浙大和东南大：在光通信关键技术中，实现高性能波导光电探测器

​硅光子学被认为是在近红外波段1.31/1.55μm进行现代光通信的关键技术，目前，硅光子学研究人员已经尝试将该技术扩展到超过1.55μm（例如2μm）的波长带，用于在光通信、非线性光子学和片上传感中的重要应用。然而，在1.55μm以上的高性能硅基波导光电探测器的实现仍然面临着挑战，这是因为存在一些制造问题和波长带宽的限制。

作为另一种选择，如石墨烯等二维材料提供了一种很有前途的解决方案，因为它具有宽工作波长的能力，并且在设计和制造中避免了结构失配的优点。在《光：科学与应用》期刊上发表的新研究中，浙江大学和东南大学的科学家，通过引入一种新型的硅-石墨烯混合等离子体波导，提出并演示了超过1.55μm的高性能波导光电探测器。

特别地，引入了顶部带有金属帽的超薄宽硅脊核心区，以获得独特的模场分布，从而增强了石墨烯的光吸收。此外，与以往的硅-石墨烯混合波导相比，制作简单，石墨烯-金属接触电阻降低。例如，对于20μm和50μm长的吸收区，当工作在1.5μm和2μm时，石墨烯的吸收效率分别高达54.3%和68.6%。对于工作在2μm的光电探测器，测量到的3dB带宽>20 GHz(受实验装置的限制)。

在-0.3V偏置电压下，对于0.28 mW的输入光功率，其响应度为30-70 mA/W。对于工作在1.55μm的光电探测器，3dB带宽>40 GHz(受设置的限制)，而在-0.3V偏置电压下，对于0.16 mW的输入光功率，测得的响应度约为0.4A/W。研究详细分析了石墨烯光电探测器的机理，认为在零偏压下工作时，光热电效应是光响应的主要机理。当光电探测器在非零偏压下工作时，主导机制变成测辐射或光导效应。

这种综合分析有助于更好地理解石墨烯-金属界面中光电流的产生。科学家们总结了他要点：研究已经提出并展示了超过1.55μm的高性能硅-石墨烯混合等离子体波导光电探测器。特别是，通过引入一个顶部有金属帽的超薄宽硅脊核心区，使用了一种新型硅-石墨烯混合等离子体波导。光学模式场可以在垂直和水平方向上进行操纵，因此，石墨烯中的光吸收得到了增强，同时金属吸收损失最小。

这极大地有助于在短吸收区域内实现石墨烯的足够光吸收。研究展示了工作在2μm的硅-石墨烯波导光电探测器，3dB带宽在20μ以上。在输入光功率为0.2 mW的偏置电压为-0.3V时，测得的响应度为30-70 mA/W。在1.55μm的光电探测器也表现出了优异性能。本研究为在硅上实现近红外/中红外波段的高响应度和高速波导光电探测器铺平了道路。

在未来的研究中，应该更多地努力引入一些特殊结结构，以最大限度地减少暗电流，并进一步扩大工作波长频带。石墨烯波导光电探测器可能在中红外硅光子学中发挥重要作用，这将在时间分辨光谱、芯片上实验室传感、非线性光子学以及光通信方面发挥重要作用。

博科园｜研究/来自：中国科学院/浙江大学、东南大学

参考期刊《光：科学与应用》

DOI: 10.1038/s41377-020-0263-6

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东南大学通信与信息系统学科介绍

一、 定位与目标

本学科的创建，可追溯到1923年我国最早设立的国立东南大学电机工程系电信技术专业。经过历代师生的共同努力，本学科目前已成为蜚声海内外的国家重点学科。作为东南大学的传统优势学科，本学科将创建国际一流学科作为近期自身发展的定位，致力于构建有国际竞争力的师资队伍，营造具有国际水平的科研与教学氛围，围绕本学科领域的科学前沿问题与国家重大需求展开研究；并始终将为国家培养具有创造力的优秀专业人才、获得具有国际影响力的一流科研成果、引领我国信息与通信产业的超前发展作为奋斗目标。

二、优势与特色

本学科师资力量雄厚，现有教授32人，副教授25人，长江学者特聘教授2人、国家“万人计划”科技创新领军人才2人、IEEE Fellow 2人、杰出青年基金获得者3人。本学科多人在本领域具有较大国际影响力，并在国家重要科研决策机构以及国内外学术机构担任职务，如国务院学位委员会学科评议组成员、国家科技重大专项副总师、国家863计划信息领域专家组副组长、973咨询委员、中国电子学会和中国通信学会常务理事、IEEE南京分会主席、IEEE信号处理学会常务理事、中国科学F辑副主编、IEEE等诸多著名学术刊物编委等。2014 获国家自然基金委优秀创新团队项目资助，获科技部重点领域创新团队、全国工人先锋号等荣誉称号。

