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《微型超高速量子压缩光场探测器》

  • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
  • 编译者： husisi
  • 发布时间：2020-12-07

  • 压缩光场作为一种非常有用的量子效应，可用于量子通信、量子计算和量子测量等领域，例如被LIGO和Virgo引力波观测站用来提高探测器灵敏度，突破量子极限。实现对压缩光场的测量，则需要具有超低电子噪声的探测器，才能够检测出光场的弱量子特性。然而到目前为止，这类探测器的测量带宽一直限制在1GHz左右。

    英国的一个研究小组最近设计了一种新的微型高速量子压缩光场探测器，实现了宽带、高速的压缩光场探测。该设计将互补的CMOS兼容型锗硅纳米光子学器件与锗硅集成放大电子器件结合，如下图所示，其探测器包含集成光子线路（photonic integrated circuit, PIC）芯片和跨阻放大器（transimpedance amplifiers, TIA）芯片两部分。这两种互补器件的结合减小了整个零差探测器的总电容，从而提高了探测器对压缩光场的测量速度，实现了1.7GHz的3dB带宽，总带宽受散粒噪声限制到9GHz，能够在100MHz到9GHz的宽带范围内对连续激光泵浦的压缩光场进行探测，并用它进行状态层析成像。该研究成果发表在了最新的《Nature Photonics》期刊上。

    这种微型集成超高速压缩光场探测器，将测量带宽提高了近一个数量级，可以为连续变量量子光学提供快速和多目标的零差探测，也为光量子器件的全栈集成开辟了一种路径，还能够用于更高性能的量子计算和量子通信等领域。

