响应度和带宽挤在同一个厚度里，波导探测器为什么能拆开

 光探测器的两个核心指标是一对冤家。吸收层做厚，光吸收得充分，响应度高，载流子渡越时间也长，带宽低；做薄则反过来。垂直入射的结构里这两件事共用同一个厚度，无论怎么取，响应度和带宽的乘积都撞在 25 吉赫兹安每瓦附近。把光改成沿波导走，纵向和横向就分开了，这个乘积做到了 44.1。

一个厚度管两件事

探测器的工作过程可以拆成两步。光子进到吸收层里被吸收，产生电子空穴对；载流子在电场作用下跑出吸收区，被电极收集。第一步决定有多少光变成电，第二步决定这个过程能多快。

垂直入射的结构里，光从上往下穿过吸收层。吸收层越厚，光走得越远，被吸收的比例越高。同一层厚度也决定了载流子要跑多远才能到达收集层。厚度在这两个环节里是同一个数字，调一个必然动另一个。

这就是为什么早期的正面入射探测器带宽停在几十吉赫兹。要拿到可用的响应度，吸收层至少要做 1 微米以上；要做带宽，就得把它削到零点几微米。

响应度有个 1.25 的天花板

响应度的上限由光子能量决定，不由材料决定。理想情况下一个光子产生一个电子空穴对，响应度等于量子效率乘以波长除以 1.24，波长用微米，结果单位是安每瓦。

在 1550 纳米窗口，波长 1.55 微米，量子效率取 100% 时响应度上限是 1.25 安每瓦。这是物理天花板，任何材料都越不过去。

实际器件的量子效率低于 100%，因为不是每个进到吸收层的光子都被吸收，也不是每个产生的载流子都被收集。0.49 安每瓦对应的量子效率是 39%。这个数字不算高，但配上 90 吉赫兹的带宽，在高速链路里是很有竞争力的一组参数。

渡越时间把带宽按在厚度上

速度的账可以算到小数点后一位。载流子在收基层里的漂移速度取饱和速度，铟镓砷和磷化铟体系在常温下大约 6.5 乘 10 的 4 次方米每秒。

厚度 0.3 微米，渡越时间是 0.3 微米除以 6.5 乘 10 的 4 次方米每秒，4.6 皮秒。带宽的近似式是 0.44 除以渡越时间，得到 95.4 吉赫兹。实测 90 吉赫兹，差的那 5 吉赫兹来自寄生电容和电极电阻。

厚度 0.6 微米，渡越时间翻到 9.2 皮秒，带宽降到 47.7 吉赫兹。厚度 1 微米，带宽 28.6 吉赫兹。

寄生参数这一侧可以做得很干净。50 欧姆负载配 15 飞法的结电容，RC 时间常数 0.75 皮秒，相对 4.6 皮秒的渡越时间只占 16%，对总带宽的影响在 1 吉赫兹量级。所以这类器件的带宽基本由厚度一个参数决定。

图 1　垂直入射与波导耦合的载流子路径（依据原文第 2 节结构绘制）

垂直入射的乘积上限

把两侧的式子相乘，会得到一个不含厚度的结果。

响应度约等于 1.25 乘上吸收率，吸收率在小厚度下近似等于吸收系数乘厚度。带宽等于 0.44 乘饱和速度除以厚度。两式相乘，厚度被约掉，剩下 1.25 乘吸收系数乘 0.44 乘饱和速度。吸收系数取 0.7 每微米，饱和速度 6.5 乘 10 的 4 次方米每秒，乘积是 25.0 吉赫兹安每瓦。

这是垂直入射结构的硬上限。它只在厚度趋近于零时才能逼近，而厚度趋近于零意味着响应度也趋近于零。

取几个实际厚度验证一下。0.3 微米时乘积 22.6，0.6 微米时 20.4，1 微米时 18.0，2 微米时 13.5。越往厚走掉得越快，因为吸收已经饱和，带宽却还在往下掉。想同时要 0.5 安每瓦以上的响应度和 50 吉赫兹以上的带宽，在垂直入射里找不到这个点。

