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2微米波段单行载流子传输高速光电探测器
国际光学权威期刊《Optica》（IF=9.2）以“High-speed uni-traveling carrier photodiode for 2 μm wavelength application”为题发表了上海科技大学信息科学与技术学院陈佰乐团队最新研究成果：首次在2微米波段实现3dB带宽为25GHz的室温工作高速探测器，并且实现了30Gbit/s的眼图。
研究背景
随着大数据，人工智能的快速发展，现有的光纤通讯系统已经渐渐的逼近了它的容量极限。目前由于1.55微米通信波段（约1480纳米至1610纳米）总共只有约15THz的带宽，在不久的将来（2023年左右），1.55微米波段光纤通信系统将无法继续维持高速容量增长以满足互联网的增长需求。2微米波段（约1750纳米至2050纳米）具有将近28THz的带宽，可以极大地提高光纤通信的总容量，是目前的一个研究热点。掺铥光纤放大器和空芯光子带隙光纤的进一步发展使得2微米波段光纤通信成为可能。为了实现高速率数据传输，高速光电探测器需要进一步的设计研发以满足系统的要求。
除了在光通信领域的应用，高速短波红外探测器还在相干光谱学领域有重要应用。近年来，相干双光梳光谱学由于其超高光谱分辨率、超快采样时间的特性，成为研究分子吸收光谱的重要工具。双光梳光谱系统通常需要一个高带宽，高饱和功率的探测器来提高其信噪比。由于众多温室气体（比如二氧化碳、一氧化碳、甲烷）在波长为2微米左右的短波红外线区域相对于近红外波段（<1600纳米）均有更强的吸收峰，呈现出独特的光谱特性, 2微米波段（甚至更长波长）的短波红外双光梳系统也引起众多课题组的兴趣。高响应速度、高饱和功率的短波红外探测器是提高2微米波段双光梳光谱学系统性能的关键元器件之一，在短波红外双光梳系统具有重要的应用前景。
创新研究
目前主流的2微米探测器是使用高In成分的InGaAs探测器，但是由于InGaAs材料的晶格常数随着In成分的增加而增大，高In成分（In成分大于53%）的InGaAs材料不再和InP衬底晶格匹配，因此会带来额外的位错缺陷，从而影响探测器的暗电流特性。针对这一难题，该课题组利用InP基InGaAs/GaAsSb二类超晶格材料作为吸收层，具有晶格匹配于InP衬底的优势，极大地降低器件的暗电流，对10微米直径的器件，在室温下-3V下实现3nA的暗电流。这和传统的高In成分InGaAs探测器相比，暗电流性能要小一个数量级。
为了实现对2微米红外线的高速探测，文章作者利用单行载流子传输结构（uni-traveling carrier structure），巧妙地解决了吸收层材料中空穴传输速度慢的局限性，仅利用电子进行传输（这也是此结构被称为单行载流子传输结构的原因），实现了25GHz的3dB带宽和30GBit/s的眼图。这是目前已经报道的响应速度最快的2微米波段高速探测器。
上海科技大学博士研究生陈垚江为论文第一作者，陈佰乐教授为论文的唯一通讯作者。该项研究得到了上海扬帆计划和上海科技大学启动基金的支持。
图文速览
图1. 探测器的结构示意图。
图2: 不同大小器件的室温暗电流特性
图3: 10微米直径器件在不同电压的3dB带宽特性
图4: 10微米直径器件在20Gbit／s，25Gbit/s，30Gbit/s的眼图特性
文章链接
Yaojiang Chen, Zhiyang Xie, Jian Huang, Zhuo Deng, and Baile Chen, "High-speed uni-traveling carrier photodiode for 2 μm wavelength application," Optica 6, 884-889 (2019)
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