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    • 编译者：胡思思
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    • 中国科学技术大学精密机械与精密仪器系赵旸教授团队研究设计了一种长波红外(Long-wavelength Infrared, LWIR）微型超构透镜阵列与光机械红外探测器的单片集成方案，并对其进行了制造和表征。该团队开发了一种MEMS(Microelectromechanical Systems)加工工艺，将微型超构透镜阵列直接制作在红外探测器衬底的背面。通过微型超构透镜阵列对红外光的聚集作用，红外探测器的等效填充因子得到了显著提高，从而获得了更灵敏的红外响应。实验测试结果表明，单片集成微型超构透镜阵列显著提升了光机械红外探测器在长波红外8~14 μm波段的响应率，实现了81.8%的性能提升。 红外探测技术在工业、汽车、消费电子等诸多领域都有着广泛的应用。然而，红外探测器在灵敏度、成本效益以及集成性等方面均无法与可见光探测器相比，这激发研究人员开始探索使用可见光探测器进行红外探测的新方法。其中，基于双材料微悬臂梁热变形的光机械非制冷红外探测器正是利用了这种新方法，通过“红外光-热-机械-可见光”能量转换实现红外测量，展现了巨大的应用潜力。然而，与大多数类型的红外探测器一样，它也面临着填充因子低的限制，即光敏区域占像素面积小导致光能利用效率低下。 微型超构透镜是一种基于亚波长结构设计的平面微透镜。与传统的曲面微透镜不同，微型超构透镜通过亚波长结构的排列组合灵活操控光波的相位、幅度、波长或偏振，从而实现光的精确聚焦和控制。这种技术使得超构透镜具有紧凑的尺寸、设计灵活性和对不同光谱的高效控制能力。同时，它们与MEMS高度兼容，广泛应用于高分辨成像、光学传感器和虚拟现实（VR）设备等领域。微型超构透镜阵列有望与红外探测器单片集成，从而大幅提升入射红外光的利用效率，增强红外探测器的响应。 创新点一：提出长波红外微型超构透镜阵列与光机械红外焦平面探测器阵列的单片集成方案。该工作中，光机械红外焦平面探测器阵列锚定在硅衬底上，而由硅制成的介质微型超构透镜直接制作在衬底背面，微型超构透镜与红外焦平面探测器像素一一对准。通过微型超构透镜阵列对红外光的聚集作用，将整个像素面积内的光聚焦与远小于像素面积的光吸收区域（Absorber），从而显著提高红外探测器的等效填充因子，获得了更灵敏的红外响应。 图1 集成微型超构透镜显著提高红外探测器的像素利用区域 图2 单片集成微型超构透镜的红外探测器 创新点二：利用不同尺寸亚波长单元结构对光的相位进行调控，模拟出微型超构透镜的相位轮廓，即可实现对光的聚焦调控。仿真计算结果表明，当吸收板尺寸为26 μm × 26 μm时（像素尺寸为60 μm，填充因子为19%），超过80%的入射辐射可以被吸收板所接收，极大地提升了光能利用效率。 图3 面向长波红外应用的微型超构透镜阵列设计与仿真计算：（a）单个微型超构透镜的结构示意图；（b,c）微型超构透镜阵列在x-z平面(x=0)以及x-y平面(z=300 μm焦点处)的光场分布 创新点三：探索了单片集成微型超构透镜阵列的光机械红外探测器的全套微纳加工工艺，并成功制备所提出的集成式探测器。为超构光学与MEMS器件的集成提供了设计与制备基础，而MEMS与超构透镜的集成将推动新一代光学器件的发展，提升其在各类应用中的表现。与未集成微型超构透镜的探测器像素相比，集成了集成微型超构透镜的像素响应率提高81.8%。 图4 单片集成微型超构透镜的红外探测器阵列制造与表征：（a）微纳加工工艺；（b,c）正面光机械红外探测器阵列；（d,e）背面微型超构透镜阵列 图5 集成与未集成微型超构透镜的红外探测器像素的响应 提出长波红外微型超构透镜阵列与光机械红外焦平面探测器阵列的单片集成方案，光机械红外焦平面探测器阵列锚定在硅衬底上，而由硅制成的介质微型超构透镜直接制作在衬底背面，微型超构透镜与红外焦平面探测器像素一一对准。通过微型超构透镜阵列对红外光的聚集作用，提高红外探测器的等效填充因子。探索了单片集成微型超构透镜阵列的光机械红外探测器的全套微纳加工工艺，并成功制备所提出的集成式探测器。与未集成微型超构透镜的探测器像素相比，集成了集成微型超构透镜的像素响应率提高81.8%。未来可通过逆设计进一步提高微型超构透镜的聚焦效率；也可利用超构透镜对波长和偏振的灵活控制，在此研究基础上，实现紧凑式第三代多色/偏振红外探测器，极大地拓展其应用场景。
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  • 《前沿 | 1,033 GHz超高增益带宽积雪崩光电探测器》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2024-06-13
    • 华中科技大学武汉光电国家研究中心的张新亮教授、余宇教授团队在光电探测器研究领域取得重要突破。研究团队基于硅锗材料构建L型SACM结构并协同谐振效应，克服传统材料和工艺限制，为探测器的增益与带宽性能带来颠覆性提升。该工作将雪崩光电探测器APD的增益带宽积提升至THz量级，为下一代高速光互连及人工智能等新兴领域提供了新的技术路径和解决方案。 雪崩光电探测器（APD）是一种特殊的具有增益的光电探测器，在实现光电物理转换的同时，通过材料内部的载流子倍增机制对光电流进行有效放大，被广泛地应用于对弱光检测场合。此外，随着全球数据量的海量激增与摩尔定律逼近极限，信息时代正遭遇容量危机，要求探测器兼具大带宽的工作特性，以支撑当今数据中心的高速率通信。因此，增益带宽积（GBP）作为衡量APD性能的核心指标，它反映着APD在实现光电转换的过程中所兼顾增益和带宽的能力，GBP对于光通信系统的灵敏度与通信速率起到决定性影响。 然而上世纪六十年代，美国物理学家Emmons便从理论上揭示了APD的增益和带宽之间存在固有矛盾。历经半个世纪的发展，传统的商用APD采用磷化铟（InP）或者铟铝砷（InAlAs）作为载流子的倍增材料，器件带宽超过35 GHz，但受限于材料的低增益与高噪声的内禀属性，其增益带宽积至今无法突破300 GHz瓶颈，在光模块产业从单波100 Gb/s向着单波200 Gb/s技术更迭的浪潮中难以立足。 伴随着近三十年硅光技术的蓬勃发展，以硅（Si）作为倍增材料，外延生长锗（Ge）实现1310/1550 nm通信波段光吸收的硅锗APD，逐步迈向光通信领域的中心。虽然，Si材料相较于InP/InAlAs具有更优的倍增特性，理论上支持更高的增益。但是，硅锗APD的带宽特性受到Ge材料较低载流子迁移率的制约，加之局限的优化技术与工艺手段，其增益带宽积数十年来始终徘徊于百GHz量级。 图1 本工作与其他APD性能指标对比：速率、带宽和增益带宽积 近日，张新亮、余宇教授团队研制出世界首个增益带宽积突破1THz的高性能锗硅APD。研究团队利用“L型”吸收-电荷-倍增分离的结构（SACM），并且协同调控其中电场分布和谐振效应，器件在增益高达19.5的状态下仍能得到53GHz的大带宽，即1033 GHz增益带宽积。其中，通过对P型电荷层宽度进行恰当拉宽，有效地防止电荷层向倍增区扩散的同时，还对内部电场强度进行精密调控，隔离了不利于增益的锗倍增过程。然后，在Ge和Si之间引入间隙用于抑制Ge表面的电场，从而降低APD的有效电离系数而提高增益。最后，利用电极上的螺旋设计引入等效电感，优化倍增区域的动态谐振进而抬升器件带宽，促使GBP进一步提升。此外，条形硅波导采用锥型耦合结构用于解耦光吸收长度和载流子传输路径，保证了效率和速率的双重提高。 研究团队还基于硅锗APD进一步开展了高速信号的眼图与信噪比测试（图3），以验证器件的高速接收特性。实验表明，探测器对于112 Gb/s OOK和200 Gb/s PAM4的超高速率弱光信号，均能实现高灵敏度接收。此外，利用四通道APD阵列结合波分复用技术，成功演示了满足800 Gb/s业界前沿标准的高速率光信号接收。 图2 所述硅锗APD结构（a），器件带宽（b）、增益与增益带宽积测试结果（c） 图3 APD高速信号传输测试 该研究针对硅锗材料内蕴的物理机制以及工艺结构提出行之有效的优化策略，解决了APD的增益与带宽难以协同提升的难题，创造了THz量级增益带宽积纪录，有望推动高速硅光方案进一步跨越式发展。同时，硅锗APD的制备与成熟的互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺完全兼容，易于实现低成本、大规模量产。伴随着该技术的深入优化与应用，能够加速800G甚至1.6T光模块的全球化产业布局，并在下一代光通信系统中实现更快的数据传输速度和更高的通信质量，为大数据、云计算和人工智能等新兴科技发展提供强有力的支持。
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