为满足日益增长的数据流量需求，硅（Si）光子已成为一种前景广阔的超高速、低成本光互连技术。然而，利用硅光子技术实现高性能光电探测器需要集成更窄的带隙材料，这会导致更复杂的制造工艺、更高的成本和更低的良品率等问题。
据麦姆斯咨询报道，为了应对这一挑战，近日，美国慧与（Hewlett Packard Enterprise）和密歇根大学（University of Michigan）的联合研究团队提出了一种基于经济高效的八通道双微环谐振器（MRR）雪崩光电二极管（APD）的全硅接收器 (RX)，其总数据速率达到1.28 Tb/s。所有通道的性能表现出优异的一致性，响应度为0.4 A/W，超低暗电流为1 nA，−8 V时宽带宽为40 GHz。该全硅RX的每通道具有160 Gb/s的创纪录高传输数据速率，以及具有低于−50 dB的超低电串扰。所开发的全硅RX的性能可以与商用异质结RX相媲美，有望为未来光网络实现>3.2 Tb/s互连铺平道路。上述研究成果以“An 8 × 160 Gb s⁻¹ all-silicon avalanche photodiode chip”为题发表于Nature Photonics期刊。传统的光电探测器在带宽与响应度之间往往存在无法调和的矛盾。研究团队通过采用双微环谐振器设计，成功缓解了这一矛盾，并有效抑制了通道间的串扰。图1为全硅双微环谐振器APD的示意图。双微环谐振器APD由两个谐振器构成，每个谐振器的半径为7.5 μm。第一个未掺杂的微环谐振器具有较低的传播损耗。第二个微环谐振器具有一个PIN结，用作光电探测器（PD）。除了PIN结，第二个微环谐振器还可以具有一个Z形PN结，其特点是能够增强与电场的模式重叠。
所提出的全硅双微环谐振器APD是在Advanced Micro Foundry（AMF）使用标准硅光子工艺制造的。研究人员对其进行了性能表征，如图2、图3和图4所示。
图4 全硅双微环谐振器APD的频率响应和眼图（Eye Diagram）综上所述，这项研究提出了一种八通道全硅双微环谐振器APD的RX，能够以创纪录的1.28
Tb/s总速率检测高速数据，具有超低的-50 dB串扰，并能减少40%的芯片成本。双微环谐振器APD表现出优异的一致性，暗电流低至1
nA，响应度为0.4 A/W，带宽为40 GHz，增益带宽积高达311
GHz。这是第一款有可能在高速芯片内和芯片间互连方面与商用Si-Ge和III-V
RX竞争的全硅RX。未来，研究团队计划继续优化设计，通过降低掺杂浓度和改进植入条件，器件性能有望进一步得到提升。论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41566-024-01495-y延伸阅读：
《单光子雪崩二极管（SPAD）专利态势分析-2023版》
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