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导读
近年来，随着算力需求和高速数据流量的爆发式增长，光芯片的带宽与能效正逐渐成为制约数据中心性能提升的关键瓶颈。与此同时，面向 6G 的新一代无线系统也在借助光子辅助太赫兹链路向毫米波和亚太赫兹频段拓展，对高性能光芯片提出了更高要求，以获取更宽的可用频谱和更大的传输容量。
作为这些系统中实现光-电转化的核心光芯片，光电探测器（PD）长期面临带宽与效率难以兼顾的技术瓶颈。尤其当系统带宽需求突破 100 GHz 乃至更高时，这一固有矛盾被进一步放大，难以同时满足高吞吐与低功耗的严格要求，从而成为制约数据中心光互连和6G/太赫兹通信持续发展的关键难题。
上海科技大学陈佰乐副教授课题组及合作者在波导型单行载流子结构的基础上，引入BCB平面化工艺并集成模场转换器（SSC）设计，实现了“高速载流子输运—低寄生电容—高效光耦合”的协同统一。器件同时实现了超过 200 GHz 的超宽带宽与 0.81 A/W 的外部响应度，带宽–效率积（BEP）高达133.5 GHz，成功攻克了该领域带宽与效率之间难以兼顾的长期瓶颈。这一成果为下一代单通道 400 Gbps 乃至 800 Gbps 光互连提供了核心器件方案，也为高速、低功耗的 6G 与太赫兹通信奠定了关键器件基础。
研究成果以《Modified uni-travelling-carrier photodiodes with 206 GHz bandwidth and 0.81 A W−1 external responsivity》为题，于11月10日在线发表于Nature Photonics。本工作的完成单位为上海科技大学信息学院、快粼光电科技有限公司、复旦大学信息学院及紫金山实验室。上海科技大学信息科学与技术学院的陈佰乐教授和复旦大学信息科学与工程学院余建军教授为共同通讯作者，上海科技大学博士研究生李林泽、博士生龙天宇和复旦大学博士研究生杨雄伟为本工作共同第一作者。
在高速光通信与太赫兹（THz）无线通信系统中，光电探测器的性能不再仅仅取决于“有多快”，而是取决于它能否在高速工作下依然“高效”。带宽越宽，意味着器件能响应更高频率的信号；而效率（响应度）越高，则代表单位光功率可转化出更多电信号。
然而，在传统器件中，这两者往往是一对矛盾体——提升带宽通常需要减薄吸收层、缩短载流子迁移距离，却会降低光吸收效率；而提高响应度则需要更厚的吸收层，却会减慢载流子传输速度。为了平衡这一长期存在的“速度–能效矛盾”，科研界提出了带宽–效率乘积（Bandwidth–Efficiency Product, BEP）这一综合指标。
它用一个简单的乘积：
BEP = f3db × QEext
来同时刻画器件在频率响应（f3dB）与外量子效率（QEext）两个维度的性能。BEP 越大，意味着该器件在高带宽与高转换效率之间实现了更优平衡。
器件设计：光电协同优化
团队设计的波导型单行载流子光电探测器如图1所示，器件由模斑转换器、单行载流子结构以及共面波导电极构成。
图1：波导型修正型单行载流子光电探测器(MUTC-PD)示意图
图源：Nature Photonics
优化策略如图2所示，通过“耦合—渡越时间—RC时间”三维协同优化，实现了高带宽与高响应度的平衡：
图2：波导型MUTC-PD光电协同设计示意图
图源：Nature Photonics
1. 高效光耦合：集成模斑转换器（SSC）
为实现超过 100 GHz 的带宽，通常器件面积需缩小至10 μm² 级。然而，小尺寸光电探测器通常面临光耦合效率显著下降的问题。为此，研究团队在器件前端创新性地集成了两段式模斑转换器，将光纤输入的光斑逐级压缩并精准聚焦至微小的有源区。通过折射率渐变的双匹配层设计，仿真结果显示光纤-波导耦合损耗低至 0.2 dB，响应度可达0.8A/W以上，大大降低了插入损耗，实现了高效的模斑耦合。
2. 渡越时间优化：电场分布与载流子输运平衡
