高功率、大带宽锗硅探测器机理及器件研究

The Germanium Photodetector (Ge PD) with high power handling capability and large bandwidth is highly desirable in many applications, such as high speed and large capacity fiber-optic communication, high density photonic interconnection, photonic analog communication, microwave photonics, etc. Limiting by the carrier transit time and parasitic parameters, the bandwidth and high power cannot be simultaneously achieved for the traditional Ge PD with vertical PN junction. In this project, the equivalent optical and electrical models will be established, based on the comprehensive investigation on the optic, electronic and thermal characteristics. The mechanism of the contradiction between the large bandwidth and high power will be studied and novel optical and electrical structures will be developed, targeting the carrier transit time optimization and parasitic parameters engineering. Furthermore, the optical field spatial distribution management assisted evanescent wave coupling scheme is proposed to optimize both the space charge distribution and heat transfer, obtaining the improvement on the thermal failure effect. The large bandwidth and high power Ge PD will be theoretically proposed and experimentally demonstrated, through theoretical analysis, device design/fabrication and system testing.

高功率、大带宽锗硅光电探测器在高速大容量光纤通信系统、高密度光互连、模拟光通信和微波光子学等领域有着广泛而重要的应用。受限于载流子渡越时间和寄生参数的矛盾，传统垂直PN节波导耦合型锗硅探测器无法同时实现大带宽和高功率。本项目拟在深入分析光、电、热特性基础上，建立硅锗探测器光学和电学等效模型，研究制约大带宽和高功率的物理机理，从载流子渡越时间优化和器件寄生参数调控等方面，构建新型光学和电学结构来同时实现大带宽和高功率。进一步地，提出并探索光场空间分布调控辅助型倏逝波耦合方案，结合新型光吸收结构，来优化空间电荷密度和热分布，提高探测器热失效阈值。从理论分析、器件设计和工艺制作、测试验证三方面出发，实现波导耦合型高功率、大带宽锗硅探测器，并进行系统应用。

高功率、大带宽锗硅光电探测器在高速大容量光纤通信系统、高密度光互连、模拟光通信和微波光子学等领域有着广泛而重要的应用。受限于载流子渡越时间和寄生参数的矛盾，传统垂直PN节波导耦合型锗硅探测器无法同时实现大带宽和高功率。本项目在深入分析硅锗探测器光、电、热特性基础上，建立等效光学和电学等效模型，通过微纳器件加工和硅锗异质集成的方法，设计制作出了新型大带宽、高功率、高响应度的硅锗探测器，并进行片上系统应用。.项目通过系列光电结构的创新，实现了带宽80GHz的探测器，实现了1.1A/W响应度，实现了85.7%的饱和功率提升。在探测器关键指标突破的基础上，将其应用在超高速率光通信中，实现了150Gb/s的PAM4信号接收，以及4x4多模光互连系统；应用在微波光子学领域，实现了两路独立可调的微波光子滤波器。同时，也进一步对新工艺、新材料在探测器研究中的可行性进行了探索研究。研究成果有望广泛用于对带宽急切需求的超高速大容量光通信系统和对饱和功率要求甚高的微波光子和军事领域。相关研究成果发表了系列论文，从关键器件到系统应用进行了详细报道。