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OFC 2025文章：突破230GHz! 薄膜铌酸锂光电集成技术与InP MUTC PD 刷新光电子带宽记录
随着人工智能、云计算等应用的迅猛发展，数据流量的高速增长对光互连系统提出了严峻的挑战，同时也对高速低时延的数据传输提出了迫切的要求。目前，基于相干方案的长途系统（C+L波段）和短距离IM/DD系统都在向200 Gbaud及以上发展，因此，如何实现低能耗、高信噪比的超高速 PD成为亟待解决的问题。
上海科技大学科研团队在OFC 2025 © Optica Publishing Group 2025系列文章中展示了一种工作在O波段到L波段的波导集成改进MUTC-PD，其工作频段为170 GHz以上。在保持超快性能的前提下实现高响应性，集成稀释波导作为SSC，由六个周期的的非掺杂InP-InGaAsP层组成，该器件采用165 nm的 InGaAs吸收层，250 nm的 InP收集层。阶梯渐变掺杂创造自诱导的准电场，促进电子输运。在 InP捕获层上加入30 nm厚的悬崖层，通过2e17 cm−3的最优掺杂能级来抑制大电流下的空间电荷效应。仿真实验获得了413 GHz的模拟带宽。
图1（a） InP基光电二极管的外延层结构。（b） 模拟传输时间限制带宽。
上海科技大学展示了一种基于 BCB粘合将MUTC PD异质集成在TFLN波导上，采用双面光耦合法，可获得高达230 GHz的高带宽，高达0.51 A/W的响应。BCB膜的厚度在100纳米以下，薄层是实现铌酸锂与III-V族材料高效耦合的关键。工艺流程如下。
图2。（a） 异质集成工艺：（1）铌酸锂晶片图案化和BCB旋涂。（ll）lll-V管芯清洁和管芯到管芯键合。（lll）InP衬底去除。（IV） P-金属定位。（V） P-台面干法蚀刻。（Vl）双匹配层蚀刻。（Vll）N-金属沉积。（VllBCB钝化。（lX）共面波导（CPW）电极形成，（通过TFLN波导上制造的PD的示意图。（c）集成PD的芯片的显微镜图像。
该器件采用180 nm的不完全损耗 InGaAs吸收层组成，在InGaAs/InP异质结处加入InGaAsP层，以平滑带隙不连续，促进载流子的高效输运。
然而，目前面临的最大问题是：铌酸锂（n=2.13）、氮化硅（n=2.016）与 InGaAs吸收层（n=3.59）的折射率不匹配，导致耦合效率下降。双台面结构诱导从TFLN波导到PD有源区域的快速模式转移，在相对较短的长度内实现高吸收效率。
为最大限度地减少由于顶部金属（Ti/Pt/Au）和InGaAs接触的近红外吸收而微调p型扩散层厚度，且对传输时间带宽影响最小。结果表明，在7μ m波段，光的快速耦合与吸收使内量子效率达到55.9%。该器件的外部响应度为0.16 A/W，考虑5db耦合损耗，计算出内部响应度为0.51 A/W。
图3。（a） 异质MUTC PD设计的横截面视图。（b） 光在结构中传播时的模拟光学强度。（c） InGaAs吸收体吸收的光功率百分比与传播长度的模拟结果。 器件在-1 V时，具有100pA的低暗电流。在1mA光电流下具有230 GHz带宽。响应曲线中的四条彩色线对应于四个不同频段的测量结果。
图4。（a） 2 x 7 um2器件的暗电流与电压特性。（b） PD在-1V偏压和1mA光电流下的响应频率。
清华大学罗教授团队研制出了一种新型的耦合波导MUTC-PD，其特点是利用多层耦合波导来减小光纤间的耦合损耗，增强倏逝耦合的效率，并通过优化的钝化平面化方法来解决RC带宽受限的问题。片上匹配电阻的WG-PD在-1 V下具有200 GHz带宽和0.62 A/W高响应率。
利用具有阶梯折射率剖面的五层InGaAsP耦合波导，光波导中逐渐增加的折射率可以引导输入光向上传输。在此基础上，吸收层厚度增加到240 nm，WG-PD的有效区域达到5×6平方微米。输入光波导与吸收层之间的耦合长度仅为8μm。多模耦合波导宽度为5μm，总高度为1.57μm，端面镀抗反膜，光纤与多层波导之间的耦合效率约为80%。
图5（a）所提出的WG-PD的外延结构。（b）沿WG-PD传输的光，（c）不同反向偏压下1550 nm处的测量响应率。
为了降低侧壁泄漏和寄生电容，提出了一种低电容钝化平面化方案。SiNx钝化层将干蚀刻产生的悬垂键降至最低，并能有效降低表面缺陷，SiO2钝化层具有较好的绝缘性及较小的容量。采用低介电常数的BCB将器件平面化，4 μm厚的BCB估计其寄生电容约为3fF。利用光外差技术对其频响进行了测试，获得了143 GHz的频带。
图6（a）所制备的WG-PD的SEM图像。（b） 在1V反向偏压下，无匹配电阻器的5x6um WG-PD的频率响应测量
为了改善 PD中集成片的高频特性，降低了微波信号的反射，薄膜NiCr电阻与PD平行，有效匹配电阻为65，WG-PD的带宽为200 GHz。结果表明，在140 Gbaud下，匹配电阻的WG-PD显示了更好的视觉效果。
