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雪崩光电探测器（APD）是一种具有高增益的探测器，广泛应用于弱光探测的场合，比如长距离光纤通信、单光子探测和生物医学成像等。在当今信息社会，为了满足数据中心、光接入网和人工智能等领域对高速数据通信的需求，在满足APD的高增益之外，提高带宽特性显得尤为重要，而这就需要提高APD的增益带宽积。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矛盾。自那时起，增益带宽积就成为衡量APD性能的核心指标，也是APD研究关键难点。
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，其增益带宽积上限被证明为约300GHz，广泛应用于10和40Gb/s的光通信应用中。但是InP/InAlAs APD面对更高速的场合（比如100和200Gb/s）往往受限于它们的增益带宽积，如果将带宽做高，增益就较低。人们很早就注意到另外一种倍增材料——硅，它具有比InP/InAlAs更加优异的倍增性质，理论上支持更高的增益带宽积，而且与CMOS工艺兼容，可以支持大规模量产。另一方面，为了支持1310和1550nm光通信波段的探测，引入了锗材料作为光吸收材料，构成锗硅APD探测器。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增益带宽积的锗硅APD。从此APD的研究进入新的热潮。经过近十年的发展，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。他们采用了一种“L型”的吸收-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（图1）。首先，通过精细调控电场，隔绝了对增益带宽积不利的锗倍增过程；接着通过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，从而增加了增益带宽积。实验中，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，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。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（图2）。研究团队认为该工作为下一代高速光互连开辟了新的道路。
图1. 所研制的锗硅APD探测器的结构示意图。a，3D示意图；b，2D截面示意图。
图2. a, 带宽测试结果图；b，带宽和增益带宽积随着增益变化关系；c，测到的高速OOK和PAM4信号的眼图；d，该工作和其他工作的比较。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41566-024-01421-2
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