高性能光电二极管 | Nature Photonics

无线通信需求的迅速增长，亟需宽带、高能效的光子亚太赫兹辐射源，以实现超高速数据传输。然而，作为太赫兹光混频的关键器件，光电二极管photodiodes，PD在带宽与量子效率之间存在固有权衡，成为实现高速度与高光电转换效率并存的主要障碍。

近日，上海科技大学陈佰乐团队联合复旦大学余建军团队在Nature Photonics上发文，通过研制一种基于磷化铟InP波导集成改进型单载流子传输光电二极管MUTC-PD，成功突破这一限制，器件带宽超过200GHz，带宽–效率积BEP超过130GHz。

通过引入模式场匹配器spot-size converter，SSC、优化电场分布、平衡载流子传输并最小化寄生电容，该器件实现了3 dB带宽达206 GHz、外部响应度达0.81 A·W?¹，创造了新带宽-效率积bandwidth–efficiency product，BEP标准。

采用WR-5.1波导封装后，器件在127–185 GHz范围内，实现了超过–5 dBm的射频输出功率。实现了54 m无线传输，单通道速率高达120Gbps，无需低噪声放大器low-noise amplifier，LNA。该项研究，有助于显著提升光功率预算、降低能耗提供了新路径，为高带宽、高效率亚太赫兹通信系统与下一代无线网络。

第一作者： Linze Li, Tianyu Long, Xiongwei Yang.通讯作者：Jianjun Yu & Baile Chen 通讯单位：上海科技大学，复旦大学Modified uni-travelling-carrier photodiodes with 206 GHz bandwidth and 0.81 A W−1 external responsivity. 具有206GHz带宽和0.81AW?¹外部响应度的改进型单行波载流子光电二极管。

图1: 太赫兹波导集成MUTC-PD。

图2: 光电二极管photodiodes，PDs静态和动态性能测量。

图3: WR-5.1-波导封装MUTC-PD模块和没有太赫兹THz放大器的光子辅助亚太赫兹THz通信。

图4: 波导耦合和表面照明光电二极管PDs性能比较。

该项研究，成功研制出带宽高达206 GHz、外响应率达0.81 A/W的改进型单行载流子光电二极管（MUTC-PD），其带宽-效率乘积达到133.5 GHz，刷新世界纪录。该器件采用波导集成结构与点尺寸转换器，显著提升光耦合效率与载流子传输速度，并利用BCB低介电材料降低寄生电容。封装后的模块在127–185 GHz频段输出功率超过-5 dBm，实现了54米无线传输、单通道速率120 Gbps的突破，为6G太赫兹通信提供了高性能光子源。

器件基于InP/InGaAsP材料体系，采用稀释波导结构与InGaAs吸收层，并在电极下引入BCB（苯并环丁烯） 以降低寄生电容。

参考文献： 中国光学期刊网

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