【儀表網 研發快訊】11月10日，上海科技大學信息科學與技術學院陳佰樂教授團隊聯合復旦大學余建軍教授團隊在《自然-光子學》(Nature Photonics)在線發表研究論文“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域的重要突破：器件同時實現了超過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據流量的爆發式增長，光芯片的帶寬與能效已成為制約數據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。
 

　　作為這些系統中實現光-電轉化的主要光芯片，光電探測器(photodiode, PD)長期面臨帶寬與效率難以兼顧的技術瓶頸。尤其當系統帶寬需求突破 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，從而成為制約數據中心光互連和6G/太赫茲通信持續發展的重點難題。
 

波導型MUTC-PD光電協同設計示意圖
 

　　為解決這一問題，研究團隊在波導型單行載流子(uni-travelling-carrier, UTC)結構的基礎上，結合電場的精確調控，引入 BCB 平面化工藝，并集成模斑轉換器(spot-size converter, SSC)設計，實現了“高速載流子輸運—低寄生電容—高效光耦合”的協同統一。該器件同時實現了 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，代表了該領域的最新技術前沿。
 

帶寬–效率指標全面領先國際前沿成果
 

　　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，實現了150 GHz 載波、120 Gbps 數據速率、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果
 

　　上海科技大學信息科學與技術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級博士生龍天宇和復旦大學博士生楊雄偉為本工作共同第一作者。上海科技大學為第一完成單位。該工作的芯片工藝制備得到了上海科技大學材料器件中心的支持。