無線通信需求的迅速增長，亟需寬帶、高能效的光子亞太赫茲輻射源，以實(shí)現(xiàn)超高速數(shù)據(jù)傳輸。然而，作為太赫茲光混頻的關(guān)鍵器件，光電二極管photodiodes，PD在帶寬與量子效率之間存在固有權(quán)衡，成為實(shí)現(xiàn)高速度與高光電轉(zhuǎn)換效率并存的主要障礙。

近日，上海科技大學(xué)陳佰樂團(tuán)隊(duì)聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)余建軍團(tuán)隊(duì)在Nature Photonics上發(fā)文，通過研制一種基于磷化銦InP波導(dǎo)集成改進(jìn)型單載流子傳輸光電二極管MUTC-PD，成功突破這一限制，器件帶寬超過200GHz，帶寬–效率積BEP超過130GHz。

通過引入模式場匹配器spot-size converter，SSC、優(yōu)化電場分布、平衡載流子傳輸并最小化寄生電容，該器件實(shí)現(xiàn)了3 dB帶寬達(dá)206 GHz、外部響應(yīng)度達(dá)0.81 A·W?1，創(chuàng)造了新帶寬-效率積bandwidth–efficiency product，BEP標(biāo)準(zhǔn)。

采用WR-5.1波導(dǎo)封裝后，器件在127–185 GHz范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了超過–5 dBm的射頻輸出功率。實(shí)現(xiàn)了54 m無線傳輸，單通道速率高達(dá)120Gbps，無需低噪聲放大器low-noise amplifier，LNA。該項(xiàng)研究，有助于顯著提升光功率預(yù)算、降低能耗提供了新路徑，為高帶寬、高效率亞太赫茲通信系統(tǒng)與下一代無線網(wǎng)絡(luò)。

第一作者： Linze Li, Tianyu Long, Xiongwei Yang.通訊作者：Jianjun Yu & Baile Chen 通訊單位：上海科技大學(xué)，復(fù)旦大學(xué)Modified uni-travelling-carrier photodiodes with 206 GHz bandwidth and 0.81 A W?1 external responsivity. 具有206GHz帶寬和0.81AW?1外部響應(yīng)度的改進(jìn)型單行波載流子光電二極管。

圖1: 太赫茲波導(dǎo)集成MUTC-PD。

圖2: 光電二極管photodiodes，PDs靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能測量。

圖3: WR-5.1-波導(dǎo)封裝MUTC-PD模塊和沒有太赫茲THz放大器的光子輔助亞太赫茲THz通信。

圖4: 波導(dǎo)耦合和表面照明光電二極管PDs性能比較。

該項(xiàng)研究，成功研制出帶寬高達(dá)206 GHz、外響應(yīng)率達(dá)0.81 A/W的改進(jìn)型單行載流子光電二極管（MUTC-PD），其帶寬-效率乘積達(dá)到133.5 GHz，刷新世界紀(jì)錄。該器件采用波導(dǎo)集成結(jié)構(gòu)與點(diǎn)尺寸轉(zhuǎn)換器，顯著提升光耦合效率與載流子傳輸速度，并利用BCB低介電材料降低寄生電容。封裝后的模塊在127–185 GHz頻段輸出功率超過-5 dBm，實(shí)現(xiàn)了54米無線傳輸、單通道速率120 Gbps的突破，為6G太赫茲通信提供了高性能光子源。

器件基于InP/InGaAsP材料體系，采用稀釋波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與InGaAs吸收層，并在電極下引入BCB（苯并環(huán)丁烯） 以降低寄生電容。

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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