图7（a）在1 V反向偏压下，使用匹配电阻器制造的5 x 6 um2 PD的测量频率响应，在140 Gbaud下测量的PAM4眼图（b）没有匹配电阻器和（c）有匹配电阻器的PD。
NICT设计一种超宽带UTC-PD，由掺p的InGaAs吸收层和低浓度的InP载流子集电极层组成。GSG电极的 Cp （10 fF）比4µ m PD （5 fF）大得多。集成50ohm匹配电阻，位于PD附近。在片上测试的OE频率响应在220 GHz插损仅-0.5 dB。拟合曲线预期带宽为260 GHz。
图8 UTC pD设计的横截面示意图，图2 220 GHz内的晶圆上O/E频率响应测量结果图3 220 GHz内晶圆上S22史密斯圆图测量结果
到目前为止，还没有发现针对200 GHz带宽的TIA，实现200 GHz范围高增益PD模块的一个好方法是使用SOA。设计和制造SOA-PD混合模块。
SOA具有26 dB小信号增益，中心波长为1530-1580 nm，驱动电流维持在600mA。为降低ASE噪声，当中有个3 nm的带通滤波器。PD输出焊盘使用键合连接到基板上。由于基板和键合线影响，保留大约200 GHz的3db带宽。
在SOA电流400 mA和不同光输入功率（-20 ~ -5 dBm）下，没有光电流饱和。在-20 dBm输入时，可获得16.2~7.3 A/W的高响应度，在集成PD模块中，相对于PD芯片的原始响应度（0.1 A/W）提高46-162倍。
图9 图4是与SOA集成的预制PD模块的照片，图5是jhtemalpD模块的示意图，图6是PD模块在220 GHz内的测量O/E频率响应（实施后，图7是不同光输入功率（-20至-5 dBm）下驱动电流与直流相位聚焦输出的关系）。图8 PD模块中光输入功率的响应率依赖性
PD模块集成或不集成SOA，在100 Gbaud下，均获得清晰眼图，在两个眼图中获得相同的幅度（30 mV），仅需要-13 dBm的低光输入功率和400 mA的SOA电流，而没有SOA的PD模块需要+11 dBm高功率输入。在- 12dbm光功率下，测得误码率2e-4）低于3.8e-3 的7% FEC阈值。
参考文献
【1】Ultrafast Waveguide MUTC Photodiode Targeting Over 200 GBaud Applications at 1310 nm and 1550 nm Linze Li,1 Tianyu Long,1Zhouze Zhang,1 Luyu Wang,1 and Baile Chen1,* 1 School of Information Science and Technology, ShanghaiTech University, Shanghai 201210, China，W2A.17 OFC 2025 © Optica Publishing Group 2025
【2】230 GHz MUTC Photodiodes Integrated on Thin-film Lithium Niobate Luyu Wang,1 Hanke Feng,2 Zhouze Zhang,1 Linze Li,1 Tianyu Long,1 Chengfei Shang,2 Cheng Wang,2 and Baile Chen1,* 1School of Information Science and Technology, ShanghaiTech University, Shanghai 201210, Chin，M2K.7 OFC 2025 © Optica Publishing Group 2025
【3】200 GHz Bandwidth Ultrafast Evanescently Coupled Waveguide MUTC-PDs with High Responsivity Mingwei Sun, Bing Xiong* , Changzheng Sun, Zhibiao Hao, Jian Wang, Lai Wang, Yanjun Han, Hongtao Li, Lin Gan, and Yi Luo，M4K.3 OFC 2025 © Optica Publishing Group 2025【4】16 A/W, DC–200 GHz ultra-broadband photoreceiver module for high baud rate small signal detection T. Umezawa1 , S. Nakajima1 , A. Matsumoto1 , K. Akahane1 , A. Kanno1,2, and N. Yamamoto1, Th3E.2 OFC 2025 © Optica Publishing Group 2025
