纳米科学和纳米技术中心 图:(左)具有硅锗PIN异质结的芯片集成雪崩光电探测器的三维示意图
(右)C2N“射频和光学实验”平台中获得的光电二极管的40 Gbps眼图孔径
信用:C2N 纳米科学和纳米技术中心的研究人员与中国电子科技大学LETI分校和意法半导体公司合作，展示了一种高能效的高速硅锗雪崩光电接收器
该设备完全兼容可访问的半导体技术和在电信波段标准下运行的光纤链路
由于其低成本、高产量和密集的集成能力，硅纳米光子学满足了数据中心、高性能计算机和云服务中指数级增长的通信需求
为此，大量纳米光子功能现在可以在单个芯片上实现，因为它们利用了硅铸造工艺的成熟
自集成纳米光子学早期以来，光学光电探测器一直处于研究兴趣的前沿
迄今为止，大多数光电探测器利用第三至第五族和第四族材料的晶体半导体来制造光接收器，因为微电子工业广泛利用这些材料
三-五化合物(一
e
砷化铟镓[InGaS]和砷化铟镓磷化物[InGaAsP]提供了最成熟的直接带隙材料系统，具有成熟的光电探测器设计和制造流程
然而，ⅲ-ⅴ族探测器面临着严峻的挑战，如过高的电源电压、在互补金属氧化物半导体(互补金属氧化物半导体)制造厂之外昂贵的制造成本或与其他光子平台复杂的混合/异质集成
相比之下，由硅和锗(第四族材料)制成的光电探测器目前是一种成熟的替代产品，它利用了低成本和生产多功能性，在单个芯片上集成了符合铸造要求的单片集成
基于硅锗的半导体雪崩光电二极管将信号从光域转换到电域以获得低光功率，比普通的金属-半导体-金属和PIN二极管更加灵敏
雪崩光电二极管对先进的高能效和高速应用最具吸引力，因为它们利用内部倍增增益，使得每个吸收的光子能够产生多个光载流子，从而从本质上提高器件性能
然而，硅锗雪崩光电探测器有其自身的缺点
需要强电场来启动载流子的倍增，这也会发出过量的噪声
雪崩器件还受到在较高电压下工作的挑战和/或它们仅检测低至中等比特率
在发表在《光学》杂志上的一项研究中，CNRS大学纳米科学与纳米技术中心的研究人员
巴黎-萨克莱)，与LETI东航和意法半导体公司合作，在主流电信波长下实现了40 Gbps的片上信号检测
这是可能的，因为实现了具有异质结构硅锗结的具有成本效益且与互补金属氧化物半导体兼容的雪崩光电二极管
硅锗雪崩光电探测器是在中国原子能科学研究院LETI洁净室设施中使用开放式光子平台进行单片集成和传统的互补金属氧化物半导体工具进行处理的
为了充分量化光电性能，由于实验室在光学高频实验方面的技能，制造的器件在C2N上进行了表征
雪崩光电探测器本质上是由亚10V偏置电压驱动的简单异质结构PIN二极管
其卓越光电性能的关键因素是具有亚微米结面积的紧凑型PIN二极管
PIN二极管受益于发生在异质结构硅锗界面的强局域化碰撞电离过程
光电二极管的小型化电气结构利用了硅出色的低噪声特性，并且由于死区效应，局部雪崩倍增效应有助于抑制寄生过量噪声
反过来，这使得能够实现先进的片上光子接收器，同时在商业电信波长下具有高速、低噪声和节能的操作
结果，在传输比特率分别为32 Gbps和40 Gbps时，测量到可信的功率灵敏度为-13 dBm和-11 dBm
这些结果为现代光电和通信领域的芯片级纳米光子学开辟了机会
因此，光接收器可应用于数据传输系统，包括数据中心、云计算和高计算服务器，或芯片级互连，仅举几例
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