具有7564 GHz 增益带宽积的高速Si–Ge雪崩光电二极管

为什么更快的光学传感器很重要

每一张照片、视频通话和 AI 查询都以微小的光脉冲在数以万计的光纤网络中传输。在每根光纤的末端，光传感器必须将这些光脉冲转换为芯片能够理解的电信号。随着数据中心和云计算向更高速率推进，现有的光传感器正成为瓶颈。本文报道了一种新的硅–锗（Si–Ge）雪崩光电二极管——一种高灵敏度的光探测器——它在保持与标准芯片制造工艺兼容的同时打破了速度纪录，为更快、更节能的互联网和计算硬件指出了方向。

把微弱光信号放大为强烈电平

雪崩光电二极管是一类不仅检测光，而且在器件内部放大所得电信号的特殊传感器。这种内置增益使接收端可以处理非常弱的光，对于长距离光纤链路和降低每比特能耗至关重要。作者关注的关键性能指标是增益‑带宽积（gain‑bandwidth product），它结合了放大倍数与器件响应速度。提高这一数值意味着可以在不被噪声淹没的情况下检测极快的数据流。用于电信探测器的传统材料，如某些化合物半导体或纯锗，要么产生过多噪声，要么难以在硅芯片上高密度集成。本项工作采用精心设计的硅与锗组合，以兼得两者优点。

将任务在两种材料间分工

该新器件采用一种称为横向分离吸收‑电荷‑倍增结构的布局。简单来说，硅和锗层各自承担特定角色。锗在数据通信使用的波长上具有高效吸收，作为捕光区域；硅则在电子倍增时表现出较低噪声，作为内置放大部分。研究团队将内部电场精心塑造，使得在硅中需要雪崩倍增的区域电场很强，而在锗中则保持较弱。这种精细的“电场工程”大幅降低了不必要的泄漏电流和噪声，同时仍能快速清除光生载流子，保持器件的高速响应。他们还避免在锗层上直接接触金属，减少缺陷并进一步抑制暗电流。

循环利用光以提高效率

除了内部放大之外，研究者还解决了另一个挑战：如何在不降低速度的情况下尽可能多地收集入射光。简单地增大锗区域能提高吸收，但会使载流子横穿耗时更长，从而限制速度。相反，团队在输入处加入了一个渐缩波导，将光温和地汇聚到小的活性区，并在后端设置了一个分布式布拉格反射器，起到微小镜子的作用。首次穿透锗层的光会被反射回来，获得第二次吸收机会。仿真与测量显示，这一策略增强了锗层的光约束，使响应度提高约三分之一，同时保持结构紧凑且高速。

在太比特数据率下打破纪录

为评估实际性能，团队测量了器件对高速光信号的响应。在适度光强和12.5伏反向电压下，该光电二极管能够将信号放大超过两百倍，同时保持约31千兆赫兹的电带宽。在低功率照明下，这种组合实现了7564千兆赫兹的创纪录增益‑带宽积，远超以往的硅–锗设计。眼图与误码测试——通信工程中的标准工具——表明该器件可直接接收100 Gb/s 的传统信号和200 Gb/s 的多电平信号，其灵敏度与实用的纠错方案兼容，即使不外接独立电子放大器也能工作。他们还构建了一个八通道阵列，各通道略调谐到不同波长，演示了用于波分复用链路时每通道稳定的200 Gb/s 传输。

对未来网络的意义

对非专业读者而言，关键结论是作者们构建了一个微小的光传感器：它既能看到极弱信号，又能跟上极快的数据流，而且使用的是可融入现有硅芯片生态的工艺。通过把光吸收与放大功能分别交由锗和硅承担、设计电场以最小化噪声，并用微型反射器回收光，他们在紧凑器件中实现了前所未有的性能。这类高速低噪声光电二极管可以帮助未来数据中心在每根光纤中传输更多信息、降低每比特功耗，并支持如量子通信和高级 LiDAR 等新兴应用，同时利用现代微电子制造的既有基础设施。

引用: Xue, J., Cheng, C., Bao, S. et al. High-speed Si-Ge avalanche photodiode with a gain-bandwidth product of 7564 GHz. Nat Commun 17, 3730 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70461-9

关键词: 雪崩光电二极管, 硅光子学, 光通信, 高速探测器, 波分复用