波导把纵向和横向分开

波导结构换了一个方向送光。光不再垂直穿过吸收层，而是沿着吸收层旁边的波导传播，靠倏逝场耦合进吸收区。光走的方向是纵向，长度几十微米到上百微米；载流子跑的方向是横向，也就是吸收层的厚度，仍然是零点几微米。

两个方向一分，两个指标就不再抢同一个参数。吸收是否充分由纵向长度和限制因子决定，长度加长，吸收率单调上升，跟带宽没有关系。带宽仍然由横向厚度决定，厚度薄，渡越快。

图 2　响应度带宽乘积随厚度的变化与上限（依据原文第 2、3 节数据计算）

这就是 0.49 安每瓦配 90 吉赫兹能同时出现的机制。乘积 44.1 吉赫兹安每瓦，接近垂直入射上限 25.0 的 1.8 倍。这个倍数不是材料变好了，是几何结构把两个约束解耦了。

波导结构也有自己的代价。光要从光纤耦合进波导，模场不匹配带来插损，单模光纤的模场直径 10.4 微米，硅基波导的模场只有零点几微米，两者之间要靠锥形耦合器过渡。这段过渡区的长度在几十到上百微米之间，占芯片面积，也限制了通道间距。对 1.6T 模块这种要在一颗芯片上排八路或十六路的结构来说，面积账要单独算。

蘑菇台面省下的那 0.75 皮秒

0.3 微米的吸收层对应 95.4 吉赫兹的理论带宽，实测 90 吉赫兹，差的这一段由寄生参数解释。

垂直入射型器件靠减小台面直径来降电容，直径小了，光敏面积也小，对准公差变紧。波导型器件的光敏面积由波导截面决定，本来就不大，台面可以做得更小。文献用的是蘑菇形台面，侧壁内收，电极只压在最上面一层，结电容被压到十几飞法。

这颗 0.75 皮秒的 RC 时间常数看着不起眼，它是 90 和 95 之间的那道缝。要继续往上做带宽，比如做到 140 吉赫兹，渡越时间要压到 3.1 皮秒，对应厚度 0.2 微米，响应度会掉到 0.17 安每瓦附近。到那个厚度，RC 的占比已经上升到 20% 以上，寄生参数开始和渡越时间平起平坐。

90 吉赫兹刚好够 200G 一路

带宽要多少，取决于链路速率。200G 的 PAM4 每通道，符号率 100 GBd，需要的带宽大约 70 吉赫兹。90 吉赫兹留了 20 吉赫兹余量。

1.6T 的模块用八路 200G，正好是这个配置。如果往 3.2T 走，每通道要到 400G，符号率 200 GBd，探测器带宽需要 140 吉赫兹以上，这时候厚度要往下压，响应度跟着掉，链路预算里就要重新分配光功率。

这也解释了为什么这一层的竞争不在材料，而在结构。同样的铟镓砷吸收层，垂直入射做到 25 就到顶，波导做到 44，差别全在光走哪个方向。

一句话

探测器的响应度和带宽不是被材料限制的，是被“光走的方向和载流子走的方向是不是同一个”限制的。

内容来源：Photonics（MDPI 开放获取），2025 年第 12 卷第 9 期，文章号 891

原文标题：High-Responsivity Waveguide UTC Photodetector with 90 GHz Bandwidth for High-Speed Optical Communication

作者：Yu Zheng, Qin Han, Han Ye, Shuai Wang, Yimiao Chu, Liyan Geng, Junming An

DOI：10.3390/photonics12090891

链接：https://doi.org/10.3390/photonics12090891

配图说明：图 1、图 2 均为自行绘制，为原理示意，非原文原图复制

改动声明：本文为对开放获取文献的技术编译与解读，标题、行文与配图为原创

来源：21ic电子网