科大工学院研究人员开发新型光探测器 提升片上功率监测效能 促进可编程光子学、生物传感及片上实验室系统技术应用

可编程光子学利用光传送信号，能达到比电子学更快、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（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、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、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信号的传统电子装置，可编程光子系统使用光子，具有处理速度更快、带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、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、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著衰减，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，可直接集成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。

过往，科学家曾使用硼离子、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，科大团队采用的锗离子，与锗、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 nm（O波段）和1,550 nm（C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、超灵敏生物传感系统提供关键硬件。探测器亦能与微流控技术整合，集成到片上实验室系统中，促进其在生物传感和片上实验室系统技术的创新应用。