OFC 2025文章：突破230GHz! 薄膜铌酸锂光电集成技术与InP MUTC PD 刷新光电子带宽记录
随着人工智能、云计算等应用的迅猛发展，数据流量的高速增长对光互连系统提出了严峻的挑战，同时也对高速低时延的数据传输提出了迫切的要求。目前，基于相干方案的长途系统（C+L波段）和短距离IM/DD系统都在向200 Gbaud及以上发展，因此，如何实现低能耗、高信噪比的超高速 PD成为亟待解决的问题。
上海科技大学科研团队在OFC 2025 © Optica Publishing Group 2025系列文章中展示了一种工作在O波段到L波段的波导集成改进MUTC-PD，其工作频段为170 GHz以上。在保持超快性能的前提下实现高响应性，集成稀释波导作为SSC，由六个周期的的非掺杂InP-InGaAsP层组成，该器件采用165 nm的 InGaAs吸收层，250 nm的 InP收集层。阶梯渐变掺杂创造自诱导的准电场，促进电子输运。在 InP捕获层上加入30 nm厚的悬崖层，通过2e17 cm−3的最优掺杂能级来抑制大电流下的空间电荷效应。仿真实验获得了413 GHz的模拟带宽。
图1（a） InP基光电二极管的外延层结构。（b） 模拟传输时间限制带宽。
上海科技大学展示了一种基于 BCB粘合将MUTC PD异质集成在TFLN波导上，采用双面光耦合法，可获得高达230 GHz的高带宽，高达0.51 A/W的响应。BCB膜的厚度在100纳米以下，薄层是实现铌酸锂与III-V族材料高效耦合的关键。工艺流程如下。
图2。（a） 异质集成工艺：（1）铌酸锂晶片图案化和BCB旋涂。（ll）lll-V管芯清洁和管芯到管芯键合。（lll）InP衬底去除。（IV） P-金属定位。（V） P-台面干法蚀刻。（Vl）双匹配层蚀刻。（Vll）N-金属沉积。（VllBCB钝化。（lX）共面波导（CPW）电极形成，（通过TFLN波导上制造的PD的示意图。（c）集成PD的芯片的显微镜图像。
该器件采用180 nm的不完全损耗 InGaAs吸收层组成，在InGaAs/InP异质结处加入InGaAsP层，以平滑带隙不连续，促进载流子的高效输运。
然而，目前面临的最大问题是：铌酸锂（n=2.13）、氮化硅（n=2.016）与 InGaAs吸收层（n=3.59）的折射率不匹配，导致耦合效率下降。双台面结构诱导从TFLN波导到PD有源区域的快速模式转移，在相对较短的长度内实现高吸收效率。
为最大限度地减少由于顶部金属（Ti/Pt/Au）和InGaAs接触的近红外吸收而微调p型扩散层厚度，且对传输时间带宽影响最小。结果表明，在7μ m波段，光的快速耦合与吸收使内量子效率达到55.9%。该器件的外部响应度为0.16 A/W，考虑5db耦合损耗，计算出内部响应度为0.51 A/W。
图3。（a） 异质MUTC PD设计的横截面视图。（b） 光在结构中传播时的模拟光学强度。（c） InGaAs吸收体吸收的光功率百分比与传播长度的模拟结果。 器件在-1 V时，具有100pA的低暗电流。在1mA光电流下具有230 GHz带宽。响应曲线中的四条彩色线对应于四个不同频段的测量结果。
图4。（a） 2 x 7 um2器件的暗电流与电压特性。（b） PD在-1V偏压和1mA光电流下的响应频率。
清华大学罗教授团队研制出了一种新型的耦合波导MUTC-PD，其特点是利用多层耦合波导来减小光纤间的耦合损耗，增强倏逝耦合的效率，并通过优化的钝化平面化方法来解决RC带宽受限的问题。片上匹配电阻的WG-PD在-1 V下具有200 GHz带宽和0.62 A/W高响应率。
利用具有阶梯折射率剖面的五层InGaAsP耦合波导，光波导中逐渐增加的折射率可以引导输入光向上传输。在此基础上，吸收层厚度增加到240 nm，WG-PD的有效区域达到5×6平方微米。输入光波导与吸收层之间的耦合长度仅为8μm。多模耦合波导宽度为5μm，总高度为1.57μm，端面镀抗反膜，光纤与多层波导之间的耦合效率约为80%。
图5（a）所提出的WG-PD的外延结构。（b）沿WG-PD传输的光，（c）不同反向偏压下1550 nm处的测量响应率。
为了降低侧壁泄漏和寄生电容，提出了一种低电容钝化平面化方案。SiNx钝化层将干蚀刻产生的悬垂键降至最低，并能有效降低表面缺陷，SiO2钝化层具有较好的绝缘性及较小的容量。采用低介电常数的BCB将器件平面化，4 μm厚的BCB估计其寄生电容约为3fF。利用光外差技术对其频响进行了测试，获得了143 GHz的频带。
图6（a）所制备的WG-PD的SEM图像。（b） 在1V反向偏压下，无匹配电阻器的5x6um WG-PD的频率响应测量
为了改善 PD中集成片的高频特性，降低了微波信号的反射，薄膜NiCr电阻与PD平行，有效匹配电阻为65，WG-PD的带宽为200 GHz。结果表明，在140 Gbaud下，匹配电阻的WG-PD显示了更好的视觉效果。
