【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】11月10日，上海科技大學信息科學與技術(shù)學院陳佰樂教授團隊聯(lián)合復旦大學余建軍教授團隊在《自然-光子學》(Nature Photonics)在線發(fā)表研究論文“Modified uni-travelling-carrier photodiodes with 206 GHz bandwidth and 0.81 A/W external responsivity”，報道了在高速光電探測器領(lǐng)域的重要突破：器件同時實現(xiàn)了超過200 GHz 的超寬帶寬與0.81 A/W 的外部響應度，并以133.5 GHz 的“帶寬–效率乘積”(bandwidth–effciency product, BEP)刷新世界紀錄，成功攻克了該領(lǐng)域帶寬與效率之間難以兼顧的長期瓶頸。這一成果為下一代單通道400 Gbps 乃至 800 Gbps 光互連提供了關(guān)鍵器件方案，同時也為高速、低功耗的 6G 與太赫茲通信提供了重要器件基礎。
 

波導型修正型單行載流子光電探測器(MUTC-PD)示意圖
 

　　近年來，隨著算力需求和高速數(shù)據(jù)流量的爆發(fā)式增長，光芯片的帶寬與能效已成為制約數(shù)據(jù)中心性能提升的核心瓶頸之一。與此同時，面向6G 的新一代無線系統(tǒng)也在借助光子輔助太赫茲鏈路向毫米波和亞太赫茲頻段拓展，對高性能光芯片提出了更高要求，以獲取更寬的可用頻譜和更大的傳輸容量。
 

　　作為這些系統(tǒng)中實現(xiàn)光-電轉(zhuǎn)化的主要光芯片，光電探測器(photodiode, PD)長期面臨帶寬與效率難以兼顧的技術(shù)瓶頸。尤其當系統(tǒng)帶寬需求突破 100 GHz 乃至更高時，這一固有矛盾被進一步放大，難以同時滿足高吞吐與低功耗的嚴格要求，從而成為制約數(shù)據(jù)中心光互連和6G/太赫茲通信持續(xù)發(fā)展的重點難題。
 

波導型MUTC-PD光電協(xié)同設計示意圖
 

　　為解決這一問題，研究團隊在波導型單行載流子(uni-travelling-carrier, UTC)結(jié)構(gòu)的基礎上，結(jié)合電場的精確調(diào)控，引入 BCB 平面化工藝，并集成模斑轉(zhuǎn)換器(spot-size converter, SSC)設計，實現(xiàn)了“高速載流子輸運—低寄生電容—高效光耦合”的協(xié)同統(tǒng)一。該器件同時實現(xiàn)了 206 GHz 的3 dB 超高帶寬和 0.81 A/W 的外部響應度，其帶寬–效率乘積(bandwidth–efficiency product, BEP)超過 130 GHz，刷新了國際高速光電探測器的性能紀錄，代表了該領(lǐng)域的最新技術(shù)前沿。
 

帶寬–效率指標全面領(lǐng)先國際前沿成果
 

　　在光互連場景下，器件可支撐單路400 Gbps乃至800Gbps的傳輸速率；在無線通信場景下，團隊基于該器件完成了太赫茲(THz)光混頻模組的封裝，并在無需外部低噪聲放大器(LNA)的條件下，實現(xiàn)了150 GHz 載波、120 Gbps 數(shù)據(jù)速率、54 m 鏈路距離的光子輔助無線傳輸演示，充分展示了該器件在6G/太赫茲通信中的重要應用潛力。
 

基于MUTC-PD模組的光載太赫茲通信實驗結(jié)果
 

　　上?？萍即髮W信息科學與技術(shù)學院陳佰樂教授和復旦大學信息科學與工程學院余建軍教授為共同通訊作者，上海科技大學2022級博士生李林澤、2024級博士生龍?zhí)煊詈蛷偷┐髮W博士生楊雄偉為本工作共同第一作者。上?？萍即髮W為第一完成單位。該工作的芯片工藝制備得到了上?？萍即髮W材料器件中心的支持。