科大工學院研究人員開發新型光探測器　提升片上功率監測效能 促進可編程光子學、生物感測及片上實驗室系统技術應用

可編程光子學利用光傳送訊號，能達到比電子學更快、更節能的運算。然而，現有片上功率監測器的性能不足，令可編程光子系統的發展受限。香港科技大學（科大）工學院研究團隊成功開發一種注入鍺離子的硅波導光電二極管，這種新型光探測器具備高響應度、超低光學損耗及低暗電流的特點，能大大提高片上功率監測器的效能，為節能、超靈敏生物感測系統提供關鍵硬件，以促進可編程光子學的實際應用。研究成果已於國際期刊《先進光子學》發表。

可編程光子學器件利用光來進行複雜運算，是光子學研究的關鍵領域。有別於使用電子傳送訊號的傳統電子裝置，可編程光子系統使用光子，具有處理速度更快、頻寬和能源效率更高的優勢，使可編程光子學可應用於對運算要求較高的實時深度學習、數據密集型計算等。

片上功率監測器是構建可編程光子網絡不可或缺的核心組件，其性能高低直接決定了系統的自適應調整精度、穩定性和整體效能。然而，現有功率監測器的設計存在許多限制，包括需要保持極低光學吸收損耗，以避免對傳輸中光訊號造成顯著衰減，亦需要高響應度來確保對微弱光功率的檢測靈敏度，以及保持低暗電流和低功耗。

為應對這些挑戰，由科大電子及計算機工程學系系主任及教授潘永安及博士生牛玥帶領的團隊，開發出一種注入鍺離子的硅波導光電二極管，解決了片上功率監測器無法兼顧高響應度和低損耗的難題。波導光電二極管是一種小型光探測器，可直接整合用於傳輸光訊號的光波導中。波導光電二極管將在波導中傳輸的一小部分光，轉換為電訊號，以便傳統電子設備進行測量。注入鍺離子有助增強轉換效率，原理是透過離子轟擊在光電二極管的硅結構內部引入可控的缺陷，令其可吸收比純硅吸收範圍更低的光子，使光電二極管能夠偵測波長範圍寬度更廣的光。

過往，科學家曾使用硼離子、磷離子或氬離子來製造光探測器，以提高片上功率監測器的性能，但往往會於硅晶格中引入自由載流子，變相降低了光學性能。相比之下，科大團隊採用的鍺離子，與鍺、硅同屬第四族元素，可以取代晶體結構中的硅原子，同時不會引入大量自由載流子，令裝置能夠在不影響光訊號的前提下，提高靈敏度。

為了評估新型光探測器的性能，研究團隊進行了多項對比實驗。結果顯示，鍺離子注入的硅基光電二極管在兩種常用通訊波段1,310 nm（O波段）和1,550 nm（C波段）中表現出高響應度，並展現出極低暗電流（即無光時幾乎沒有非預期輸出）和低光吸收損耗。這些特點使探測器尤為適合用於光子電路，又不會干擾主訊號流。

潘永安教授表示：「我們將新型光探測器與現有片上線性光電探測器進行基準比對，結果顯示新型光探測器在片上功率監測的各項性能指標均較為優勝。是次研究將發掘光子計算的更多應用潛力，並促進實用、大規模的可編程光子學系統發展。」

除了應用於可編程光子學領域，新型光探測器亦有其他應用潛力。潘教授補充，探測器的超低暗電流及低偏壓特性，對於微弱光學訊號的低噪音檢測尤其重要，能為節能、超靈敏生物感測系統提供關鍵硬件。探測器亦能與微流控技術整合，集成到片上實驗室系統中，促進其在生物感測和片上實驗室系統技術的創新應用。