kommunikationsdienste zu bieten, benötigen Infrastrukturnetzwerke und Rechenzentren Netzwerke, die mit hohen Geschwindigkeiten und minimaler Verzögerung arbeiten. Optische Transceiver sind dabei entscheidende Komponenten. Traditionell arbeiteten optische Transceiver standardmäßig mit 100 Gbit/s. Um den Anforderungen an die Netzwerkbeschleunigung gerecht zu werden, kamen ab 2014 Hochgeschwindigkeitsprodukte mit 400 Gbit/s und 800 Gbit/s auf den Markt. Zukünftig werden voraussichtlich Geschwindigkeiten von 1,6 Tbit/s bzw. 3,2 Tbit/s für optische Transceiver benötigt.

Grundstruktur und Herausforderungen Fotodiode

Optische Transceiver sind Geräte, die elektrische und optische Signale ineinander umwandeln. Im Senderbereich wandeln Halbleiterlaserdioden Strom in Licht um. Im Empfängerbereich wandeln Fotodioden (PD) optische Signale in elektrische um.
Während die grundlegende Struktur und die Funktionsprinzipien von Fotodioden in unserem vorherigen Artikel ausführlich erläutert werden, befasst sich dieser Artikel speziell mit den technischen Herausforderungen im Zusammenhang mit dem Hochgeschwindigkeitsbetrieb.

Wellenleiter Photodioden sind auch Geräte, die optische Signale, die durch optische Fasern übertragen werden, in elektrische Signale umwandeln. Wie der Name schon sagt, handelt es sich um Komponenten, die einen "Wellenleiter"-Pfad, der Licht leitet, mit einer "Fotodiode" kombinieren, die Licht in Strom umwandelt. Während der grundlegende Aufbau und die Funktionsprinzipien von Fotodioden in unserem vorherigen Artikel ausführlich erläutert werden. Dieser Artikel befasst sich speziell mit den Herausforderungen im Zusammenhang mit dem Hochgeschwindigkeitsbetrieb. Der Hauptunterschied zwischen herkömmlichen Fotodioden und Wellenleiter-Photodioden liegt in ihrem physikalischen Aufbau.

Die folgende Abbildung zeigt den Aufbau einer typischen Fotodiode (pn-Typ).

Herkömmliche pn-Typ-Fotodioden bestehen aus einer p-Typ-Halbleiterschicht mit vielen Löchern (positiv geladenen Teilchen) an der Oberseite und einer n-Typ-Halbleiterschicht mit vielen Elektronen und negativer Ladung an der Unterseite. An ihrer Verbindungsstelle bildet sich eine sogenannte Verarmungsschicht, in deren Nähe Licht hauptsächlich absorbiert wird.

Pn-Fotodioden haben eine relativ einfache Struktur, die die Herstellung vergleichsweise einfach macht. Diese einfache Struktur stellt jedoch eine Herausforderung für die Erzielung hoher Geschwindigkeiten dar.

Der Schlüsselfaktor für den Hochgeschwindigkeitsbetrieb von Fotodioden ist die Bandbreite. Sie gibt die Anzahl der Signale an, die pro Sekunde verarbeitet werden können. Eine größere Bandbreite ermöglicht die Verarbeitung größerer Informationen in kürzerer Zeit. Beispielsweise sind bei einer Bandbreite von 1 GHz eine Milliarde Signaloperationen pro Sekunde möglich.

Bei pn-Fotodioden muss der lichtabsorbierende Bereich (Verarmungsschicht) dick sein, um eine effiziente Lichtabsorption zu gewährleisten. Denn je länger die Strecke, die das Licht durch den Halbleiter zurücklegt, desto mehr Licht kann absorbiert werden. Wenn die Verarmungsschicht jedoch verdickt wird, nimmt die Reisestrecke für die durch Licht erzeugten Elektronen und Löcher zu, was zu einer langsameren Reaktionszeit des Geräts führt.

Der innovative Aufbau von Wellenleiter-Photodioden

Um dieses Problem zu lösen, wurden Wellenleiter-Photodioden mit einer neuartigen Struktur konzipiert. Mit einem Design, das eine effiziente Lichtabsorption und Trägerbewegung ermöglicht, können Wellenleiter-Photodioden sowohl einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb als auch eine hohe Empfindlichkeit erreichen.

Bei herkömmlichen Fotodioden tritt das Licht von der Oberseite des Bauteils ein, und Halbleiterschichten, die Licht absorbieren, wie z. B. die Verarmungsschicht, wandeln dieses Licht in Strom um. Im Gegensatz dazu tritt bei Wellenleiter-Photodioden das Licht von der Seite ein und wird allmählich absorbiert, während es durch eine horizontal längliche Schicht aus Verbindungshalbleitern fließt, die als "Wellenleiter" bezeichnet wird und in Elektrizität umgewandelt wird.
Das Konzept kann mit Regen verglichen werden, der direkt von oben auf den Boden fällt (herkömmliche Fotodioden) und mit Wasser (oder in Wirklichkeit Licht), das durch ein langes horizontales Rohr fließt (Wellenleitertyp). Diese horizontale Lichtausbreitungsfunktion ermöglicht es dem Licht, eine Strecke von Dutzenden bis Hunderten von Mikrometern innerhalb der Absorptionsschicht zurückzulegen, was die Lichtabsorptionseffizienz erheblich verbessert. Die Fähigkeit, dünne Wellenleiterschichten zu erzeugen, ist ebenfalls ein entscheidender Vorteil. Mit dünneren Wellenleiterschichten wird die Laufzeit für Elektronen und Löcher, die durch Licht erzeugt werden, um die Elektroden zu erreichen, verkürzt, was eine schnellere Reaktion ermöglicht. Darüber hinaus erleichtert die Möglichkeit, dünnere Geräte herzustellen, die Integration mit anderen optischen Komponenten auf demselben Substrat und trägt so zur Miniaturisierung der Komponenten bei.

Wellenleiter-Photodioden sind somit eine Technologie, die sowohl eine hohe Lichtabsorptionseffizienz als auch eine schnelle Reaktionsgeschwindigkeit erreichen kann. Für die praktische Umsetzung gibt es jedoch noch einige Herausforderungen, wie z.B. die effiziente Einkopplung von Licht in Feinwellenleiter. Der Folgeartikel stellt unsere Initiativen zur Bewältigung dieser Herausforderungen vor und liefert detailliertere Anwendungsbeispiele.

Bei Dexerials engagieren wir uns für die Realisierung der optischen Hochgeschwindigkeitskommunikation der nächsten Generation durch die Entwicklung von Wellenleiter-Photodioden.