光电探测器的速度上限取决于载流子渡越时间。团队在漂移层中嵌入了一个 30 nm 的“悬崖层”，强化了InGaAs–InP异质结界面的电场强度，有效削弱了异质界面势垒对电子的阻挡作用。该结构使漂移区能够维持 20–50 kV/cm 的强电场，从利用速度过冲效应（velocity overshoot effect），实现电子的“超速运动”。 与此同时，将耗尽吸收层厚度优化至 100 nm——既抑制了来自高掺p区的慢速扩散电流，又平衡了电子与空穴的响应速度。仿真结果表明，这一结构实现了 416 GHz 的理论渡越时间限制带宽，为超高速响应提供了坚实基础。
3. RC时间优化：最小化寄生电容
寄生参数是高速信号的“隐形杀手”。研究团队在共面波导（CPW）电极下方引入了低介电常数苯并环丁烯（BCB）介质层，用以隔离电极与InP衬底。相比传统结构，5 µm 厚的 BCB 层将电极寄生电容（Cep）从 9.6 fF 降至 4.4 fF，使RC限速带宽提升约 30 GHz。这一改进有效压缩了器件的电学时间常数，为其突破 200 GHz 带宽门槛扫清了关键障碍。
器件表征：性能突破
图3展示了不同尺寸器件的直流与射频特性。
暗电流特性： 所有器件在工作偏压下暗电流均低于 1 nA，表现出优异的低噪声性能。
响应度特性： 测量了器件在不同入射光功率下的光电流，并通过线性拟合获得 −1.5 V 偏压下的外部响应度，其中 2×15 μm² 器件高达 0.81 A/W。
偏振相关损耗（PDL）： 通过微调光纤耦合位置，PDL 可降至 −0.04 dB，表明器件具有极高的偏振稳定性。
带宽特性： 在 −1 V 偏压下，2×7 μm²、2×10 μm² 和 2×15 μm² 器件的 3 dB 带宽分别达到 278 GHz、243 GHz 和 206 GHz，展现出卓越的高速响应能力。
饱和输出功率： 在 180 GHz 频点下，2×15 μm² 器件的饱和光电流高达 9.3 mA，可实现约 0 dBm 的功率输出。
图3：芯片直流以及射频特性
图源：Nature Photonics
综合来看，尺寸为2×15 μm² 的器件同时实现了 206 GHz 的 3 dB 超高带宽与 0.81 A/W 的外部响应度，其带宽–效率乘积（bandwidth–efficiency product, BEP）超过 130 GHz，刷新了国际高速光电探测器的性能纪录，代表了该领域的最新技术前沿。
系统级验证：无LNA光子辅助太赫兹通信
研究团队将尺寸为 2 × 15 µm² 的 MUTC-PD 芯片封装于标准 WR-5.1 波导输出接口模块中，搭建出一个完整的光子辅助亚太赫兹无线通信系统。在无需外部低噪声放大器（LNA）的条件下，系统在 150 GHz 载波频率处实现了 30 Gbaud 16-QAM（120 Gbps） 信号的稳定传输，链路距离达到 54 m。相比之下，过去无LNA的系统仅能在 3 米距离下实现 60 Gbps 传输。本研究实现了传输速率与距离的同步跨越式提升，充分证明了该 MUTC-PD 在高输出功率与“带宽-能效”平衡方面的卓越性能，也展示了光子学技术在 6G 太赫兹无线通信中的工程可行性与应用潜力。
图4：基于MUTC-PD模组的光载太赫兹通信实验结果
图源：Nature Photonics
应用前景与展望
本工作的意义远不止于性能指标的突破。凭借在带宽与效率上的系统性协同优化，研究团队实现了从器件物理 → 封装工程 → 系统通信的全链路贯通，为高速光电探测器的工程实现与模块化应用提供了切实可行的方案。未来，基于该器件的高带宽、高效率、高线性度输出特性，可广泛应用于数据中心光互连、光子雷达、毫米波/太赫兹无线通信等新兴领域。同时，该研究所建立的设计方法与实验验证体系，也为下一代光电子器件的协同设计提供了可复制的技术范式，展现出光子学技术在推动算力基础设施与 6G 通信发展中的核心价值。
图5：带宽–效率指标与国际前沿成果对比
图源：Nature Photonics
论文信息
Li, L., Long, T., Yang, X. et al. Modified uni-travelling-carrier photodiodes with 206 GHz bandwidth and 0.81 A W−1 external responsivity. Nat. Photon. (2025).
https://doi.org/10.1038/s41566-025-01784-0
