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引言5 z! v+ B# |6 F0 i8 } E7 S
本文介紹基于單極量子光電子器件的高速長(zhǎng)波紅外自由空間光通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)在9.1 μm波長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)了超過(guò)55 Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。
+ Z2 ^/ e% Y$ M: Z+ k$ F) K- n$ H8 z& }, j
長(zhǎng)波紅外(LWIR)大氣傳輸窗口(8-14 μm)為自由空間光(FSO)通信提供了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。這個(gè)光譜區(qū)域結(jié)合了低大氣傳播損耗和對(duì)湍流及其他大氣干擾的高抗性。最近在單極光量子器件方面的進(jìn)展使得在這一波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)前所未有的數(shù)據(jù)傳輸速率成為可能[1]。% L* B& d% a& E
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- ]. X2 ?; A6 d4 U9 U6 a關(guān)鍵組件7 e4 h. Y, g4 h% n( s/ e G
高速LWIR FSO系統(tǒng)的核心由兩個(gè)主要組件組成:發(fā)射器:直接調(diào)制的分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器(DFB-QCL)接收器:高速量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器(QCD)和量子阱紅外光電探測(cè)器(QWIP)" N; k' N& s9 [2 d4 {
[/ol]
& v# k+ Z2 ?$ }) O. \! b5 m/ u" K讓我們?cè)敿?xì)檢視這些組件。7 a: m" y4 e* K4 F3 Y( [3 t1 @
# e2 p; @3 O9 n# k1 C量子級(jí)聯(lián)激光器(QCLs)
5 R: L5 x/ V0 \8 k4 m [2 |. W' XQCLs是在中紅外到太赫茲范圍內(nèi)發(fā)射光的半導(dǎo)體激光器。與傳統(tǒng)的依賴(lài)電子-空穴復(fù)合的半導(dǎo)體激光器不同,QCLs使用重復(fù)堆疊的半導(dǎo)體多量子阱異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的子帶間躍遷。) f$ G$ C6 s3 q7 Y
3 N- H, ]& ?2 \6 F) B
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3 p: D2 O- Z3 M' Q. S0 K; |" D圖1:兩種QCLs在15°C下測(cè)量的光-電流-電壓(L-I-V)曲線。
. X+ r8 u# J5 z) |% \# t2 k- N I5 Y+ _8 V7 N& G
在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中,使用了兩種類(lèi)型的QCLs:標(biāo)準(zhǔn)QCL:通過(guò)專(zhuān)用散熱設(shè)計(jì)優(yōu)化,以獲得高輸出功率。RF-QCL:針對(duì)射頻特性優(yōu)化,具有增強(qiáng)的調(diào)制帶寬。
" y5 w+ d& F4 s& [; {[/ol]" V4 W8 E1 x: v( v$ `9 ]1 `$ u( q
RF-QCL的設(shè)計(jì)改進(jìn)包括:
, R- J$ }6 g( r5 k& t0 o更窄的寬度(4 μm,而標(biāo)準(zhǔn)QCL為2 μm)外延面朝上焊接到切割的子裝載板上短線鍵合,以實(shí)現(xiàn)高速操作定制的pcb設(shè)計(jì),帶有SMA連接器用于射頻注入7 c! r7 C D, j8 |: J! Y2 R7 s
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9 J9 B Z0 s/ g: [( A# y圖2:使用電整流法characterization RF-QCL的調(diào)制帶寬。
# M0 w3 T+ g: X% ~7 d3 g$ h0 s/ O' n' p, }% ~, P+ V5 ?) f# N
RF-QCL展示了約10 GHz的調(diào)制帶寬,這是對(duì)先前設(shè)計(jì)的顯著改進(jìn)。這種增強(qiáng)的帶寬對(duì)于在FSO通信中實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率非常重要。. N0 m$ W% d) [
Z3 b* \6 j+ g% L0 {! y* t量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器(QCDs)和量子阱紅外光電探測(cè)器(QWIPs)0 @* J, o) R8 h9 y* g e* f
在接收端,使用了兩種類(lèi)型的探測(cè)器:QCDs和QWIPs。這兩種探測(cè)器都利用半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的子帶間躍遷,使其成為L(zhǎng)WIR通信中QCLs的理想伴侶。
. \! T6 |7 i4 Y- V/ |% @0 P0 p5 c7 g% S0 l) D$ x3 S: ?2 ? r0 L5 x" V
