首页技术中心行业应用高灵敏度、低噪声光通信器件的未来

高灵敏度、低噪声光通信器件的未来

发布时间：2026-01-29 16:23:00 阅读数： 55

由华中科技大学武汉光电国家实验室赵艳丽教授领导的研究团队开展的研究工作表明，基于绝缘体上硅衬底的InGaAs/Si雪崩光电二极管首次通过采用光子捕获结构得到了改进。他们的研究成果发表在《传感器》（Sensors）杂志上。

图片描述

研究：用于工作波长为 1.31 μm 的 InGaAs/Si 雪崩光电二极管的光子捕获微结构。

随着光网络基础设施的快速发展，高灵敏度雪崩光电探测器（APD）在光通信领域的重要性日益凸显。数据中心利用光通信链路来管理不断增长的数据流量和带宽。

雪崩光电探测器（APD）

目前大多数APD技术都基于III-V族材料。III-V族材料，例如InGaAs/InP，是一种可以根据外部因素或化学变化而表现出导电性或绝缘性的材料。

由于碰撞电离系数比较高，InGaAs/InP APD 的噪声和带宽性能受到限制。

与III-V族化合物相比，锗和硅材料的电子迁移率较低，在光通信窗口的吸收也较低。这些优势使得基于InGaAs/Si或Ge的APD器件在光链路中更加有效。

传统上，InGaAs材料是通过外延生长在Si衬底上的。但由于该材料存在大量的位错和缺陷，这种方法效率低下。一种更有效的制备性能更优异的InGaAs/Si雪崩光电二极管（APD）的技术是将InGaAs材料键合到Si材料上，从而形成新型的InGaAs/Si异质结材料。

除了改进制造工艺外，近期的研究重点在于利用谐振腔效应或光捕获结构来提高光电探测器的光吸收效率。此前的研究工作已经设计并测试了一种独特的谐振腔增强型光电探测器（RCE-PD）。通过蚀刻微孔和纳米孔（也称为“光子捕获”（PT）结构），本征层厚度小于2米的硅光电探测器的吸收效率提高了一个数量级。经过进一步优化，该效率有望达到70%以上。

该团队研究了一种通过 PT 结构改进的 InGaAs/Si APD。他们的创新设计是基于 Wanhua Zheng等人用于堆叠结构的光学仿真模型构建的。

图片描述

（a）InGaAs/Si PT-APD 的三维示意图；（b）InGaAs/Si PT-APD 的横截面图。

实验细节

为了提高响应速度，我们设计了一种独特的InGaAs/Si光子捕获雪崩光电二极管（PT-APD）探测器，其采用光子捕获纳米孔阵列拓扑结构。PT结构是一个方形晶格，器件核心区域周期性分布着纳米孔。通过改变PT结构的特征，例如孔的深度、周期和直径，可以改变器件内的光场分布。PT结构构建在垂直InGaAs-Si雪崩光电二极管上。为了提供所需的高折射率差以限制探测器有源层中的光子，衬底采用了绝缘体上硅（SOI）晶片。

该出版物详细描述了 PT-APD 的制造方法和光子捕获结构的基本理论。

本研究的主要目标是设计一种工作波长为1310纳米的高响应InGaAs/Si雪崩光电二极管（APD）。设计过程中首先优化了光电晶体管（PT）结构的周期。当周期小于入射波长时，PT结构中会产生沟道模式，而沟道模式的形成有助于增强入射光与器件之间的光耦合。

通过同时扫描孔半径和孔深度，模拟了具有 PT 结构的 InGaAs/Si APD 的吸收效率，以进一步提高 PT-APD 的吸收效率。

为了评估器件的光学过程，还研究了特定方向上的坡印廷光能量分布。
为了评估InGaAs/Si APD应具备的电学特性，对堆叠结构进行了电学仿真。结果表明，有光照和无光照时，内部电场分布截然不同。

还测试了改进的 InGaAs/Si APD 的模拟暗电流、光电流和响应度与偏置电压的关系。

评论和展望

赵教授团队开发了一种基于SOI晶片的PT结构，并将其与InGaAs/Si APD耦合，从而在线性工作模式下实现了更高的响应速度。他们提出了一种改进的吸收、梯度、电荷和倍增InGaAs/Si APD，使其能够应用于光通信领域。通过调整PT结构的参数，可以显著提高PT吸收型APD的性能。

在标准工作电压下，响应速度可提高1.6倍。本研究探索了一种全新的技术方案，适用于高灵敏度、低噪声的光通信系统。