【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】11月10日，上海科技大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院陳佰樂教授團隊聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)余建軍教授團隊在《自然-光子學(xué)》(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(yīng)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(chǔ)。
波導(dǎo)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(dāng)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(dǎo)型MUTC-PD光電協(xié)同設(shè)計示意圖
為解決這一問題，研究團隊在波導(dǎo)型單行載流子(uni-travelling-carrier, UTC)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)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(shè)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(yīng)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(yīng)用潛力。
基于MUTC-PD模組的光載太赫茲通信實驗結(jié)果
上海科技大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院陳佰樂教授和復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院余建軍教授為共同通訊作者，上海科技大學(xué)2022級博士生李林澤、2024級博士生龍?zhí)煊詈蛷?fù)旦大學(xué)博士生楊雄偉為本工作共同第一作者。上海科技大學(xué)為第一完成單位。該工作的芯片工藝制備得到了上海科技大學(xué)材料器件中心的支持。
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