为满足日益增长的数据流量需求，硅光子技术已经发展成为一种有前途的超高速低成本光互连技术。然而在硅光平台上实现高性能光电探测器，仍然需要克服诸多困难，例如需要集成更窄的带隙材料，而这会带来更复杂的制造工艺、更高的制造成本和量产问题。
近日，美国推出全球首款经济高效的八通道雪崩光电探测器全硅接收芯片。八个通道均表现出卓越的性能和一致性，响应度为0.4AW-1，暗电流低至1nA，带宽高达40GHz。每通道支持160Gbs-1的创纪录数据传输和低于-50dB的超低串扰，总数据传输速率高达1.28Tbs-1。相关成果发表在Nature Photonics上。
新型双微环谐振器设计，突破带宽和响应度极限
硅光子技术采用成熟的CMOS制造工艺，具有更高的集成密度、更低的成本和CMOS加工精度等显著优势。该技术允许将光学芯片直接与电子芯片（如CPU、GPU、张量处理单元和专用集成电路）共同封装。因此，可以重新配置网络以提供比当今电气解决方案高得多的带宽和效率。其中，高速、高响应度光电探测器在光学互联中必不可少。电信波长的光电探测器通常使用通过异质外延生长锗制造的器件来实现。但由于硅锗界面存在缺陷，硅锗光电探测器和雪崩光电探测器存在暗电流较高和可靠性较差的问题。除此之外，锗的高温外延生长复杂且成本高昂，并且在整个晶圆上厚度分布不均匀。高成本和复杂工艺程序导致使用该技术制备的光电探测器无法大规模商用。
为了解决这些问题，研究人员提出一种新型双微环谐振器光电探测器。相比于使用异质外延生长锗技术的光电探测器，该雪崩光电探测器采用全硅的集成方案，在制造成本上能够节省40%左右。双环系统有两个复杂的极点，它们会引起频率响应的峰值并改善光电探测器的带宽。这项工作中，研究人员将双微环谐振器的传输光谱设计为具有分裂共振而不是平坦的“盒状”响应以加宽带宽。与具有相同响应的单微环雪崩探测器相比，双微环雪崩探测器响应度-带宽积可提高约40%。除了带宽优势之外，双微环结构还显示出响应滚降和邻道抑制的急剧增加，能够极大地抑制相邻通道之间的串扰。
图1 双微环全硅雪崩光电探测器示意图
器件制备与性能表征
全硅雪崩光电探测器是在先进微晶圆代工厂采用标准硅光子工艺制造的，该制造工艺无需任何工艺修改即可与标准多项目晶圆运行完全兼容，能够大规模生产，具备低成本的优势。研究人员测量了八通道全硅雪崩光电探测器的透射光谱，测量的传输谱线上观察到分裂谐振，与设计高度一致。测量的相邻通道之间的串扰在所有频率上都小于-50dB，这在密集波分复用接收系统中可以忽略不计。测量结果表明，仅0.77nm的通道间隔就能保证串扰小于-40dB。除了抑制通道串扰之外，双微环结构的另一个优点是高带宽。
图2展示了该探测器芯片在-8V和-16.5dBm光功率下测量的所有八个通道的频率响应。在-8V的偏置电压下，可以看到每个通道的带宽都在40GHz以上，低偏置电压下无增益的最大带宽>50GHz。在增益为5.9（-8V）或8.9（-8.1V）时，所有器件在偏置电压为-8V和-8.1V时分别实现了约40GHz和35GHz的3dB带宽，这几乎时单微环雪崩探测器的两倍。增益带宽积在-8V时为236GHz，在-8.1V时为311GHz，与商用InAlAs雪崩光电探测器相当。研究人员还研究了该八通道探测器芯片的动态特性，在不使用跨阻放大器的情况下进行了眼图测量。图2还显示了测量的92Gbs-1非归零（NRZ）和160Gbs-1PAM-4眼图。测量结果表明该八通道探测器芯片能够支持1.28Tbs-1的数据传输。
图2八通道雪崩光电探测器芯片测试结果
总结与展望
这项工作中，研究人员演示了一种八通道全硅双微环探测器芯片，能够检测创纪录的1.28Tbs-1的高速数据，相邻通道具有-50dB的超低串扰，芯片成本降低40%左右。每个通道都表现出出色的一致性，暗电流低至1nA，响应度为0.4AW-1，带宽宽至40GHz，增益带宽积高至311GHz。该芯片设计方案优于之前的多通道方案，实现了响应度的两倍增加、带宽的两倍增加、数据的三倍提升和串扰的三倍减少。为未来高速、低成本光网络的实现铺平了道路。该技术完全兼容现有的CMOS工艺，具有极高的产率和良品率，预计将成为未来硅光子技术领域的标准组件。
