华中科技大学张新亮、余宇团队在高速雪崩光电探测器的研究方面取得重要进展

2024年4月9日，《自然-光子学》（Nature Photonics）以 Avalanche photodiode with ultrahigh gain–bandwidth product of 1,033 GHz 为题在线发表了张新亮教授和余宇教授课题组在雪崩光电探测器的研究中取得的重要研究成果。他们基于锗硅材料，首次实现了增益带宽积超过1THz的高速雪崩光电探测器。

雪崩光电探测器（APD）是一种具有高增益和高灵敏度的探测器，广泛应用于微弱光探测，比如长距离光纤通信、单光子探测和生物医学成像等各种场合。早在上世纪六十年代，美国物理学家Emmons就从理论上揭示了APD的增益和带宽之间的固有矛盾，从此增益带宽积就成为衡量APD性能的核心指标和研究难点。为了满足当今数据中心、光接入网和人工智能等领域对高速数据通信的需求，需要同时兼顾高增益和高带宽特性，这就需要不断提高APD的增益带宽积。长期以来，商用的高速APD采用磷化铟（InP）或者铟铝砷（InAlAs）作为载流子的倍增材料，广泛应用于10和40Gb/s的光通信中。但是它们面对更高速的场合，比如100和200Gb/s，往往受限于大约300GHz的增益带宽积上限：如果将带宽做高，增益就较低。人们很早就注意到锗硅APD，它以硅为倍增材料，具有比InP/InAlAs更加优异的倍增性质，理论上支持更高的增益带宽积。然而受限于技术和工艺，直到2009年才报道了首例可以与InP/InAlAs材料媲美的结果：340GHz增益带宽积。经过十几年的发展，锗硅APD的增益带宽积始终局限在百GHz的量级。

近日，华中科技大学张新亮和余宇教授团队报道了首个增益带宽积突破1THz的高速锗硅APD（图1）。他们采用了一种特殊的“L型”吸收-电荷-倍增分离的结构，并且协同调控其中的电场分布和谐振效应。首先，通过调控锗区的电场隔绝了对增益带宽积不利的锗倍增过程；接着创造性地利用片上电感来和倍增区的等效电感、吸收区的等效电容相互作用，从而调控高增益下的倍增区的谐振效应，抵消了雪崩建立时间对带宽的不利影响，提高了高增益下的带宽，增加了增益带宽积。实验中，在增益为9-19.5的范围内都得到了高达53GHz的带宽，增益带宽积为1033GHz（图2）。同时，利用这个器件验证了112Gb/s的OOK信号和200Gb/s的PAM4信号的高质量接收。这项工作为下一代高速光互连开辟了新的道路。

华中科技大学博士生石洋为该工作的第一作者，余宇教授、张新亮教授为论文共同通讯作者，华中科技大学为第一完成单位。其他合作者包括中国地质大学的李响教授、华中科技大学博士生邹明洁、蔡宏隽。这项研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、湖北省重点研发计划、光谷实验室创新项目和华中科技大学前沿青年团队项目的资助。

图1. a，所研制的锗硅APD探测器的结构示意图。b，掺杂区域的截面示意图。c，该工作和其他工作的比较。

图2. a, 带宽测试结果图。b，带宽和增益带宽积随着增益的变化关系。c，测到的高速OOK和PAM4信号的眼图。