研究成果概述

近日，浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院/現(xiàn)代光學(xué)儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室戴道鋅教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種可采用標(biāo)準(zhǔn)流片工藝制備的鍺硅雪崩光電探測器，所研制APD性能優(yōu)越，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)615GHz的創(chuàng)紀(jì)錄增益帶寬積GBP，并成功演示了其100 Gbps NRZ和PAM-4 高速信號接收，為下一代高速硅光集成的光接收奠定了核心光器件基礎(chǔ)，具有重要應(yīng)用前景。

相關(guān)研究成果以“High-speed waveguide Ge/Si avalanche photodiode with a record gain-bandwidth product of 615 GHz”（具有615GHz創(chuàng)紀(jì)錄增益帶寬積的高速鍺硅雪崩光電探測器）為題于2022年7月6日發(fā)表于美國光學(xué)學(xué)會(huì)旗艦期刊《Optica》。

背景介紹

隨著云服務(wù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新型業(yè)務(wù)的興起，數(shù)據(jù)傳輸速率及容量面臨前所未有的挑戰(zhàn)，其關(guān)鍵在于發(fā)展高速光電子器件。近10年來，硅基光電子快速發(fā)展，以其CMOS兼容和高集成度等突出優(yōu)點(diǎn)成為集成光電子領(lǐng)域的新興主流技術(shù)，而如何實(shí)現(xiàn)更高性能以滿足下一代應(yīng)用需求是其當(dāng)前發(fā)展所面臨的重要挑戰(zhàn)。眾所周知，高性能光電探測器是幾乎所有光學(xué)系統(tǒng)都不可或缺的核心器件。為了獲得更高靈敏度，人們發(fā)展了具有內(nèi)增益的雪崩光電探測器（APD），如鍺硅APD。此前報(bào)道的鍺硅APD增益帶寬積不高（通常為~300GHz），且往往需要引入比較復(fù)雜的多次外延垂直結(jié)構(gòu)或精細(xì)局部摻雜結(jié)構(gòu)，難以滿足未來高速高靈敏接收機(jī)發(fā)展需求。

圖1 所研制的鍺硅APD器件結(jié)構(gòu)圖及顯微鏡照片

文章亮點(diǎn)

針對這一問題，浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院/現(xiàn)代光學(xué)儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室戴道鋅教授團(tuán)隊(duì)最近發(fā)文報(bào)道了超高增益帶寬積的鍺硅APD最新研究成果。基于180 nm標(biāo)準(zhǔn)流片工藝，該團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)現(xiàn)了一種超高增益帶寬積的水平拉通型鍺硅波導(dǎo)APD，如圖1所示。

在此器件中，通過硅倍增區(qū)電場非均勻化，巧妙利用其“dead space”效應(yīng)，進(jìn)一步減小了硅倍增區(qū)等效電離比，有效降低了其過剩噪聲，突破了其增益帶寬積GBP制約。同時(shí)，創(chuàng)新性地引入淺刻蝕脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對該器件光場及電場的有益調(diào)控。一方面，有助于增強(qiáng)鍺區(qū)光吸收率，進(jìn)而提升其響應(yīng)度；另一方面，有效抑制了鍺區(qū)邊緣電場強(qiáng)度，有助于降低APD暗電流。尤為重要的是，該APD僅需采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS單次鍺外延工藝，避免了傳統(tǒng)的垂直分離吸收電荷倍增結(jié)構(gòu)APD所需的多次外延等復(fù)雜工藝。

研究團(tuán)隊(duì)所研制的APD器件工作于O波段（如圖1所示），其工作電壓約?14V、單位增益響應(yīng)度達(dá)0.93 A/W。特別是，該器件獲得48 GHz帶寬的同時(shí)，增益系數(shù)高達(dá)12.8，對應(yīng)的增益帶寬積高達(dá)615 GHz，如圖2a所示。基于此APD，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開展了高速信號接收實(shí)驗(yàn)，成功演示了速率達(dá)100 Gbps的NRZ和PAM-4信號接收，如圖2b所示，其靈敏度分別為?12.6 dBm和?11.3 dBm（BER=2.4×10-4）。

研究結(jié)果表明，所研制APD器件性能優(yōu)越且工藝簡便，為高速光信號的高靈敏度接收奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)，且與無源硅光器件、光調(diào)制器等核心功能器件工藝兼容，可進(jìn)一步構(gòu)建多功能集成應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖2 (a) APD帶寬與增益帶寬積；

(b) 100Gbps NRZ與100Gbps PAM-4信號眼圖測試

論文及作者信息等

論文第一作者為博士研究生項(xiàng)宇鑾，通訊作者為戴道鋅教授，合作作者包括郭敬書研究員、博士研究生曹恒鎮(zhèn)與劉超越。該研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家杰出青年科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金等支持。

審核編輯 ：李倩