2025年12月11日，《Nature Communications》在线发表了华中科技大学武汉光电国家研究中心张新亮、余宇教授团队与英国剑桥大学合作的最新研究成果，题为 Ultrafast avalanche photodiode exceeding 100 GHz bandwidth。

该研究提出了一种单载流子倍增的全新概念，首次实现了带宽超过100 GHz的雪崩光电二极管（APD），打破了长期以来光电探测器“高灵敏度”与“大带宽”难以兼得的瓶颈。

在当今大数据和人工智能时代，光互连技术正朝着超高速率、超低功耗的方向发展。传统的无增益光电探测器虽然带宽高，但灵敏度低，在低功率环境下表现不佳；而具备内部增益的APD虽然灵敏度高，带宽却一直局限在数十GHz的水平，限制了其在超高速系统中的应用。其根本原因在于，在传统材料中，高电场会同时引发电子和空穴两种载流子的倍增，如同在一条狭窄的双向车道上同时涌入了对向的车流，极易导致“交通拥堵”，从而严重限制了器件的响应速度。

为解决这一难题，研究团队通过分离吸收-电荷-峭壁-倍增结构，实现了以电子为主导的单载流子倍增过程。器件的原理和结构示意图如图1所示。传统APD在锗区具有均匀的电场，电子和空穴同等程度地倍增。在提出的新型结构中，由于峭壁层（cliff）的特殊作用，电子在高场区加速并产生碰撞电离，空穴则进入低场区被抑制倍增，从而显著提高了APD的带宽。

基于这一全新设计，制备出的APD器件表现出卓越的性能，测得46的增益和高达105 GHz的带宽，对应于高达4800 GHz的增益带宽积。图2b将本工作（红色星形）与目前最先进的III-V族及硅基APD进行对比。本工作首次将APD的带宽推升至100 GHz以上，达到了与无增益的顶尖PIN光电二极管相当的水平。

如图3所示，进一步的实验证明，该器件成功实现了速率高达150 Gb/s的OOK、260 Gb/s的PAM4以及285 Gb/s的PAM8信号的接收。并在260 Gb/s速率下，比同带宽的无增益探测器灵敏度提高了9 dB。这一突破使得高灵敏度与超高带宽得以兼备，有望推动未来超高速光通信、超精细光传感和大规模光计算的发展。

武汉光电国家研究中心石洋博士为第一作者，余宇教授为通讯作者，论文第一单位为华中科技大学，合作单位为剑桥大学。研究获得国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、湖北省创新群体及光谷实验室创新项目的资助。