Het te voeren onderzoek is gericht op de realisatie van fotonische en elektronische geïntegreerde circuits bedoeld voor hoge-snelheids zender-ontvangers. Toepassingen zoals artificiële intelligentie, “machine learning” etc. vergen verwerking van zeer grote hoeveelheden data. In het bijzonder het trainen van bijvoorbeeld “large language models” (LLM’s), die tegenwoordig tot 1000 miljard parameters kunnen bevatten, gebeurt door middel van tienduizenden computationele verwerkingseenheden (“processing units”), die in rekken binnen grote data centra zijn opgesteld. Het trainen van de LLM’s vergt uitwisselen van enorme hoeveelheden (tientallen Terabit per seconde per netwerkprocessor is gangbaar) data zowel tussen de verwerkingseenheden onderling, als tussen diverse vormen van geheugenopslag. Een groot deel van het datadebiet binnen de data centra wordt getransporteerd via een complex hiërarchisch optisch netwerk. Verder opschalen van de mogelijkheden van LLM’s vereist dat deze netwerken en de bijhorende optische zender-ontvangers een exponentieel groeiende hoeveelheid data dienen te kunnen verwerken. Huidige state-of-the-art optische zender-ontvangers hebben een bandbreedte van 800Gb/s tot 1.6Terabit/s. De verwachting is dat deze bandbreedte dient te schalen naar 3.2Terabit/s en zelfs 6.4Terabit/s tegen het einde van dit decennium. Om dit te realiseren zal het nodig zijn om zowel de transmissiesnelheid (uitgedrukt als baudrate, dit is het aantal symbolen per seconde), het aantal kanalen per zender-ontvanger (ofwel het aantal glasvezels of het aantal optische golflengtes) als de complexiteit van de verzonden symbolen (constellatie) te verhogen.

Een optische zender-ontvanger wordt vandaag typisch geïntegreerd in een module (ter grootte van een luciferdoosje), en omvat fotonische circuits (modulatoren, detectoren, alsook een of meerdere lasers), elektronische circuits (hoge-snelheids analoge versterkers, data convertoren en digitale signaalverwerking) en ondersteunende componenten (die bijvoorbeeld zorgen voor koeling van de laser). De steeds complexere fotonische circuits (bijvoorbeeld hoog aantal kanalen) heeft ervoor gezorgd dat het process om deze te realiseren vandaag bij voorkeur meer Silicon Photonics is. De analoge versterkers worden dikwijls gerealiseerd door middel van SiGe BiCMOS (steunend op ultra-snelle heterojunctie bipolaire transistoren), en eventueel zelfs InP (indium fosfide, een materiaal dat toelaat bijzonder snelle transistoren te realiseren). De data convertoren en zeer complete digitale signaalverwerking worden typisch gerealiseerd in zeer geavanceerde CMOS processen, zoals 5nm FinFET, of tegenwoordig zelfs 2nm CMOS gate-all around technologie.

Dit onderzoek richt zich specifiek op het verhogen van zowel de complexiteit van de verzonden symbolen (waardoor het aantal verzonden bits per symbool vergroot) als het verhogen van de transmissiesnelheid. Concrete doelen zijn het demonstreren van “dual-polarization, quadrature shift-keying” (DP-QPSK, 4 bits per symbool), “dual-polarization, 16-ary quadrature amplitude modulation” (DP 16-QAM), en zeer hoge snelheid 4-niveau puls amplitude modulatie (PAM-4). Bovendien worden transmissiesnelheden ver voorbij de huidige state-of-the-art ~100Gbaud beoogd. Deze ambitie vergt innovatie op een aantal domeinen, zoals hieronder meer in detail besproken:

• Realisatie van het fotonische gedeelte van de optische zender-ontvanger, steunend op nieuwe platformen zoals worden ontwikkeld door imec en Universiteit Gent. Hierbij kan het gaan om Silicon Photonic platform, waarbij nieuwe materialen zoals III-V (InP), LiNbO3 of BTO worden beoogd met als bedoeling meer performante optische modulatoren. Een bijzondere uitdaging is de realisatie van een voldoend breedbandige (elektro-optische bandbreedte >100GHz) optische modulator, waarbij gebruik van III-V of LiNbO3 kritisch is.
• Realisatie van InP gebaseerde modulator driver elektronica, met focus zeer hoge bandbreedtes (ver voorbij 100GHz). Deze elektronica dient geoptimaliseerd te worden samen met de optische modulatoren, waarbij keuze van bijvoorbeeld spanningszwaai, impedantieniveau, “peaking” nauwkeurig tegen elkaar dienen afgewogen te worden.
• Realisatie van ultra hoge snelheids data convertoren, steunend op geschaalde CMOS processen. Opnieuw dient deze nauwkeurig samen met de analoge elektronica te worden geoptimaliseerd.

De bovenstaande realisaties steunen op een groot portfolio aan projecten die lopen binnen het IDLab design ZAP team. De BOF financiering zal specifiek aangewend worden om demonstratoren te realiseren steunend op de bovenvermelde componenten. De financiering zal in het bijzonder toelaten een aantal specifieke demonstratoren te bouwen en testen die niet mogelijk zijn met het huidige portfolio aan projecten. Hierbij wordt bijvoorbeeld concreet gedacht aan:

• Een demonstrator van een >100GHz optische modulator geassembleerd met de InP breedbandversterker,
• Een demonstrator van een optische zender steunend op een 5nm data converter, InP breedbandversterker en >100GHz optische modulator.