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圖3:QCD的SEM圖像,其布局與QWIP類(lèi)似。: C5 g" F6 D/ ?% J( c
/ \4 K# j$ p* q- B' Q+ ?" i( o2 Q: i
這些探測(cè)器的主要特點(diǎn)包括:
1 Q2 i7 q# i0 P' ^! m5 X) A60 × 60 μm2的有效面積50 Ω共面波導(dǎo)和空氣橋,以增強(qiáng)頻率性能一維條紋陣列超材料設(shè)計(jì)
2 e2 x" O) h Z& G/ ]1 b- x3 O8 F6 l9 H
超材料設(shè)計(jì)提供了幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):將入射電磁能量confined在亞波長(zhǎng)腔內(nèi)的TM01模式中將電場(chǎng)垂直對(duì)齊,滿足子帶間躍遷的極化選擇規(guī)則減少器件的電氣表面,降低噪聲和電容' I! s! a) o9 A1 D7 p
[/ol]
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, I* i1 A0 A* Q* N: l7 H& [' y0 g
圖4:QCD和QWIP在室溫下的響應(yīng)度spectra。
7 G( d, q x% ~& \$ m
+ _7 l5 [! W! C6 e. B4 EQCD和QWIP展現(xiàn)出不同的性能特征:/ Q [: Q) H1 y1 X
QCD:更高的帶寬(~12 GHz),較低的響應(yīng)度(26 mA/W峰值QWIP:略低的帶寬(~9 GHz),更高的響應(yīng)度(320 mA/W峰值). s8 w* h1 \: y! J/ `9 K& }. R
. s, ?: p+ P1 E- ^
這些權(quán)衡需要小心的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化,以實(shí)現(xiàn)最佳整體性能。
" [ L8 v" J: `! Y; F+ A8 {1 b6 J$ l D
實(shí)驗(yàn)設(shè)置2 k9 B; |5 s2 o* \5 l7 r8 I
FSO傳輸設(shè)置由以下關(guān)鍵組件組成:信號(hào)生成:任意波形發(fā)生器(AWG)產(chǎn)生各種調(diào)制格式(NRZ,PAM4,PAM6)。信號(hào)放大和合并:電放大器boost信號(hào),然后使用高電流寬帶bias-tee將其與DC偏置電流合并。QCL安裝:QCL安裝在Peltier元件上,以穩(wěn)定溫度(15°C)。光束準(zhǔn)直和聚焦:ZnSe非球面透鏡準(zhǔn)直QCL輸出并將其聚焦到探測(cè)器上。探測(cè)器:使用QCD或QWIP進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)。信號(hào)放大和采樣:檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)放大后由實(shí)時(shí)數(shù)字存儲(chǔ)示波器(DSO)采樣。數(shù)字信號(hào)處理(DSP):進(jìn)行離線處理以評(píng)估性能。6 ]3 x" ~: ^" N' e: {" V r
[/ol]# v( h; k3 R$ n5 M, g$ o
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5 u! Y# T6 q7 w% `% i2 L
圖5:FSO傳輸設(shè)置的示意圖。
7 Q. u; O, k' k9 f" N: v2 Y h$ p5 g( d/ V" s$ @/ \/ b
2 Z$ ^1 q: b6 [2 h/ Q7 P% D數(shù)據(jù)傳輸性能
& `9 ]9 H" z; h# E% P8 Q系統(tǒng)性能通過(guò)使用不同的QCLs(標(biāo)準(zhǔn)和RF)和探測(cè)器(QCD和QWIP)組合進(jìn)行評(píng)估。測(cè)試了各種調(diào)制格式,包括非歸零(NRZ)和多電平脈沖幅度調(diào)制(PAM)。/ c$ \% a5 w8 S" X0 l. r
$ ]5 p3 w2 l& |/ |% S0 K: ~, P標(biāo)準(zhǔn)QCL性能使用標(biāo)準(zhǔn)QCL和QCD組合:
8 t9 _* A: l @. ` Y: Z/ C. R[/ol]NRZ:33 Gbaud(31.05 Gbit/s凈比特率)PAM4:18 Gbaud(33.8 Gbit/s凈比特率)PAM6:13 Gbaud(30.5 Gbit/s凈比特率)
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& N& X) L" D3 x
圖6:標(biāo)準(zhǔn)QCL與QCD接收器的BER結(jié)果和眼圖。+ ~+ j/ x9 U' D: d% u
, C0 M5 M' R2 y
2. 標(biāo)準(zhǔn)QCL和QWIP組合實(shí)現(xiàn)了更高的符號(hào)速率:, }1 o" P. E1 a- E. p- c
NRZ:38 Gbaud(35.7 Gbit/s凈比特率)PAM4:21 Gbaud(39.5 Gbit/s凈比特率)PAM6:15 Gbaud(35.2 Gbit/s凈比特率)" ~' p! ?! k. d s Z
. |/ ^& h% N) y$ r. W/ q
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! c9 _3 V" c8 n B, p
圖7:標(biāo)準(zhǔn)QCL與QWIP接收器的BER結(jié)果和眼圖。
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& J2 D8 c0 U; k# O X/ E4 @" Z4 T