本学科拥有移动通信国家重点实验室，是国内最早设立的国家重点实验室之一，在国内外具有重要影响。作为牵头单位，联合其它高校及设备制造商承担了3G、4G和5G移动通信国家级重大项目，输出了一系列国际标准提案，为我国移动通信系统的更新换代做出了重大贡献，具有重要的国际影响。

本学科密切结合学科的应用优势，在江苏省、教育部和科技部的支持下，牵头创建了南京通信技术研究院，联合国内7所高校及中国移动、华为、中兴、大唐，牵头成立了“2011 计划无线通信技术协同创新中心”，并以此为平台， 建立了“产学研”密切结合的一流学科基地，成果辐射至国内外30余家著名企业。

本学科也是在国际上较有影响的移动通信研究开发和人才培养基地。植根于国内久负盛名、曾为国家培养出12位两院院士的南京工学院无线电系，秉承止于至善的科学精神，在科学研究、人才培养方面享有深厚的文化底蕴。为国家输送了大量高端人才，一批杰出人才并逐渐成长为中国移动、华为、中兴以及国内外著名高校等企业的核心技术骨干。

新一代宽带无线移动通信是《国家中长期科学和技术发展规划》中最为优先的发展方向之一，其主要目标是通过十至十五年的努力，在2020年之前使我国成为世界无线移动通信技术研发、产业发展和服务与应用的领先国家之一，建成具有自主技术支撑的产业并占据世界市场份额25%以上，使我国无线移动信息服务与应用走在世界的前列。本学科秉承“两个率先”的发展理念—率先为国家重大战略需求做出重要贡献、率先在国际学术前沿取得突破性成果，始终坚持以无线与移动通信为本实验室的研究特色，努力建设本领域国际一流的研究环境与人才队伍，进一步加强国际交流与合作，努力培养具有国际视野的高层次专门人才，强化移动通信理论与技术的超前研究，通过开放合作促进核心技术成果转化，为移动通信产业发展做出贡献。

三、研究方向

本学科包括以下研究方向

（1）移动通信网络与系统理论及应用：

新型网络体系结构是近年移动通信发展的重要源泉，本研究方向以网络体系结构研究带动和促进学科整体发展，重点致力于新型的分布式网络、自组织网络、大规模网络、感知无线网络与频谱共享技术、以及网络虚拟化与云化的研究。

（2）宽带无线传输与多址技术：

无线传输与多址技术是移动通信领域近年来最为重要的研究方向之一，本方向重点研究宽带无线系统所涉及的多载波、多天线宽带无线传输与多址技术，发挥基础理论的创新优势，形成新一代移动通信自主核心技术和知识产权。

（3）现代信号处理及其在移动通信中的应用：

移动通信系统中许多关键技术归结为信号处理问题，本方向以基础理论研究为重点，注重源头创新和学科交叉，培育学科新的增长点，力争在多用户、多载波、多天线无线通信系统所涉及的时空信号处理、非线性迭代检测等方面取得突破。

（4）短距离无线通信与泛在网络：

短距离无线通信与泛在网络是未来信息化社会的重要组成部分，有极为广阔的应用前景，本方向以需求应用为导向，在低成本无线传输与泛在组网及无线传感器网络技术方面进行创新，注重毫米波、可见光等新型频谱资源的开发利用，注重理论、技术与产业应用的衔接。

（5）信息理论与编码：

信息理论是现代通信的基础，信道容量分析、特别是大规模MIMO及密集分布式网络信道容量分析为现代移动通信提供了理论指导，本方向结合宽带无线通信新需求，重点在多天线、多用户环境下的容量及编译码理论等方面创新。

四、国内外影响

本学科是首批国家重点学科，首批博士后流动站、博士点、特聘教授岗位，是国家“211”工程和“985”工程首批重点支持的国家重点学科，2002年入选江苏电子通信领域唯一的“重中之重”学科，2011年再度被评为江苏省优势学科；曾荣获我国历史上首个国家教学改革成果特等奖，一批教材曾长期作为我国工科院校的基础教材。2012年国家重点实验室评估中被评为优秀类实验室，列电子通信领域第一位；本学科入选“双一流”学科。

本学科取得了一批有国际影响力的研究成果。牵头完成的宽带移动通信容量逼近技术荣 获 2011年度国家技术发明奖一等奖；有关普适 MIMO 研究获国际通信学术界有重要影响的 2011年度 IEEE 莱斯奖，标志着学科基础研究跨入国际前沿；牵头承担国家 863 重大项目， 联合多所高校及企业，完成了我国第一个3G/4G/5G移动通信外场试验系统等；牵头承担国家自然科学基金重大项目，有关分布式蜂窝组网研究走在世界的前列，成果产生了较大的国际影响。先后承办了IEEE的多个具有重要影响力的旗舰国际会议，如 WCNC、VTC等。

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