教授专栏204| 潘永安:成功研发新型光探测器,促进可编程光子学应用

港科大电子及计算机工程学系系主任及教授潘永安左丶博士生牛玥右于港科大光子器件实验室合照。可编程光子学利用光传送讯号能达到比电子学更快丶更节能的运算。然而现有片上功率监测器的性能不足令可编程光子系统的发展受限。香港科技大学港科大工学院研究团队成功开发一种注入锗离子的硅波导光电二极管这种新型光探测器具备高响应度丶超低光学损耗及低暗电流的特点能大大提高片上功率监测器的效能为节能丶超灵敏生物感测系统提供关键硬件以促进可编程光子学的实际应用。研究成果已于国际期刊《先进光子学》发表。可编程光子学器件利用光来进行复杂运算是光子学研究的关键领域。有别于使用电子传送讯号的传统电子装置可编程光子系统使用光子具有处理速度更快丶频宽和能源效率更高的优势使可编程光子学可应用于对运算要求较高的实时深度学习丶数据密集型计算等。片上功率监测器是构建可编程光子网络不可或缺的核心组件其性能高低直接决定了系统的自适应调整精度丶稳定性和整体效能。然而现有功率监测器的设计存在许多限制包括需要保持极低光学吸收损耗以避免对传输中光讯号造成显着衰减亦需要高响应度来确保对微弱光功率的检测灵敏度以及保持低暗电流和低功耗。为应对这些挑战由港科大电子及计算机工程学系系主任及教授潘永安及博士生牛玥带领的团队开发出一种注入锗离子的硅波导光电二极管解决了片上功率监测器无法兼顾高响应度和低损耗的难题。波导光电二极管是一种小型光探测器可直接整合用于传输光讯号的光波导中。波导光电二极管将在波导中传输的一小部分光转换为电讯号以便传统电子设备进行测量。注入锗离子有助增强转换效率原理是透过离子轰击在光电二极管的硅结构内部引入可控的缺陷令其可吸收比纯硅吸收范围更低的光子使光电二极管能够侦测波长范围宽度更广的光。团队利用显微镜观察芯片右边屏幕展示了锗离子注入的硅波导光电二极管探测器。过往科学家曾使用硼离子丶磷离子或氩离子来制造光探测器以提高片上功率监测器的性能但往往会于硅晶格中引入自由载流子变相降低了光学性能。相比之下港科大团队采用的锗离子与锗丶硅同属第四族元素可以取代晶体结构中的硅原子同时不会引入大量自由载流子令装置能够在不影响光讯号的前提下提高灵敏度。为了评估新型光探测器的性能研究团队进行了多项对比实验。结果显示锗离子注入的硅基光电二极管在两种常用通讯波段1,310 nmO波段和1,550 nmC波段中表现出高响应度并展现出极低暗电流即无光时几乎没有非预期输出和低光吸收损耗。这些特点使探测器尤为适合用于光子电路又不会干扰主讯号流。潘永安教授表示「我们将新型光探测器与现有片上线性光电探测器进行基准比对结果显示新型光探测器在片上功率监测的各项性能指标均较为优胜。是次研究将发掘光子计算的更多应用潜力并促进实用、大规模的可编程光子学系统发展。」除了应用于可编程光子学领域新型光探测器亦有其他应用潜力。潘教授补充探测器的超低暗电流及低偏压特性对于微弱光学讯号的低噪音检测尤其重要能为节能、超灵敏生物感测系统提供关键硬件。探测器亦能与微流控技术整合集成到片上实验室系统中促进其在生物感测和片上实验室系统技术的创新应用。图片展示了锗离子注入的硅波导光电二极管探测器。探测器可集成于硅波导中用于各类型可编程光子装置包括微环、马赫曾德干涉仪及双微环等。教授专栏由香港科技大学主理出品的【教授专栏】汇集来自不同领域教授的学术成果、前沿论断及知识科普用最新鲜的视角解读社会动态以最前沿的角度解释科技奥秘。期待通过香港科技大学的平台聚合更多新锐观点打造出一期又一期生动又深刻的【教授专栏】教授简介潘永安教授香港科技大学电子及计算机工程学系系主任及教授。于 1995 年在美国伊利诺伊州芝加哥大学获得文学学士荣誉学位随后于 1998 年和 2001 年在美国康涅狄格州耶鲁大学分别获得物理学哲学硕士和博士学位。2001 年他加入香港科技大学电子及计算机工程学系担任助理教授。现任该学系的系主任及教授。自 2002 年以来潘教授与其在香港科技大学的学生们一直利用晶圆级硅纳米加工工艺在光学微腔领域引领着多元化的研究方向。潘教授的研究团队是当今学术界和工业界全球硅光子学社群中的早期参与者之一。潘教授目前担任《IEEE 光子技术快报》的高级编辑。他曾担任 2016 年《IEEE 量子电子学精选主题期刊》JSTQE硅光子学专刊的特邀编辑。此外他还担任 2022 年在香港举办的第六届微腔及其应用国际研讨会WOMA的大会主席。他曾联合编辑出版了一部著作由 World Scientific 于 2011 年发行。往期回顾教授专栏191 |齐晔: 全球气候行动何去何从教授专栏190 | 马军:机器人仓储系统如何进一步推动智慧物流的发展主编 | 袁冶责编 | 周姗核校 | 柳松、许珺、吴倩来源 | 转载自HKUST-SENG 香港科技大學工學院 公众平台