RF-QCL性能
0 B4 D _; P; L h, J( FRF-QCL憑借其增強(qiáng)的調(diào)制帶寬,實(shí)現(xiàn)了更高的數(shù)據(jù)速率:* n9 g0 H4 A, o( O c- B/ ?
/ _: b& p0 t0 u- Q9 H1. 使用QCD接收器:
( D$ n% @2 v% BNRZ:42 Gbaud(39.5 Gbit/s凈比特率)PAM4:由于SNR限制,限制在5 Gbaud(9.4 Gbit/s凈比特率)
- }5 {- B8 i' Z! B: \) i9 G* k2 F+ K0 r+ A
2 S. l! Z" `7 n" @9 ?
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( |. ?" }8 N& J, n- ?; I& U
圖8:RF-QCL與QCD接收器的BER結(jié)果和眼圖。
0 `5 N# O! y4 r' K1 K/ U
; j* e: _+ k2 O$ i2. RF-QCL和QWIP組合產(chǎn)生了最高的整體性能:
0 T+ F u) S* ]: o0 \# rNRZ:55 Gbaud(51.7 Gbit/s凈比特率)PAM4:30 Gbaud(56.4 Gbit/s凈比特率)
$ N6 b6 f; G6 w' B; D9 Q* y! \8 |8 S4 j; H v
5 h3 w& B7 r# M. O$ U' m
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2 q" V1 u* J: P0 \3 L
圖9:RF-QCL與WQIP接收器的BER結(jié)果和眼圖,顯示了能達(dá)成的最高數(shù)據(jù)速率。& |- t B) g! e) z( f; Q
+ I' N" |& A5 J6 ^$ m2 Z
& V" M F# O# H挑戰(zhàn)和未來(lái)改進(jìn)& @# e5 Q: a5 r e" H7 f) A
盡管演示的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了LWIR FSO通信的前所未有的數(shù)據(jù)速率,但仍有幾個(gè)潛在的改進(jìn)領(lǐng)域:RF-QCL輸出功率:增強(qiáng)散熱設(shè)計(jì)可以在不降低操作溫度的情況下提高輸出功率。探測(cè)器響應(yīng)度:優(yōu)化QCL發(fā)射波長(zhǎng)和探測(cè)器響應(yīng)度峰值之間的對(duì)齊可以改善系統(tǒng)性能。探測(cè)器帶寬:將條紋陣列設(shè)計(jì)替換為patch陣列布局可能會(huì)同時(shí)增強(qiáng)QCD和QWIP的性能。傳輸距離:當(dāng)前設(shè)置由于precise聚焦要求限制在20 cm。需要engineering努力來(lái)extend傳輸范圍,以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。
6 q5 Q' |3 E2 ~) u0 V3 L/ w! {$ z[/ol]4 i, U* N H4 x. C8 K, i
結(jié)論! q, G# z) {. q
本文探討了使用單極量子光電子器件實(shí)現(xiàn)高速LWIR FSO通信的關(guān)鍵組件和技術(shù)。通過(guò)將優(yōu)化的QCLs與高性能QCD和WQIP探測(cè)器相結(jié)合,在9.1 μm波長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)了超過(guò)55 Gbit/s的數(shù)據(jù)速率。; R" ?) W$ P/ Z% k9 ?0 V3 M" ?! C/ P
% b% j- X' u* t
LWIR大氣窗口為FSO通信提供了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),包括低大氣傳播損耗和對(duì)湍流的高抗性。隨著這項(xiàng)技術(shù)繼續(xù)成熟,有望實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用的高容量、長(zhǎng)距離FSO鏈路,包括地面和衛(wèi)星通信。5 I |7 J X3 x; O- A0 W: c
$ T$ Z# M9 e! L k# ^6 a1 d+ T未來(lái)的研究方向包括進(jìn)一步優(yōu)化QCL輸出功率和調(diào)制帶寬,改進(jìn)探測(cè)器設(shè)計(jì)和性能,以及engineering解決方案以extend傳輸距離。隨著持續(xù)的進(jìn)步,基于單極量子光電子器件的LWIR FSO通信系統(tǒng)將在下一代無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用。5 x) [. M- S: X6 d4 {. R& P
8 g, a- M& s3 \* n& a8 q
$ l+ h [" N4 G參考文獻(xiàn): Y+ W( Q. y% B8 d K' {0 N" P
[1] H. Dely et al., "Unipolar quantum optoelectronics for high speed direct modulation and transmission in 8–14 μm atmospheric window," Nature Communications, vol. 15, no. 1, p. 8040, Dec. 2024.
: m6 j- O( ?) b+ p' R5 m- J* A9 [- U1 ^8 X, ]$ }1 @( j4 N: z1 V
- END -
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深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專(zhuān)注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開(kāi)發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù),廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
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