集成光学突破！首次验证铌酸锂波导片上高带宽高速光电探测器

来源：爱光学

21世纪是高速通信、大数据云计算的时代，光电集成电路有望成为高性能、低成本、可量产的通信/传感和量子计算应用解决方案。铌酸锂拥有较大的电光系数、二阶非线性电极化率以及从可见光到红外波段的宽透明光学窗口等诸多独特的材料性能，有望成为最适合做光电集成电路的材料平台之一。

高带宽电光调制器作为一种芯片集成薄膜铌酸锂器件，已经被开发，并且符合CMOS工作电压范围。低损耗激光器也于近期被集成在薄膜铌酸锂芯片上。至此，除光电二极管之外，光电集成电路所需要的基础器件都已在薄膜铌酸锂平台上实现，并展现了较高的性能。

作为光通讯网络和微波光子集成系统中的重要组成部分，光电探测器可以把被调制的高速光信号转换成光电流。通常而言，光子集成电路中的光信号是通过光纤耦合到单独的光电探测器中，但这一方式引入了多余的光损耗，并且无法满足将光子集成电路实现在芯片上的需求。

为解决上述问题，美国弗吉尼亚大学的Andreas Beling教授、Xiangwen Guo教授研究团队联合Hyperlight Corporation（一家于2018年在哈佛成立的初创公司）的首席执行官Mian Zhang 博士以及哈佛大学的 Marko Lončar 教授等人第一次通过实验验证了集成在铌酸锂波导上的高带宽高速光电探测器。相关研究成果发表于Photonics Research2022年第6期。

该文章所报道的方法对磷化铟为基底的单行载流子光电探测器进行了一系列的优化，以使其具有更高的带宽和更高的光电转化效率，并且通过晶圆键合实现了铌酸锂和磷化铟异质的集成。

如图1所示，光电探测器集成在薄膜铌酸锂波导顶部，光从该波导耦合进入吸收层，并转换成光电流。在实验中，透镜光纤用于耦合1550 nm波长的光、光电流通过高频探头提取。

图1（a）集成在薄膜铌酸锂波导上的光电探测器示意图; (b)光电探测器的光学显微镜图片：光纤 (图左) 和高速探针 (图右); (c) 完整芯片的光学显微镜图片，含集成的电光调制器和光电探测器

实验结果表明，光电探测器达到创纪录的80 GHz/3 dB 带宽（图 2a）和 0.6 A/W 的高响应度。光电检测器的数字数据检测性能是通过眼图来表征的（图 2b）：非归零开关键控数据模式以 40 Gbit/s 的速度生成，并被输入到薄膜铌酸锂波导中。通过与商业光电探测器比较，图 2b 展示了集成光电探测器清晰且张开的眼图。值得一提的是，集成光电探测器有能力处理足够的光电流，并为示波器提供高信噪比，因此在测量中无需放大器增强电信号。清晰的眼图证明了集成光电探测器的高带宽性能，并展示了其数字通信应用的能力。

图2（a）3 dB带宽测量结果（小面积的光电探测器达到了80 GHz）；（b）眼图测量实验结构图（图上），商用光电探测器（图左）和薄膜铌酸锂上的集成光电探测器（图右）的测量眼图

Andreas Beling教授表示：“实验结果表明，异质集成的磷化铟基底单行载流子光电探测器是光电集成电路器件中光信号探测的强有力的候选者。”

作者简介

Andreas Beling

美国弗吉尼亚大学

主要研究方向：光电器件、毫米波和太赫兹电子、无线光通信系统

Andreas Beling，美国弗吉尼亚大学电气与计算机工程学院，教授。2000年硕士毕业于德国波恩大学，并于2006 年在德国柏林工业大学获得电气工程专业博士学位。2006~2008年，在美国弗吉尼亚大学担任科研助理，并担任光纤通信系统相干接收器项目经理。自2013年起担任该学院的助理教授，曾在科学期刊上发表130余篇论文，撰写3本书章节和3项专利。他曾担任美国光纤通信（OFC）会议（2010-2012）、国际磷化铟及相关材料会议（2014）、国际微波光子学会议（2015、2016）和国际集成光子学技术程序委员会（2016 年）的成员。他是美国光学学会（Optica）和电气与电子工程师协会（IEEE）的会员，并自2014年起担任Journal of Lightwave Technology的副主编。

论文链接：

https://www.researching.cn/articles/OJ716567b4d045fd38