图7（a）在1 V反向偏压下，使用匹配电阻器制造的5 x 6 um2 PD的测量频率响应，在140 Gbaud下测量的PAM4眼图（b）没有匹配电阻器和（c）有匹配电阻器的PD。
NICT设计一种超宽带UTC-PD，由掺p的InGaAs吸收层和低浓度的InP载流子集电极层组成。GSG电极的 Cp （10 fF）比4µ m PD （5 fF）大得多。集成50ohm匹配电阻，位于PD附近。在片上测试的OE频率响应在220 GHz插损仅-0.5 dB。拟合曲线预期带宽为260 GHz。
图8 UTC pD设计的横截面示意图，图2 220 GHz内的晶圆上O/E频率响应测量结果图3 220 GHz内晶圆上S22史密斯圆图测量结果
到目前为止，还没有发现针对200 GHz带宽的TIA，实现200 GHz范围高增益PD模块的一个好方法是使用SOA。设计和制造SOA-PD混合模块。
SOA具有26 dB小信号增益，中心波长为1530-1580 nm，驱动电流维持在600mA。为降低ASE噪声，当中有个3 nm的带通滤波器。PD输出焊盘使用键合连接到基板上。由于基板和键合线影响，保留大约200 GHz的3db带宽。
在SOA电流400 mA和不同光输入功率（-20 ~ -5 dBm）下，没有光电流饱和。在-20 dBm输入时，可获得16.2~7.3 A/W的高响应度，在集成PD模块中，相对于PD芯片的原始响应度（0.1 A/W）提高46-162倍。
图9 图4是与SOA集成的预制PD模块的照片，图5是jhtemalpD模块的示意图，图6是PD模块在220 GHz内的测量O/E频率响应（实施后，图7是不同光输入功率（-20至-5 dBm）下驱动电流与直流相位聚焦输出的关系）。图8 PD模块中光输入功率的响应率依赖性
PD模块集成或不集成SOA，在100 Gbaud下，均获得清晰眼图，在两个眼图中获得相同的幅度（30 mV），仅需要-13 dBm的低光输入功率和400 mA的SOA电流，而没有SOA的PD模块需要+11 dBm高功率输入。在- 12dbm光功率下，测得误码率2e-4）低于3.8e-3 的7% FEC阈值。
参考文献
【1】Ultrafast Waveguide MUTC Photodiode Targeting Over 200 GBaud Applications at 1310 nm and 1550 nm Linze Li,1 Tianyu Long,1Zhouze Zhang,1 Luyu Wang,1 and Baile Chen1,* 1 School of Information Science and Technology, ShanghaiTech University, Shanghai 201210, China，W2A.17 OFC 2025 © Optica Publishing Group 2025
【2】230 GHz MUTC Photodiodes Integrated on Thin-film Lithium Niobate Luyu Wang,1 Hanke Feng,2 Zhouze Zhang,1 Linze Li,1 Tianyu Long,1 Chengfei Shang,2 Cheng Wang,2 and Baile Chen1,* 1School of Information Science and Technology, ShanghaiTech University, Shanghai 201210, Chin，M2K.7 OFC 2025 © Optica Publishing Group 2025
【3】200 GHz Bandwidth Ultrafast Evanescently Coupled Waveguide MUTC-PDs with High Responsivity Mingwei Sun, Bing Xiong* , Changzheng Sun, Zhibiao Hao, Jian Wang, Lai Wang, Yanjun Han, Hongtao Li, Lin Gan, and Yi Luo，M4K.3 OFC 2025 © Optica Publishing Group 2025【4】16 A/W, DC–200 GHz ultra-broadband photoreceiver module for high baud rate small signal detection T. Umezawa1 , S. Nakajima1 , A. Matsumoto1 , K. Akahane1 , A. Kanno1,2, and N. Yamamoto1, Th3E.2 OFC 2025 © Optica Publishing Group 2025